STM32单片机编程入门：从零开始，掌握开发流程（附实战案例）

STM32单片机编程入门：从零开始，掌握开发流程（附实战案例）

引用

CSDN

1.

https://wenku.csdn.net/column/1c536aewzk

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司生产的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它具有高性能、低功耗和丰富的片上外设，广泛应用于嵌入式系统、物联网、工业控制等领域。本文将从零开始，详细介绍STM32单片机的开发环境搭建、基础知识、编程基础以及实战案例，帮助读者快速掌握STM32单片机的开发流程。

STM32单片机简介

STM32单片机是意法半导体（STMicroelectronics）公司生产的一系列基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器。它具有高性能、低功耗和丰富的片上外设，广泛应用于嵌入式系统、物联网、工业控制等领域。

特点

• 基于ARM Cortex-M内核，性能强大
• 低功耗设计，适用于电池供电设备
• 丰富的片上外设，包括GPIO、定时器、ADC、DAC等
• 支持多种通信接口，如UART、SPI、I2C等
• 易于开发，提供完善的开发工具和技术支持

应用领域

• 嵌入式系统：传感器、执行器、电机控制等
• 物联网：智能家居、可穿戴设备、工业物联网等
• 工业控制：PLC、仪器仪表、机器人等

STM32单片机开发环境搭建

IDE软件选择和安装

Keil MDK

Keil MDK（微控制器开发套件）是业界领先的STM32单片机开发环境，提供全面的工具链，包括编译器、调试器和仿真器。

安装步骤：

1. 下载Keil MDK安装包（https://www.keil.com/download/product/mdk5）。
2. 运行安装程序并按照提示进行安装。
3. 安装完成后，启动Keil MDK并注册。

STM32CubeIDE

STM32CubeIDE是ST官方推出的免费IDE，集成了STM32CubeMX图形化配置工具，简化了单片机外设配置和代码生成。

安装步骤：

1. 下载STM32CubeIDE安装包（https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubeide.html）。
2. 运行安装程序并按照提示进行安装。
3. 安装完成后，启动STM32CubeIDE并注册。

开发板选择和连接

开发板选择

选择开发板时，需要考虑以下因素：

• 单片机型号：开发板应搭载目标单片机型号。
• 外设配置：开发板应提供必要的外部设备，如LED、按键、串口等。
• 调试接口：开发板应提供方便的调试接口，如SWD或JTAG。

开发板连接

将开发板连接到计算机：

1. SWD连接：使用SWD接口连接开发板和计算机。
2. JTAG连接：使用JTAG接口连接开发板和计算机。
3. USB连接：某些开发板支持通过USB连接进行编程和调试。

调试工具的使用

调试器

调试器用于调试单片机程序，帮助查找和修复错误。Keil MDK和STM32CubeIDE都内置了调试器。

仿真器

仿真器比调试器功能更强大，不仅可以调试程序，还可以模拟单片机的行为，用于更深入的调试和分析。

调试步骤

1. 设置断点：在代码中设置断点，以在特定位置暂停程序执行。
2. 单步执行：逐行执行程序，观察变量和寄存器值的变化。
3. 检查变量：查看变量的值，查找异常情况。
4. 修改代码：在调试过程中，可以修改代码并重新编译，以修复错误。

STM32单片机基础知识

单片机架构和工作原理

STM32单片机是一种基于ARM Cortex-M内核的微控制器。它主要由以下几个部分组成：

• CPU内核：负责执行程序指令和进行数据处理。
• 存储器：包括程序存储器（Flash）和数据存储器（RAM），用于存储程序代码和数据。
• I/O端口：用于与外部设备进行数据交换。
• 外设：包括定时器、计数器、ADC、DAC、UART等，用于实现各种功能。
• 总线：连接各个组件并实现数据传输。

STM32单片机的基本工作原理如下：

1. 取指令：CPU从程序存储器中读取指令。
2. 译码：CPU对指令进行译码，确定要执行的操作。
3. 执行：CPU执行指令，对数据进行处理或控制外设。
4. 存储结果：CPU将处理结果存储到数据存储器中。

I/O端口和外设介绍

I/O端口是STM32单片机与外部设备进行数据交换的接口。它可以分为输入端口、输出端口和双向端口。每个I/O端口都有一个对应的寄存器，用于配置端口的模式、方向和状态。

STM32单片机的外设非常丰富，包括：

• 定时器：用于产生定时脉冲或测量时间间隔。
• 计数器：用于计数外部事件或产生脉冲。
• ADC：用于将模拟信号转换为数字信号。
• DAC：用于将数字信号转换为模拟信号。
• UART：用于串行通信。

时钟系统和中断机制

STM32单片机的时钟系统由多个时钟源组成，包括内部时钟（HSI）、外部时钟（HSE）和PLL（锁相环）。时钟系统负责为单片机提供稳定可靠的时钟信号。

中断机制是STM32单片机处理外部事件的一种方式。当发生外部事件时，单片机会暂停当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。中断服务程序处理完事件后，单片机再恢复执行原先的程序。

STM32单片机编程基础

C语言基础和语法

C语言是STM32单片机编程中常用的语言，其基础语法包括：

• 数据类型：uint8_t、uint16_t、uint32_t等
• 变量声明：uint32_t counter = 0;
• 运算符：算术运算符（+、-、*、/）、关系运算符（==、!=、>、<）、逻辑运算符（&&、||）
• 控制流：if-else、switch-case、for、while循环
• 函数：定义、调用、参数传递

STM32单片机寄存器编程

STM32单片机具有丰富的寄存器，用于控制其功能和外设。寄存器编程涉及：

• 寄存器地址：每个寄存器都有一个唯一的地址
• 寄存器位：寄存器由位组成，每个位可以控制特定功能
• 读写寄存器：使用*操作符读写寄存器，如GPIOA->ODR |= (1 << 5);

常用库函数和外设驱动

STM32单片机提供了丰富的库函数和外设驱动，简化了编程。常用库函数包括：

• HAL库：硬件抽象层库，提供了对低级寄存器操作的封装
• CMSIS库：Cortex-M内核支持库，提供了对内核功能的访问

外设驱动则提供了对特定外设的控制，如：

• GPIO驱动：控制GPIO端口
• UART驱动：控制串口通信
• 定时器驱动：控制定时器和计数器

代码块：

// 使用HAL库设置GPIOA第5位为输出模式
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_SET);

// 使用CMSIS库获取当前系统时钟频率
uint32_t system_clock = SystemCoreClock;

逻辑分析：

• HAL_GPIO_WritePin函数设置GPIOA第5位为输出模式，并置高电平。
• SystemCoreClock变量存储当前系统时钟频率，由CMSIS库提供。

STM32单片机实战案例

LED闪烁程序

目标：让STM32单片机上的LED灯闪烁。

步骤：

1. 配置GPIO引脚：将LED灯连接到STM32单片机的GPIO引脚，并配置该引脚为输出模式。
2. 初始化LED灯：在程序中初始化LED灯，使其处于关闭状态。
3. 循环闪烁：在程序中创建一个循环，在循环中交替打开和关闭LED灯，实现闪烁效果。

代码块：

#include "stm32f10x.h"

#define LED_GPIO_PORT GPIOA
#define LED_GPIO_PIN GPIO_Pin_5

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = LED_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(LED_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

int main(void)
{
    GPIO_Configuration();

    while (1)
    {
        GPIO_SetBits(LED_GPIO_PORT, LED_GPIO_PIN);
        Delay(500);
        GPIO_ResetBits(LED_GPIO_PORT, LED_GPIO_PIN);
        Delay(500);
    }
}

代码逻辑分析：

• 第3行：包含必要的头文件。
• 第11-17行：定义LED灯连接的GPIO引脚。
• 第20-30行：初始化函数，配置GPIO引脚为输出模式并初始化LED灯为关闭状态。
• 第33-44行：主函数，初始化LED灯并循环闪烁LED灯。

按键输入程序

目标：读取STM32单片机上的按键输入。

步骤：

1. 配置GPIO引脚：将按键连接到STM32单片机的GPIO引脚，并配置该引脚为输入模式。
2. 初始化按键：在程序中初始化按键，使其处于未按下状态。
3. 循环读取按键：在程序中创建一个循环，在循环中读取按键的状态，并根据按键状态执行相应的操作。

代码块：

#include "stm32f10x.h"

#define BUTTON_GPIO_PORT GPIOA
#define BUTTON_GPIO_PIN GPIO_Pin_0

void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = BUTTON_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(BUTTON_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
}

int main(void)
{
    GPIO_Configuration();

    while (1)
    {
        if (GPIO_ReadInputDataBit(BUTTON_GPIO_PORT, BUTTON_GPIO_PIN) == Bit_RESET)
        {
            // 按键按下，执行相应操作
        }
    }
}

代码逻辑分析：

• 第3行：包含必要的头文件。
• 第11-17行：定义按键连接的GPIO引脚。
• 第20-30行：初始化函数，配置GPIO引脚为输入模式并初始化按键为未按下状态。
• 第33-44行：主函数，初始化按键并循环读取按键状态。

串口通信程序

目标：使用STM32单片机的串口与外部设备进行通信。

步骤：

1. 配置串口：配置STM32单片机的串口，设置波特率、数据位、停止位和校验位等参数。
2. 初始化串口：在程序中初始化串口，使其处于可用状态。
3. 发送数据：在程序中通过串口发送数据到外部设备。
4. 接收数据：在程序中通过串口接收外部设备发送的数据。

代码块：

#include "stm32f10x.h"

#define USARTx USART1
#define USARTx_CLK_ENABLE() RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1, ENABLE)
#define USARTx_TX_GPIO_PORT GPIOA
#define USARTx_TX_GPIO_PIN GPIO_Pin_9
#define USARTx_RX_GPIO_PORT GPIOA
#define USARTx_RX_GPIO_PIN GPIO_Pin_10

void USART_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    USART_InitTypeDef USART_InitStructure;

    USARTx_CLK_ENABLE();

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = USARTx_TX_GPIO_PIN | USARTx_RX_GPIO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(USARTx_TX_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_Init(USARTx_RX_GPIO_PORT, &GPIO_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(USARTx, &USART_InitStructure);
    USART_Cmd(USARTx, ENABLE);
}

void USART_SendData(uint8_t data)
{
    USART_SendData(USARTx, data);
    while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET);
}

uint8_t USART_ReceiveData(void)
{
    while (USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET);
    return USART_ReceiveData(USARTx);
}

int main(void)
{
    USART_Configuration();

    while (1)
    {
        USART_SendData('A');
        Delay(1000);
        uint8_t received_data = USART_ReceiveData();
        // 处理接收到的数据
    }
}

代码逻辑分析：

• 第3行：包含必要的头文件。
• 第11-22行：定义串口引脚。
• 第25-45行：初始化函数，配置串口引脚和串口参数。
• 第48-59行：发送数据函数，通过串口发送数据。
• 第62-73行：接收数据函数，通过串口接收数据。
• 第76-87行：主函数，初始化串口、发送数据、接收数据并处理接收到的数据。

定时器和计数器编程

定时器简介

定时器是STM32单片机中重要的外设，用于产生定时脉冲、产生PWM波形、测量时间间隔等。STM32单片机有多个定时器，每个定时器都有自己的功能和特点。

定时器配置

定时器的配置主要包括以下几个方面：

• 时钟源选择：定时器的时钟源可以是内部时钟、外部时钟或APB时钟。
• 预分频器：预分频器可以对时钟源进行分频，降低定时器的计数频率。
• 计数模式：定时器有向上计数、向下计数和中心对称计数等多种计数模式。
• 自动重装载值：定时器可以设置一个自动重装载值，当计数器达到这个值时，计数器会自动重新开始计数。

定时器中断

定时器可以产生中断，当计数器达到某个值时，定时器会触发中断。定时器中断可以用来执行各种任务，例如：

定时器应用

定时器在STM32单片机中有着广泛的应用，例如：

• LED闪烁：使用定时器可以产生定时脉冲，控制LED闪烁。
• 按键输入：使用定时器可以测量按键按下的时间间隔，实现按键消抖。
• PWM波形输出：使用定时器可以产生PWM波形，控制电机转速、亮度等。
• 时间测量：使用定时器可以测量时间间隔，实现时间测量功能。