單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與調(diào)試-基于STM32F1xx機(jī)型和HAL庫(kù)函數(shù) 課件 任務(wù)1.6-STM32軟硬件深入(一)

單片機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制作

（stm32機(jī)型）袁秀英石梅香項(xiàng)目1、利用GPIO和位帶操作實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警任務(wù)1.6STM32深入(一）總目錄1項(xiàng)目1、利用GPIO和位帶操作實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警

2項(xiàng)目2、利用SysTick實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警與控制

3項(xiàng)目3、利用按鍵查詢實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定及顯示

4項(xiàng)目4、利用外部中斷實(shí)現(xiàn)工件計(jì)數(shù)顯示

5項(xiàng)目5、利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速6項(xiàng)目6、利用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)工件計(jì)數(shù)顯示和打包控制

7項(xiàng)目7、利用ADC實(shí)現(xiàn)土壤濕度采集

具體工作任務(wù)設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)的溫度報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)如下功能：

溫度超過(guò)設(shè)定溫度（30℃）時(shí)，報(bào)警燈點(diǎn)亮；否則，報(bào)警燈熄滅。請(qǐng)進(jìn)行1、方案設(shè)計(jì)2、器件選型3、電路和程序設(shè)計(jì)4、完成軟硬件調(diào)試。項(xiàng)目總目標(biāo)1、了解單片機(jī)的發(fā)展及用途，理解其關(guān)鍵概念與術(shù)語(yǔ)；2、了解單片機(jī)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，會(huì)使用開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試；3、理解基于STM32F103ZET6的電源電路原理，能夠獨(dú)立進(jìn)行電源電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試；4、理解按鍵、溫度開(kāi)關(guān)等簡(jiǎn)單DI電路的原理，能夠獨(dú)立進(jìn)行類似電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試；5、理解LED等簡(jiǎn)單DO電路的原理，能夠獨(dú)立進(jìn)行類似電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試；6、掌握基于HAL庫(kù)函數(shù)的GPIO引腳讀寫和位操作編程方法；7、能夠按照分組管理的模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；8、了解STM32GPIO電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；9、會(huì)查找相關(guān)資料、閱讀相關(guān)文獻(xiàn)。子目錄1項(xiàng)目1、利用GPIO和位帶操作實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警

1.1任務(wù)1.1 認(rèn)識(shí)STM32單片機(jī)及其開(kāi)發(fā)工具1.2任務(wù)1.2 方案設(shè)計(jì)

1.3任務(wù)1.3 電路設(shè)計(jì)

1.4任務(wù)1.4 程序設(shè)計(jì)

1.5任務(wù)1.5 利用位帶操作實(shí)現(xiàn)溫度報(bào)警

1.6任務(wù)1.6 stm32軟硬件深入（一）

本次課任務(wù)1、GPIO內(nèi)部是什么樣的結(jié)構(gòu)，支持它既能讀也能寫？2、程序和電路該如何配合？3、STM32內(nèi)部除了GPIO還有些啥？1、進(jìn)一步理解GPIO的工作模式及設(shè)置方法；2、能看懂GPIO內(nèi)部結(jié)構(gòu)；3、能說(shuō)出STM32F1xx內(nèi)部組成及主要功能；4、會(huì)自主查找閱讀GPIO庫(kù)函數(shù)和STM32引腳定義相關(guān)資料。引腳用途ModePullSpeed數(shù)字量輸入（DI）GPIO_MODE_INPUT（輸入）GPIO_NOPULL（浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）

數(shù)字量輸出（DO）GPIO_MODE_OUTPUT_PP（推挽輸出）

GPIO_SPEED_FREQ_LOW（低速，最大2MHz）GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM（中速，最大10MHZ）GPIO_SPEED_FREQ_HIGH（高速，最大50MHz）GPIO_MODE_OUTPUT_OD（開(kāi)漏輸出）復(fù)用輸入（AlternateIn）GPIO_MODE_AF_INPUT（復(fù)用輸入）GPIO_NOPULL（浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）

復(fù)用輸出（AlternateOut）GPIO_MODE_AF_PP（復(fù)用推挽輸出）

GPIO_SPEED_FREQ_LOW（低速，最大2MHz）GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM（中速，最大10MHZ）GPIO_SPEED_FREQ_HIGH（高速，最大50MHz）GPIO_MODE_AF_OD（復(fù)用開(kāi)漏輸出）模擬量（Analog）GPIO_MODE_ANALOG（模擬量）GPIO_NOPULL（浮空）

中斷請(qǐng)求（Interrupt）GPIO_MODE_IT_RISING（上升沿中斷請(qǐng)求）GPIO_NOPULL（浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）

GPIO_MODE_IT_FALLING（下降沿中斷請(qǐng)求）GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING（上升和下降沿中斷請(qǐng)求）事件請(qǐng)求（Event）GPIO_MODE_EVT_RISING（上升沿事件請(qǐng)求）GPIO_NOPULL（浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）

GPIO_MODE_EVT_FALLING（下降沿事件請(qǐng)求）GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING（上升沿和下降沿事件請(qǐng)求）引腳用途ModePullSpeed數(shù)字量輸入（DI）GPIO_MODE_INPUT（輸入）GPIO_NOPULL（不拉，浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）

如何確定GPIO的工作模式1、GPIO做DI引腳1、GPIO做DI引腳如何確定GPIO的工作模式練一練：確定以下電路GPIO引腳的工作模式，并編寫初始化程序。

如何確定GPIO的工作模式引腳用途ModePullSpeed數(shù)字量輸出（DO）GPIO_MODE_OUTPUT_PP（推挽輸出）

GPIO_SPEED_FREQ_LOW（低速，最大2MHz）GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM（中速，最大10MHZ）GPIO_SPEED_FREQ_HIGH（高速，最大50MHz）GPIO_MODE_OUTPUT_OD（開(kāi)漏輸出）2、GPIO做DO引腳如何確定GPIO的工作模式2、GPIO做DO引腳當(dāng)STM32單片機(jī)與LED、蜂鳴器等設(shè)備進(jìn)行連接時(shí)，可以將其工作模式設(shè)置為推挽輸出或開(kāi)漏輸出中的一種，它們都屬于DO輸出。STM32GPIO引腳推挽輸出的驅(qū)動(dòng)能力為±25mA。如果負(fù)載電流在這個(gè)范圍，就可以直接用GPIO引腳驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并將其設(shè)為推挽輸出模式。（a）LED點(diǎn)亮?xí)r，電流流入單片機(jī)（灌電流、挽）

（b）LED點(diǎn)亮?xí)r，電流流出單片機(jī)（拉電流、推）如何確定GPIO的工作模式可以將負(fù)載接在GPIO引腳和地之間也可將負(fù)載接在GPIO引腳和電源正極之間但要注意確保負(fù)載能正常工作1.直插發(fā)光二極管壓降紅色發(fā)光二極管的壓降為2.0--2.2V黃色發(fā)光二極管的壓降為1.8—2.0V綠色發(fā)光二極管的壓降為3.0—3.2V正常發(fā)光時(shí)的額定電流約為20mA。2.貼片LED壓降紅色的壓降為1.82-1.88V，電流5-8mA綠色的壓降為1.75-1.82V，電流3-5mA橙色的壓降為1.7-1.8V，電流3-5mA蘭色的壓降為3.1-3.3V，電流8-10mA白色的壓降為3-3.2V，電流10-15mA.STM32F103ZET6PA03.3V200限流電阻PA0輸出低電平LED點(diǎn)亮PA0輸出高電平LED熄滅灌電流（亮燈時(shí)電流灌入芯片）PA0輸出高電平LED點(diǎn)亮PA0輸出低電平LED熄滅STM32F103ZET6PA0200限流電阻拉電流（亮燈時(shí)電流流出芯片）限流電阻計(jì)算：R=(VDD-LED管壓降）/LED工作電流如何確定GPIO的工作模式2、GPIO做DO引腳當(dāng)負(fù)載工作電流大于25mA時(shí)，推挽輸出提供的電流不能滿足負(fù)載的工作需要。此時(shí)仍可以將STM32設(shè)置為推挽輸出，然后在負(fù)載和單片機(jī)之間加入驅(qū)動(dòng)電路。如圖，STM32的PB5直接接三極管的基極，再通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。由于三極管基極需要的電流很小，STM32完全可以提供；三極管射極電流較大，可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作。當(dāng)然，驅(qū)動(dòng)電路也可以采用其它電路形式和驅(qū)動(dòng)器件。2、GPIO做DO引腳如何確定GPIO的工作模式2、GPIO做DO引腳如何確定GPIO的工作模式推挽輸出情況下，輸出電流的大小受到內(nèi)部等效電阻的限制設(shè)為推挽輸出（OUTPUT_PP）：PA0輸出“1”時(shí)，通過(guò)內(nèi)部等效電阻為負(fù)載供電設(shè)為開(kāi)漏輸出（OUTPUT_OD）：PA0與內(nèi)部等效電阻之間不通PA0輸出“1”時(shí)，內(nèi)部懸空必須外接上拉電阻通過(guò)外部上拉電阻為負(fù)載供電沒(méi)有外部上拉電阻，負(fù)載也懸空，得不到高電平改變外部上拉電阻大小，可在一定范圍內(nèi)提高負(fù)載電流如果負(fù)載是5V供電可再程序中將GPIO引腳設(shè)置為漏極開(kāi)路輸出（OUTPUT_OD）并在電路中外接上拉電阻這是STM32漏極開(kāi)路輸出的主要應(yīng)用——用GPIO引腳驅(qū)動(dòng)DC5V負(fù)載2、GPIO做DO引腳練一練：（1）用PA8接收壓力傳感器輸入，用PB12連接LED，PB12接LED負(fù)極，要求PA15浮空輸入模式，PB12推挽輸出，畫電路，編寫完整程序。（2）用PA3接收行程開(kāi)關(guān)輸入，用PE2連接LED，PE2接LED正極，畫電路，要求PA3上拉輸入，PE2開(kāi)漏輸出，畫電路，編寫完整程序。如何確定GPIO的工作模式引腳用途ModePullSpeed復(fù)用輸入（AlternateIn）GPIO_MODE_AF_INPUT（復(fù)用輸入）GPIO_NOPULL（浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）3、GPIO做復(fù)用輸入引腳如何確定GPIO的工作模式為了減少引腳數(shù)量，單片機(jī)的引腳大多具有多個(gè)功能。這被稱為引腳復(fù)用技術(shù)。例如PC14引腳，它既可以作為PC14引腳，接收傳感器輸入，或者控制LED等設(shè)備的工作；也可以作為OSC32_IN引腳為芯片的RTC電路提供時(shí)鐘輸入。而PC15引腳則既可以作PC15，也可以做OSC32_OUT，作為RTC的時(shí)鐘輸出引腳。當(dāng)GPIO引腳使用復(fù)用功能時(shí)，就是復(fù)用功能被開(kāi)啟。當(dāng)復(fù)用功能也分為輸入和輸出兩種情況。復(fù)用功能的具體使用方法本項(xiàng)目暫不介紹。引腳用途ModePullSpeed復(fù)用輸出（AlternateOut）GPIO_MODE_AF_PP（復(fù)用推挽輸出）

GPIO_SPEED_FREQ_LOW（低速，最大2MHz）GPIO_SPEED_FREQ_MEDIUM（中速，最大10MHZ）GPIO_SPEED_FREQ_HIGH（高速，最大50MHz）GPIO_MODE_AF_OD（復(fù)用開(kāi)漏輸出）4、GPIO做復(fù)用輸出引腳如何確定GPIO的工作模式當(dāng)STM32單片機(jī)與熱電偶、熱電阻等模擬量輸出的傳感器進(jìn)行連接時(shí)，需要將引腳設(shè)為模擬輸入。當(dāng)STM32單片機(jī)需要向負(fù)載輸出模擬電壓或電流信號(hào)時(shí)，需要將引腳設(shè)置為模擬輸出模擬量輸入輸出的具體方法本項(xiàng)目暫不介紹。5、GPIO做模擬量信號(hào)引腳如何確定GPIO的工作模式引腳用途ModePullSpeed模擬量（Analog）GPIO_MODE_ANALOG（模擬量）GPIO_NOPULL（浮空）引腳用途ModePullSpeed中斷請(qǐng)求（Interrupt）

GPIO_MODE_IT_RISING（上升沿中斷請(qǐng)求）GPIO_NOPULL（浮空）GPIO_PULLUP（上拉）GPIO_PULLDOWN（下拉）GPIO_MODE_IT_FALLING（下降沿中斷請(qǐng)求）GPIO_MODE_IT_RISING_FALLING（上升和下降沿中斷請(qǐng)求）事件請(qǐng)求（Event）

GPIO_MODE_EVT_RISING（上升沿事件請(qǐng)求）GPIO_MODE_EVT_FALLING（下降沿事件請(qǐng)求）GPIO_MODE_EVT_RISING_FALLING（上升和下降沿事件請(qǐng)求）6、GPIO做中斷/事件請(qǐng)求引腳如何確定GPIO的工作模式GPIO引腳也可以用于接收中斷或事件請(qǐng)求。具體使用方法本項(xiàng)目暫不介紹。GPIO的內(nèi)部結(jié)構(gòu)每一根GPIO引腳在內(nèi)部都對(duì)應(yīng)一套電路,包括保護(hù)電路、輸入電路和輸出電路等當(dāng)引腳例如PA0做DI輸入時(shí)

CPU會(huì)自動(dòng)禁止輸出電路工作允許輸入電路工作當(dāng)引腳例如PA0做DO輸出時(shí)

CPU會(huì)自動(dòng)禁止輸入電路工作允許輸出電路工作GPIO管腿做開(kāi)關(guān)量/數(shù)字量輸入（DI）引腳上輸入的信號(hào)經(jīng)保護(hù)電路、內(nèi)部上拉/下拉電路、“肖特基觸發(fā)器”比較后輸出0或者1被送入“輸入數(shù)據(jù)寄存器”儲(chǔ)存起來(lái)等待程序讀出1、GPIO做DI引腳，應(yīng)被設(shè)置為GPIO_MODE_INPUT設(shè)置為GPIO_NOPULL——內(nèi)部上拉和下拉開(kāi)關(guān)都斷開(kāi)外部引腳能得到穩(wěn)定高、低電平時(shí)使用設(shè)置為GPIO_PULLUP——內(nèi)部上拉開(kāi)關(guān)閉合確保引腳懸空時(shí)內(nèi)部能得到穩(wěn)定高電平設(shè)置為GPIO_PULLDOWN——內(nèi)部下拉開(kāi)關(guān)閉合確保引腳懸空時(shí)內(nèi)部能得到穩(wěn)定低電平HAL_GPIO_ReadPin（GPIOA,GPIO_PIN_0）例如PA0設(shè)置為GPIO_MODE_INPUT——就是使能肖特基觸發(fā)器和輸入數(shù)字寄存器0/1GPIO管腿做數(shù)字量輸出(DO)輸出數(shù)據(jù)寄存器”的內(nèi)容經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)送到I/O引腳2、GPIO做DO引腳，且設(shè)置為推挽輸出GPIO_MODE_OUTPUT_PP時(shí)HAL_GPIO_WritePin（GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET

）例如PA0“1”“0”“0”1多路開(kāi)關(guān)輸出得到高電平導(dǎo)通截止GPIO管腿做數(shù)字量輸出(DO)“輸出數(shù)據(jù)寄存器”的內(nèi)容經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)送到I/O引腳2、GPIO做DO引腳，且設(shè)置為推挽輸出GPIO_MODE_OUTPUT_PP時(shí)HAL_GPIO_WritePin（GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET

）例如PA0“0”“1”“1”0多路開(kāi)關(guān)輸出得到低電平截止導(dǎo)通GPIO管腿做數(shù)字量輸出(DO)“輸出數(shù)據(jù)寄存器”的內(nèi)容經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)送到I/O引腳2、GPIO做DO引腳，且設(shè)置為漏開(kāi)輸出GPIO_MODE_OUTPUT_OD時(shí)HAL_GPIO_WritePin（GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET

）例如PA0“1”“0”“0”1多路開(kāi)關(guān)輸出引腳懸空被斷開(kāi)截止要想使連接在引腳上的負(fù)載得到穩(wěn)定的高電平，就必須外接上拉電阻。GPIO管腿做數(shù)字量輸出(DO)“輸出數(shù)據(jù)寄存器”的內(nèi)容經(jīng)輸出驅(qū)動(dòng)送到I/O引腳2、GPIO做DO引腳，且設(shè)置為漏開(kāi)輸出GPIO_MODE_OUTPUT_OD時(shí)HAL_GPIO_WritePin（GPIOA,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET

）例如PA0“0”“1”“1”0多路開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)導(dǎo)通輸出得到低電平漏極開(kāi)路輸出不會(huì)影響低電平輸出GPIO管腿做模擬輸入/輸出（AI/AO）此時(shí)I/O引腳上輸入的信號(hào)也不經(jīng)過(guò)TTL肖特基觸發(fā)器，而是直接送入片上的模擬量輸入電路，等待模擬量輸入電路處理。3、GPIO做AI（模擬量輸入）引腳，應(yīng)被設(shè)置為GPIO_MODE_ANALOG模擬量輸入信號(hào)不需要肖特基觸發(fā)器也不需要上下拉電阻（NOPULL）GPIO管腿做模擬輸入/輸出（AI/AO）此時(shí)模擬量輸出設(shè)備的輸出信號(hào)被送到引腳上。4、GPIO做AO（模擬量輸出）引腳，也應(yīng)被設(shè)置為GPIO_MODE_ANALOG模擬量輸出信號(hào)有自己的輸出驅(qū)動(dòng)電路，不需要推挽輸出或漏極開(kāi)路輸出電路GPIO管腿做復(fù)用輸入/輸出(AF)引腳上輸入的信號(hào)經(jīng)“肖特基觸發(fā)器”比較后輸出0或者1，被送入復(fù)用功能對(duì)應(yīng)的電路5、GPIO做復(fù)用輸入引腳，應(yīng)設(shè)置為GPIO_MODE_AF_INPUT復(fù)用輸入電路需要數(shù)字量輸入，因此需要肖特基觸發(fā)器，也有上下拉的設(shè)置需求GPIO管腿做復(fù)用輸入/輸出(AF)來(lái)自復(fù)用設(shè)備的信號(hào)，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)被輸出到輸出驅(qū)動(dòng)電路，最后送到I/O引腳6、GPIO做復(fù)用輸入引腳，應(yīng)設(shè)置為GPIO_MODE_AF__PP時(shí)例如PA0多路開(kāi)關(guān)復(fù)用輸出電路是數(shù)字量輸出，與GPIO共用輸出驅(qū)動(dòng)電路GPIO管腿做復(fù)用輸入/輸出(AF)來(lái)自復(fù)用設(shè)備的信號(hào)，經(jīng)多路開(kāi)關(guān)被輸出到輸出驅(qū)動(dòng)電路，最后送到I/O引腳6、GPIO做復(fù)用輸入引腳，應(yīng)設(shè)置為GPIO_MODE_AF__OD時(shí)例如PA0多路開(kāi)關(guān)被斷開(kāi)復(fù)用輸出電路是數(shù)字量輸出，與GPIO共用輸出驅(qū)動(dòng)電路STM32內(nèi)部組成部件（1）Cortex內(nèi)核，即CPU部分，它是單片機(jī)的核心和大腦。APB2APB1STM32內(nèi)部組成部件（2）Flash：FlashROM（FlashReadOnlyMemory），閃速程序存儲(chǔ)器。主要用于存儲(chǔ)用戶編好的程序。STM32F103ZET6有512KBFLASHROM（3）SRAM：靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（StaticRandomMemory），主要用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行中需要的各種變量。STM32F103ZET6有64KBSRAM（4）FSMC：外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口，用于擴(kuò)展單片機(jī)片外存儲(chǔ)器，以獲得更大的存儲(chǔ)容量。APB2APB1STM32內(nèi)部組成部件（5）SDIO：SD卡接口，用于與SD卡設(shè)備通信。（6）復(fù)位和時(shí)鐘控制電路（RCC）：為單片機(jī)內(nèi)的各個(gè)部件提供時(shí)鐘。APB2APB1STM32內(nèi)部組成部件（7）GPIO：包括GPIOA、GPIOB、……GPIOG。是通用輸入輸出端口（GeneralInputOuputPort），可以接收按鍵、傳感器等設(shè)備的輸入，也能控制LED等設(shè)備的輸出。對(duì)單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工程師而言，GPIO是最經(jīng)常被使用、直接打交道的設(shè)備。GPIO是雙向端口，既可用于數(shù)據(jù)輸入，也可用于數(shù)據(jù)輸出。（8）TIM1~TIM8：定時(shí)器，當(dāng)需要進(jìn)行精確定時(shí)時(shí)，可以使用定時(shí)器。APB2APB1STM32內(nèi)部組成部件（9）ADC1~ADC3：模擬量輸入接口。能夠?qū)⑤斎肽M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送CPU（Cortex）。當(dāng)單片機(jī)需要處理模擬量輸入，例如熱電偶的mV信號(hào)時(shí)，就需要用到ADC（AnalogDigitalConverter）。（10）DAC：模擬量輸出接口?？梢詫PU輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量輸出到外部設(shè)備，以提供一個(gè)0~VREF的可控電壓APB2APB1STM32內(nèi)部組成部件（11）USB接口：用于與USB設(shè)備的通信。（12）UART、SPI、I2C、CAN接口：用于與UART、SPI、I2C、CAN等設(shè)備進(jìn)行通信。（13）DMA：直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（DirectMemoryAccess），用于存儲(chǔ)器與設(shè)備之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換而不是通過(guò)CPU進(jìn)行交換。APB2APB1STM32內(nèi)部組成部件（14）總線：總線是設(shè)備之間信號(hào)聯(lián)系的通道。包括Icode總線、Dcode總線System總線、DMA總線、總線矩陣、AHB總線、APB1總線、APB2總線等。Cortex-M3內(nèi)核與Flash、SRAM、GPIO等設(shè)備之間必須通