STM32简介

STM32是意法半导体（ST）推出的基于ARM Cortex-M内核的32位微控制器系列，性能强大、功耗低、外设丰富。

为什么选择STM32？

  • 性能强劲：主频可达400MHz+
  • 外设丰富：定时器、ADC、DAC、通信接口一应俱全
  • 生态完善：HAL库、CubeMX图形化配置
  • 价格亲民：从几元到几十元不等
  • 资料丰富：中文社区活跃

开发环境搭建

硬件准备

  • 开发板：STM32F103C8T6（蓝色药丸）
  • 调试器：ST-Link V2
  • USB转串口：CH340
  • 面包板和杜邦线

软件安装

Keil MDK

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1. 下载Keil MDK-ARM
2. 安装STM32芯片包（PACK）
3. 注册激活（学习使用可用评估版）

STM32CubeMX

图形化配置工具，自动生成初始化代码：

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1. 官网下载CubeMX
2. 安装Java运行环境
3. 下载对应芯片的固件库

第一个程序：点亮LED

CubeMX配置

  1. 新建项目，选择芯片STM32F103C8T6
  2. 配置时钟：外部8MHz晶振，PLL倍频到72MHz
  3. 配置GPIO：PC13设置为GPIO_Output（LED引脚）
  4. 生成代码

代码实现

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// main.c
#include "main.h"

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    MX_GPIO_Init();
    
    while (1) {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
        HAL_Delay(500);
    }
}

编译下载

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1. Keil中编译项目
2. 连接ST-Link到开发板
3. 点击"Download"下载程序
4. 复位开发板，看到LED闪烁

GPIO编程

寄存器操作

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// 直接操作寄存器
void LED_Init(void) {
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;  // 使能GPIOC时钟
    
    GPIOC->CRH &= 0xFF0FFFFF;  // 清除PC13配置
    GPIOC->CRH |= 0x00300000;  // 配置为推挽输出，50MHz
}

void LED_On(void) {
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;  // 输出低电平
}

void LED_Off(void) {
    GPIOC->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;  // 输出高电平
}

HAL库操作

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// 使用HAL库
void LED_Init(void) {
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);
}

// 读取按键
uint8_t Key_Scan(void) {
    if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET) {
        HAL_Delay(20);  // 消抖
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET) {
            while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_SET);
            return 1;
        }
    }
    return 0;
}

中断系统

外部中断

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// 配置外部中断
void EXTI_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_IT_RISING;  // 上升沿触发
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);
}

// 中断回调函数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {
    if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

定时器应用

基础定时器

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// 配置定时器中断（1ms）
void TIM_Init(void) {
    TIM_HandleTypeDef htim2;
    
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();
    
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 71;  // 72MHz / 72 = 1MHz
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.Period = 999;  // 1MHz / 1000 = 1kHz (1ms)
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
    HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);
}

// 定时器中断服务函数
void TIM2_IRQHandler(void) {
    HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if (htim->Instance == TIM2) {
        // 每1ms执行一次
        static uint16_t count = 0;
        count++;
        if (count >= 1000) {
            count = 0;
            HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
        }
    }
}

PWM输出

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// PWM控制LED亮度
void PWM_Init(void) {
    TIM_HandleTypeDef htim3;
    TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};
    
    __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // PA6 - TIM3_CH1
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_6;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    htim3.Instance = TIM3;
    htim3.Init.Prescaler = 0;
    htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim3.Init.Period = 999;  // PWM频率 = 72MHz / 1000 = 72kHz
    HAL_TIM_PWM_Init(&htim3);
    
    sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;
    sConfigOC.Pulse = 0;  // 占空比 = Pulse / Period
    HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1);
    
    HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
}

// 设置PWM占空比
void Set_PWM_Duty(uint16_t duty) {
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty);
}

// 呼吸灯效果
void Breathing_LED(void) {
    static uint16_t duty = 0;
    static int8_t direction = 1;
    
    duty += direction * 10;
    if (duty >= 1000) direction = -1;
    if (duty <= 0) direction = 1;
    
    Set_PWM_Duty(duty);
    HAL_Delay(10);
}

串口通信

基础串口

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// 串口初始化
UART_HandleTypeDef huart1;

void USART_Init(void) {
    __HAL_RCC_USART1_CLK_ENABLE();
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
    
    // PA9 - TX, PA10 - RX
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_9;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_10;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
    
    huart1.Instance = USART1;
    huart1.Init.BaudRate = 115200;
    huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&huart1);
}

// printf重定向
int fputc(int ch, FILE *f) {
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
    return ch;
}

// 使用printf
printf("Hello STM32! Value=%d\r\n", value);

DMA串口

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// 高效的DMA方式
uint8_t rx_buffer[100];

void USART_DMA_Init(void) {
    // ... 串口配置 ...
    
    // 开启接收中断
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_buffer, 1);
}

// 接收完成回调
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
    if (huart->Instance == USART1) {
        // 处理接收到的数据
        HAL_UART_Transmit(&huart1, rx_buffer, 1, 100);
        
        // 继续接收
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rx_buffer, 1);
    }
}

ADC采集

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// ADC配置
ADC_HandleTypeDef hadc1;

void ADC_Init(void) {
    ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};
    
    __HAL_RCC_ADC1_CLK_ENABLE();
    
    hadc1.Instance = ADC1;
    hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
    hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;
    hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;
    hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;
    hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;
    HAL_ADC_Init(&hadc1);
    
    sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;
    sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;
    sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_55CYCLES_5;
    HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig);
}

// 读取ADC值
uint16_t Read_ADC(void) {
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY);
    return HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
}

// 转换为电压（3.3V参考）
float Get_Voltage(void) {
    uint16_t adc_value = Read_ADC();
    return (adc_value * 3.3f) / 4096.0f;
}

I2C通信

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// I2C读写EEPROM
I2C_HandleTypeDef hi2c1;

void I2C_Init(void) {
    __HAL_RCC_I2C1_CLK_ENABLE();
    
    hi2c1.Instance = I2C1;
    hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;
    hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
    hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;
    hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    HAL_I2C_Init(&hi2c1);
}

// 写EEPROM
void EEPROM_Write(uint16_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    HAL_I2C_Mem_Write(&hi2c1, 0xA0, addr, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,
                      data, len, HAL_MAX_DELAY);
    HAL_Delay(5);  // 写入延时
}

// 读EEPROM
void EEPROM_Read(uint16_t addr, uint8_t *data, uint16_t len) {
    HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, 0xA0, addr, I2C_MEMADD_SIZE_16BIT,
                     data, len, HAL_MAX_DELAY);
}

FreeRTOS移植

添加RTOS

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// 创建任务
void StartDefaultTask(void const * argument);
void LED_Task(void const * argument);

void MX_FREERTOS_Init(void) {
    osThreadDef(defaultTask, StartDefaultTask, osPriorityNormal, 0, 128);
    defaultTaskHandle = osThreadCreate(osThread(defaultTask), NULL);
    
    osThreadDef(ledTask, LED_Task, osPriorityLow, 0, 128);
    osThreadCreate(osThread(ledTask), NULL);
}

// LED任务
void LED_Task(void const * argument) {
    for(;;) {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
        osDelay(500);
    }
}

// 串口任务
void UART_Task(void const * argument) {
    for(;;) {
        printf("Running...\r\n");
        osDelay(1000);
    }
}

调试技巧

SWD调试

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// 使用SWD打印（不占用串口）
#include "stdio.h"

int _write(int file, char *ptr, int len) {
    ITM_SendChar(*ptr);
    return len;
}

硬件断点

Keil中设置断点，单步调试查看变量。

逻辑分析仪

使用逻辑分析仪查看I2C、SPI等通信波形。

常见问题

1. 程序不运行

  • 检查时钟配置
  • 检查BOOT引脚
  • 重新下载程序

2. 串口乱码

  • 检查波特率
  • 检查晶振频率
  • 检查接线

3. 定时器不准

  • 检查时钟树配置
  • 验证预分频值计算

项目实战：智能温控系统

综合应用ADC、PWM、串口：

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#define TEMP_TARGET 25.0f
#define KP 10.0f

float current_temp = 0;
uint16_t fan_speed = 0;

void Control_Loop(void) {
    // 读取温度（ADC + LM35）
    float voltage = Get_Voltage();
    current_temp = voltage * 100.0f;  // LM35: 10mV/°C
    
    // 简单P控制
    float error = TEMP_TARGET - current_temp;
    fan_speed = (uint16_t)(KP * error);
    
    // 限幅
    if (fan_speed > 1000) fan_speed = 1000;
    if (fan_speed < 0) fan_speed = 0;
    
    // 输出PWM控制风扇
    Set_PWM_Duty(fan_speed);
    
    // 串口上报
    printf("Temp:%.1f Fan:%d\r\n", current_temp, fan_speed);
}

总结

STM32功能强大，学习路径：

  1. 掌握寄存器和HAL库
  2. 熟悉常用外设（GPIO、定时器、串口）
  3. 学习通信协议（I2C、SPI、CAN）
  4. 移植RTOS，开发复杂应用

推荐资源：