【STM32单片机王者养成记】：揭秘STM32的性能优势与实战应用

 # 1. STM32单片机的架构与性能优势** STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司推出的基于ARM Cortex-M内核的高性能微控制器系列。它采用32位RISC架构，具有强大的处理能力和丰富的片上外设。 STM32单片机的架构主要包括： - **Cortex-M内核：**负责执行程序指令，提供高速计算和低功耗。 - **存储器：**包括闪存（用于存储程序和数据）、SRAM（用于存储临时数据）和EEPROM（用于存储非易失性数据）。 - **片上外设：**包括定时器、中断控制器、UART、SPI、I2C、ADC和DAC等，为各种应用提供丰富的功能。 STM32单片机的性能优势包括： - **高性能：**采用ARM Cortex-M内核，提供高速计算能力。 - **低功耗：**采用先进的电源管理技术，在低功耗模式下也能保持高性能。 - **丰富的片上外设：**集成多种片上外设，减少外部元件数量，降低系统成本。 - **易于使用：**提供完善的开发工具和文档，简化开发过程。 # 2. STM32单片机编程基础** **2.1 STM32开发环境搭建** STM32开发环境搭建是单片机编程的基础，包括编译器、仿真器、调试器等工具的安装和配置。 **2.1.1 编译器安装** STM32单片机使用Keil MDK或IAR Embedded Workbench等编译器进行程序开发。Keil MDK是ARM官方推荐的编译器，提供免费版和付费版。IAR Embedded Workbench是IAR Systems公司开发的商业编译器，功能更强大。 **2.1.2 仿真器安装** 仿真器用于在不烧录程序的情况下调试程序，可以实时查看程序运行状态。常用的仿真器有ST-Link、J-Link等。 **2.1.3 调试器安装** 调试器用于在程序烧录到单片机后进行调试，可以单步执行程序、设置断点、查看变量值等。常用的调试器有SWD、JTAG等。 **2.1.4 开发环境配置** 开发环境配置包括编译器、仿真器、调试器的关联，以及工程文件的创建和配置。 **2.2 STM32寄存器与外设编程** STM32单片机具有丰富的寄存器和外设，通过对这些寄存器的配置和操作，可以控制单片机的功能。 **2.2.1 寄存器结构** STM32单片机的寄存器分为32位寄存器和16位寄存器，每个寄存器都有特定的地址和功能。 **2.2.2 外设编程** STM32单片机的外设包括GPIO、定时器、UART、ADC等，通过对这些外设的配置和操作，可以实现各种功能。 **2.2.3 代码示例** ```c // 配置GPIOA的第5位为输出模式 GPIOA->MODER |= (1 << 10); // 设置GPIOA的第5位为高电平 GPIOA->ODR |= (1 << 5); ``` **2.3 STM32中断与定时器应用** STM32单片机支持多种中断机制，包括外部中断、内部中断和软件中断。定时器是单片机中常用的外设，可以用于产生定时中断或测量时间间隔。 **2.3.1 中断机制** STM32单片机的中断机制分为嵌套中断和非嵌套中断，嵌套中断允许高优先级中断打断低优先级中断，非嵌套中断则不允许。 **2.3.2 定时器应用** STM32单片机的定时器可以用于产生定时中断或测量时间间隔，通过配置定时器的时钟源、分频系数和重装载值，可以实现不同的定时功能。 **2.3.3 代码示例** ```c // 配置TIM2为10ms中断 TIM2->PSC = 8400 - 1; // 时钟分频为8400 TIM2->ARR = 1000 - 1; // 重装载值为1000 TIM2->DIER |= TIM_DIER_UIE; // 允许更新中断 NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn); // 使能TIM2中断 ``` # 3. STM32单片机实战应用** **3.1 STM32单片机LED控制** LED（发光二极管）是一种常见的电子元件，广泛应用于各种电子设备中。STM32单片机可以通过GPIO（通用输入输出）口控制LED的亮灭。 **3.1.1 GPIO口配置** STM32单片机通过GPIO口与外部设备进行通信。在使用GPIO口控制LED之前，需要对GPIO口进行配置。 ```c // 初始化GPIO口 void GPIO_Init(void) { // 使能GPIO时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 设置GPIOA的第5位为输出模式 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); } ``` **3.1.2 LED控制** 配置好GPIO口后，就可以通过设置GPIO口的输出电平来控制LED的亮灭。 ```c // 点亮LED void LED_On(void) { // 设置GPIOA的第5位为高电平 GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); } // 熄灭LED void LED_Off(void) { // 设置GPIOA的第5位为低电平 GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); } ``` **3.2 STM32单片机按键扫描** 按键是人机交互的重要输入设备。STM32单片机可以通过GPIO口检测按键的按下和释放。 **3.2.1 GPIO口配置** 与控制LED类似，使用GPIO口检测按键也需要先对GPIO口进行配置。 ```c // 初始化GPIO口 void GPIO_Init(void) { // 使能GPIO时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); // 设置GPIOA的第0位为输入模式 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_In_FLOATING; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); } ``` **3.2.2 按键扫描** 配置好GPIO口后，就可以通过读取GPIO口的输入电平来检测按键的状态。 ```c // 按键扫描 void Key_Scan(void) { // 读取GPIOA的第0位电平 if (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0) == 0) { // 按键按下 } else { // 按键未按下 } } ``` **3.3 STM32单片机UART通信** UART（通用异步收发传输器）是一种常用的串行通信接口。STM32单片机可以通过UART与其他设备进行数据传输。 **3.3.1 UART配置** 使用UART通信需要先对UART进行配置。 ```c // 初始化UART void UART_Init(void) { // 使能UART时钟 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE); // 设置UART参数 USART_InitTypeDef USART_InitStructure; USART_InitStructure.USART_BaudRate = 9600; USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); // 使能UART USART_Cmd(USART1, ENABLE); } ``` **3.3.2 数据发送和接收** 配置好UART后，就可以通过UART发送和接收数据。 ```c // 发送数据 void UART_SendData(uint8_t data) { // 等待发送缓冲区空闲 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); // 发送数据 USART_SendData(USART1, data); } // 接收数据 uint8_t UART_ReceiveData(void) { // 等待接收缓冲区有数据 while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_RXNE) == RESET); // 接收数据 return USART_ReceiveData(USART1); } ``` # 4. STM32单片机进阶应用** **4.1 STM32单片机ADC与DAC应用** **4.1.1 ADC简介** ADC（模数转换器）是一种将模拟信号（如电压、电流）转换为数字信号的电子器件。STM32单片机内置了高性能ADC模块，支持多种采样率和分辨率。 **4.1.2 ADC工作原理** ADC的工作原理如下： 1. **采样：**ADC将模拟信号采样为一系列离散时间点上的值。 2. **量化：**ADC将采样值转换为有限数量的数字值（量化）。 3. **编码：**ADC将量化值编码为数字信号，通常使用二进制或格雷码。 **4.1.3 ADC配置与使用** STM32单片机的ADC模块可以通过寄存器进行配置，包括采样率、分辨率、触发源等。以下代码展示了如何配置ADC： ```c // 使能ADC时钟 RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN; // 配置ADC通道 ADC1->CHSELR |= ADC_CHSELR_CH1; // 配置ADC采样率 ADC1->SMPR2 |= ADC_SMPR2_SMP1_56; // 配置ADC分辨率 ADC1->CR1 |= ADC_CR1_RES_12; // 启动ADC转换 ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; ``` **4.1.4 ADC应用** ADC在嵌入式系统中广泛应用，例如： * 温度测量 * 电压监测 * 压力检测 * 传感器数据采集 **4.2 STM32单片机I2C与SPI通信** **4.2.1 I2C简介** I2C（Inter-Integrated Circuit）是一种串行通信协议，用于连接多个设备。它使用两根信号线：SDA（数据线）和SCL（时钟线）。 **4.2.2 SPI简介** SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速串行通信协议，用于连接主设备和从设备。它使用四根信号线：SCLK（时钟线）、MOSI（主设备输出，从设备输入）、MISO（主设备输入，从设备输出）、SS（片选线）。 **4.2.3 I2C与SPI工作原理** I2C和SPI的工作原理不同： * **I2C：**主设备通过SDA线发送地址和数据，从设备通过SDA线接收或发送数据。 * **SPI：**主设备通过SCLK线发送时钟信号，通过MOSI线发送数据，通过MISO线接收数据。 **4.2.4 I2C与SPI配置与使用** STM32单片机内置了I2C和SPI模块，可以通过寄存器进行配置。以下代码展示了如何配置I2C： ```c // 使能I2C时钟 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_I2C1EN; // 配置I2C时钟频率 I2C1->CR2 |= 0x00000080; // 配置I2C地址 I2C1->OAR1 |= 0x00000007; // 使能I2C模块 I2C1->CR1 |= I2C_CR1_PE; ``` **4.2.5 I2C与SPI应用** I2C和SPI在嵌入式系统中广泛应用，例如： * **I2C：**连接传感器、EEPROM、RTC等设备 * **SPI：**连接LCD显示器、SD卡、Flash存储器等设备 **4.3 STM32单片机PWM与电机控制** **4.3.1 PWM简介** PWM（Pulse Width Modulation）是一种调制技术，通过改变脉冲的宽度来控制输出信号的幅度。STM32单片机内置了PWM模块，支持多种频率和分辨率。 **4.3.2 PWM工作原理** PWM的工作原理如下： 1. **产生载波：**PWM模块产生一个固定频率的方波载波。 2. **调制：**根据输入信号，PWM模块调整载波的脉冲宽度。 3. **滤波：**输出信号通过滤波器平滑，得到调制后的模拟信号。 **4.3.3 PWM配置与使用** STM32单片机的PWM模块可以通过寄存器进行配置，包括频率、分辨率、占空比等。以下代码展示了如何配置PWM： ```c // 使能PWM时钟 RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN; // 配置PWM频率 TIM2->PSC = 7200 - 1; // 1MHz TIM2->ARR = 1000 - 1; // 1000Hz // 配置PWM占空比 TIM2->CCR1 = 500; // 50% // 使能PWM输出 TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 启动PWM TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN; ``` **4.3.4 PWM应用** PWM在嵌入式系统中广泛应用，例如： * **电机控制：**控制电机的速度和方向 * **LED调光：**控制LED的亮度 * **伺服控制：**控制伺服电机的角度 # 5. STM32单片机项目实战** **5.1 STM32单片机温度检测与显示** **5.1.1 温度传感器选择** STM32单片机可与多种温度传感器配合使用，常见的有： - **LM35**：线性温度传感器，输出电压与温度成正比 - **DS18B20**：数字温度传感器，通过单总线接口进行通信 - **TMP36**：模拟温度传感器，输出电压与温度成正比 **5.1.2 硬件连接** 以LM35为例，其连接方式如下： ``` LM35 -> VCC (3.3V) LM35 -> GND LM35 -> ADC输入引脚 (例如，PA0) ``` **5.1.3 软件实现** 使用STM32CubeMX配置ADC外设，并编写代码读取ADC值： ```c // ADC初始化 ADC_HandleTypeDef hadc1; void ADC_Init() { // ... ADC配置代码 ... } // 温度读取 float ReadTemperature() { // 启动ADC转换 HAL_ADC_Start(&hadc1); // 等待转换完成 HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY); // 读取ADC值 uint16_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); // 计算温度 float temperature = (adcValue * 3.3 / 4096) * 100; return temperature; } ``` **5.1.4 显示温度** 可通过LCD、OLED或串口等方式显示温度值： ```c // LCD显示 void LCD_DisplayTemperature(float temperature) { // ... LCD显示代码 ... } // 串口显示 void Serial_DisplayTemperature(float temperature) { // ... 串口显示代码 ... } ``` **5.2 STM32单片机红外遥控器控制** **5.2.1 红外遥控器接收模块** 可以使用红外遥控器接收模块（例如，VS1838B），其连接方式如下： ``` VS1838B -> VCC (3.3V) VS1838B -> GND VS1838B -> STM32单片机IO口 (例如，PA1) ``` **5.2.2 软件实现** 使用定时器中断捕获红外遥控器信号： ```c // 定时器初始化 TIM_HandleTypeDef htim1; void TIM_Init() { // ... 定时器配置代码 ... } // 红外遥控器接收中断处理函数 void TIM1_IRQHandler() { // ... 红外遥控器信号处理代码 ... } ``` **5.2.3 控制设备** 根据接收到的红外遥控器信号，控制相应的设备（例如，LED、电机）： ```c // LED控制 void LED_Control(uint8_t code) { // ... LED控制代码 ... } // 电机控制 void Motor_Control(uint8_t code) { // ... 电机控制代码 ... } ``` **5.3 STM32单片机智能家居控制** **5.3.1 无线通信模块** 可使用Wi-Fi或蓝牙模块实现无线通信，其连接方式如下： - **Wi-Fi模块（例如，ESP8266）**： ``` ESP8266 -> VCC (3.3V) ESP8266 -> GND ESP8266 -> STM32单片机UART口 (例如，PA9/PA10) ``` - **蓝牙模块（例如，HC-05）**： ``` HC-05 -> VCC (3.3V) HC-05 -> GND HC-05 -> STM32单片机UART口 (例如，PA2/PA3) ``` **5.3.2 软件实现** 使用STM32CubeMX配置UART外设，并编写代码与无线通信模块通信： ```c // UART初始化 UART_HandleTypeDef huart1; void UART_Init() { // ... UART配置代码 ... } // 发送数据 void UART_SendData(uint8_t *data, uint16_t length) { // ... UART发送数据代码 ... } // 接收数据 uint8_t UART_ReceiveData() { // ... UART接收数据代码 ... } ``` **5.3.3 智能家居控制** 通过无线通信模块，与智能家居设备（例如，灯泡、插座）进行交互，实现远程控制和自动化： ```c // 灯泡控制 void Light_Control(uint8_t code) { // ... 灯泡控制代码 ... } // 插座控制 void Socket_Control(uint8_t code) { // ... 插座控制代码 ... } ```