STM32單片機(jī)仿真開發(fā)實例 課件 第3篇 基礎(chǔ)篇

3.1LED單燈閃爍之軟件延時能力目標(biāo)：

理解單片機(jī)GPIO兩種主要的輸出類型，初步掌握使用STM32CubeIDE開發(fā)單片機(jī)應(yīng)用程序的方法，掌握通過ISP下載程序并通過實物驗證的方法。任務(wù)要求：電路如圖所示，要求通過單片機(jī)PC0引腳控制LED0以1秒周期閃爍。3.1.1STM32的GPIO及其輸出類型STM32F103R6具有51個GPIO（General-purposeinput/output，通用輸入輸出）引腳，每個引腳都具備如圖所示結(jié)構(gòu)。GPIO的八種工作模式：

本次課著重講其中的⑴⑵兩種工作模式。⑴推挽輸出⑵開漏輸出⑶復(fù)用推挽輸出⑷復(fù)用開漏輸出⑸模擬量輸入⑹浮空輸入⑺下拉輸入⑻上拉輸入⑴推挽輸出

此時P-MOS管與N-MOS管發(fā)揮作用：

①當(dāng)控制輸出1時，P-MOS管閉合、N-MOS管斷開，引腳輸出電源電壓（+3.3V）；

②當(dāng)控制輸出0時，P-MOS管斷開、N-MOS管閉合，引腳輸出GND。

推挽輸出模式一般應(yīng)用在輸出電平為0和+3.3V而且需要高速切換開關(guān)狀態(tài)的場合。在STM32的應(yīng)用中，除了必須用開漏模式的場合，我們都習(xí)慣使用推挽輸出模式。

值得注意的是，當(dāng)引腳直接接地的時候，切不可推挽輸出高電平，否則電源將被直接短路?、崎_漏輸出此時P-MOS管始終斷開，僅N-MOS管發(fā)揮作用：

①當(dāng)控制輸出1時，N-MOS管斷開，引腳懸空；

②當(dāng)控制輸出0時，N-MOS管閉合，引腳輸出GND。

開漏輸出一般應(yīng)用在①I2C、SMBUS通訊等需要“線與”功能的總線電路中。除此之外，②還用在電平不匹配的場合，如需要輸出5伏的高電平，就可以在外部接一個上拉電阻，上拉電源為5V，并且把引腳設(shè)置為開漏模式，當(dāng)輸出高阻態(tài)時，由上拉電阻和電源向外輸出5V電平，如右圖所示。3.1.2STM32CubeIDE的使用STM32CubeMX的作用是通過圖形化配置完成STM32的工程目錄的建立與初始化代碼的生成。下面是操作步驟。

（1）在桌面上找到并雙擊程序圖標(biāo)，打開程序主界面。

（2）點擊菜單“File=>NewProject”新建工程，在搜索欄中輸入單片機(jī)型號“STM32F103R6”，出現(xiàn)兩種封裝的搜索結(jié)果。

（3）在搜索結(jié)果中選擇LQFP64封裝，雙擊打開左圖配置界面。

（4）在右圖“Pinout&Configuration”界面上將引腳PC0修改為“GPIO_Output”模式。

（5）在左圖“ProjectManager”界面上對工程命名，制定工程目錄，指定集成開發(fā)環(huán)境為“TrueSTUDIO”后點擊“DeviceConfigurationToolCodeGeneration”按鈕

生成單片機(jī)程序工程目錄。

本案例沒有對時鐘樹進(jìn)行設(shè)定，采用了默認(rèn)的內(nèi)部RC振蕩源。

接下來就是繼續(xù)完成程序代碼的編寫。

本次任務(wù)需要用到兩個API函數(shù)（API函數(shù)來源于“UM1850_DescriptionofSTM32F1HALandLow-layerdrivers.PDF”文檔）：①引腳輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)函數(shù)HAL_GPIO_TogglePin

例程：HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);//將PC0引腳輸出狀態(tài)取反②延時函數(shù)HAL_Delay

例程：下面是操作步驟。HAL_Delay(500);//延時500ms（即0.5s）

（1）在左側(cè)“Src”目錄中找到main.c文件，雙擊打開。（5）值得注意的是，由于STM32CubeIDE默認(rèn)不生成HEX文件，需要人為設(shè)置：在IDE主界面菜單欄中選擇“Project（工程）”→“Properties（屬性）”打開如圖3-12所示屬性對話框，選擇“C/C++Build（C/C++生成）”→“Settings（設(shè)置）”→“ToolSettings（工具設(shè)置）”→“MCUPostbuildoutputs（單片機(jī)編譯后輸出）”，在“ConverttoIntelHexfile(-Oihex)（轉(zhuǎn)換為英特爾HEX文件）”項目打鉤并保存，回到IDE主界面后再按下生成按鈕，即可在源代碼編譯成功后輸出HEX文件。3.1.3使用ISP方式下載程序

程序編寫完畢，生成HEX文件以后，通過ISP工具下載到單片機(jī)電路運行驗證。特別注意的是，接線的時候請斷電。

步驟：

①將開發(fā)板上核心板的PC0引腳與LED模塊LED0的引出端用杜邦線連接；②將開發(fā)板USB通信口與計算機(jī)USB口通過USB線連接；③接通電源；④將核心板撥動開關(guān)撥到“ISP”位置，按下“RST”復(fù)位按鈕；⑤通過ISP工具“FlashLoaderDemonstrator”讀取工程目錄下“.../Debug/2.1.Hex”文檔中的機(jī)器碼，并將機(jī)器碼下載至單片機(jī)Flash，操作步驟請見后頁。

ISP工具桌面圖標(biāo)是。⑥程序下載完畢后，將核心板撥動開關(guān)撥回到“Run”位置，再次按下復(fù)位按鈕“RST”，單片機(jī)將按照設(shè)定程序運行。具體的代碼另外給出。技能訓(xùn)練（選做）：

修改電路，改由PC1驅(qū)動LED1作單燈閃爍，閃爍周期改為2s。Tobecontinued...3.2按鈕輸入能力目標(biāo)：

理解并掌握單片機(jī)GPIO三種主要的輸入類型，掌握使用Proteus仿真單片機(jī)電路的方法。任務(wù)要求：電路如圖所示，要求通過按鈕BTN0控制LED0的亮滅（LED0接PC0，BTN0接PC1）。3.2.1GPIO的輸入類型STM32F103R6具有51個GPIO（General-purposeinput/output，通用輸入輸出）引腳，每個引腳都具備如圖所示結(jié)構(gòu)。GPIO的八種工作模式：

本次課著重講其中的⑺⑻兩種工作模式。⑴推挽輸出⑵開漏輸出⑶復(fù)用推挽輸出⑷復(fù)用開漏輸出⑸模擬量輸入⑹浮空輸入⑺下拉輸入⑻上拉輸入⑴當(dāng)圖中上拉電阻、下拉電阻均未接入時輸入模式為浮空輸入，此時若輸入信號斷開，則引腳輸入狀態(tài)不定（不常用）；

⑵當(dāng)圖中上拉電阻接入時輸入模式為上拉輸入，此時若輸入信號斷開，則引腳輸入為高電平；（常用）

⑶當(dāng)圖中下拉電阻接入時輸入模式為下拉輸入，此時若輸入信號斷開，則引腳輸入為低電平。（常用）

典型按鈕電路如圖：

左圖引腳PC1配置為上拉輸入時，若松開按鈕，引腳默認(rèn)輸入高電平，若按下按鈕，引腳輸入低電平；右圖引腳PC1配置為下拉輸入時，若松開按鈕，引腳默認(rèn)輸入低電平，若按下按鈕，引腳輸入高電平；

如果選擇浮空輸入模式，則按鈕上拉或下拉電阻必須外接，比如本項目仿真電路。3.2.2電路仿真

電路仿真采用Proteus，操作步驟：

（1）在桌面上找到并雙擊程序圖標(biāo)，打開左圖主界面，選擇“NewProject”新建工程（如右圖），過程中除了路徑之外，其余均采用缺省設(shè)定。（2）拾取元件。左圖中在左側(cè)工具欄中按下（ComponentMode）按鈕進(jìn)入元器件拾取模塊，接著按下右側(cè)的（PickDevice）按鈕打開中圖元器件拾取對話框。在中圖“Keywords”搜索欄內(nèi)依次輸入本次課題所需元器件名稱，在右圖“Results”結(jié)果欄內(nèi)選中并雙擊所需元器件將其拾取到主界面元器件中，完成后關(guān)閉對話框。（3）放置元件并更改元器件參數(shù)。在主界面元件池中依次選擇所需元件將其擺放到主界面中心圖紙上。依次選中圖紙上的元件，在鼠標(biāo)右鍵彈出的快捷菜單內(nèi)選擇“EditProperties”打開右圖所示編輯屬性對話框，修改參數(shù)后點“OK”按鈕保存退出。（4）電路連線。在左側(cè)工具欄中按下（TerminalsMode）終端模式按鈕，在終端列表中分別選擇電源終端POWER、接地終端GROUND并添加到圖紙中，完成電路連線。（5）設(shè)定電源正負(fù)極參數(shù)。在主界面中選擇菜單欄“Design=>ConfigurePowerRails...”打開電源軌配置對話框如左圖所示，需要設(shè)定的是：①將電源正極由5V改為3.3V；②將模擬量電源正負(fù)極VDDA與VSSA分別添加到VCC/VDD網(wǎng)絡(luò)與GND網(wǎng)絡(luò)，否則單片機(jī)將無法仿真，添加結(jié)果如中圖與右圖所示。（6）指定HEX文件路徑。回到主界面，選擇原理圖中的單片機(jī)并在右鍵快捷菜單中選擇“EditProperties”打開如圖所示編輯屬性對話框，在對話框中點擊按鈕，選擇HEX文件并確認(rèn)保存。（7）運行仿真。按下左下角運行按鈕即可開始仿真。注意：Proteus8.8和8.9仿真模型中上拉模式不可用，必須外接上拉電阻。3.2.3任務(wù)程序的編寫

本次內(nèi)容需要用到的新的API函數(shù)是：

引腳輸入函數(shù)HAL_GPIO_ReadPin

例程：

（現(xiàn)場操作演示...）GPIO_PinStatex=HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC,GPIO_PIN_1);//讀取PC1輸入狀態(tài)技能訓(xùn)練（選做）：通過兩只按鈕控制一個LED的亮滅，要求兩個按鈕一個采用上拉輸入模式，另一個采用下拉輸入模式。參考電路如下圖所示。Tobecontinued...3.3流水燈之軟件延時能力目標(biāo)：理解并掌握通過改進(jìn)算法提高編程效率的方法。任務(wù)要求：

電路如圖所示，要求實現(xiàn)流水燈效果，即按LED0~LED7的順序依次點亮，每次僅限一只LED發(fā)光，周期4秒。3.3.1程序算法

算法（Algorithm）是指解決方案準(zhǔn)確而完整的描述，是一系列解決問題的清晰指令，算法代表著用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機(jī)制。首先人們自然會想到“位操作法”，但這種算法編程效率太低，下面介紹兩種比較好的算法：⑴查表法

即將8個狀態(tài)，定義為8個字節(jié)，每隔一段時間，按先后順序查表并將8個狀態(tài)量賦值給單片機(jī)的規(guī)定輸出口，狀態(tài)表如下。序號狀態(tài)字節(jié)（二進(jìn)制）狀態(tài)字節(jié)（十六進(jìn)制）序號狀態(tài)字節(jié)（二進(jìn)制）狀態(tài)字節(jié)（十六進(jìn)制）11111,1110FE51110,1111EF21111,1101FD61101,1111DF31111,1011FB71011,1111BF41111,0111F780111,11117F⑵移位法所謂移位法，就是利用C語言的移位運算符“<<”、“>>”實現(xiàn)狀態(tài)字節(jié)的循環(huán)移位。但由于C語言的移位運算符只能實現(xiàn)單向移位，因此必須通過一定的算法來間接實現(xiàn)，具體的做法是：假設(shè)M位數(shù)據(jù)A需要循環(huán)左移N位（M>N），先將A左移N位得到B，再將A右移(M-N)位得到C，最后將A、B按位求或運算即可獲得最終結(jié)果。比如，8位二進(jìn)制數(shù)，各位均用字母表示為“ABCDEFGH”，需要循環(huán)左移3位，可先將原數(shù)左移3位，得到“DEFGH000”，再將原數(shù)右移5位，得到“00000ABC”，最后將兩數(shù)按位或即可得到循環(huán)左移3位的結(jié)果“DEFGHABC”，示意如下。①ABCDEFGH<<3→DEFGH000②ABCDEFGH>>5→00000ABC③DEFGH000|00000ABC

→DEFGHABC3.3.2任務(wù)程序的編寫

本次任務(wù)程序?qū)⒏鶕?jù)位操作法、查表法與移位法三種方法編寫，需要用到的新的API函數(shù)：

①引腳輸出函數(shù)HAL_GPIO_WritePin

新版HAL庫改為：GPIO_PIN_RESETGPIO_PIN_SET

例程：今天我們要對若干個引腳一起輸出相同的電平值，比如

HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_RESET);//PC0輸出低電平HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_0,GPIO_PIN_SET);//PC0輸出高電平HAL_GPIO_WritePin(GPIOC,GPIO_PIN_0|GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_5,GPIO_PIN_RESET);//PC0、PC2、PC5三個引腳同時輸出低電平或者也可以使用LL庫函數(shù)，但LL庫與HAL庫（默認(rèn)）不能同時使用，且必須在STM32CubeIDE“ProjectManager=>AdvancedSetting”中進(jìn)行修改。

②引腳輸出函數(shù)LL_GPIO_WriteOutputPort（推薦）

例程：LL_GPIO_WriteOutputPort(GPIOC,0x00000009);//除了PC0、PC3輸出高電平，PC口其余引腳輸出低電平（現(xiàn)場操作演示...）技能訓(xùn)練（選做）：要求將任務(wù)要求中流水燈改為跑馬燈，其他條件不變。Tobecontinued...3.4數(shù)碼管動態(tài)顯示能力目標(biāo)：

在理解數(shù)碼管工作原理與多位數(shù)碼管電路構(gòu)成的基礎(chǔ)上，理解并掌握多位數(shù)碼管動態(tài)顯示字符的程序編制方法。任務(wù)要求（改）：

仿真電路如圖所示，要求編程實現(xiàn)八位數(shù)碼管中的低四位顯示任意四位十進(jìn)制數(shù)字。3.4.1數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)數(shù)碼管，也稱作輝光管，是一種可以顯示數(shù)字和其他信息的電子設(shè)備。共陰極數(shù)碼管采用高電平驅(qū)動，而共陽極數(shù)碼管采用低電平驅(qū)動。段碼列表見右表。注意表中的引腳順序，由高到低為dpgfedcba顯示字符共陽極驅(qū)動碼共陰極驅(qū)動碼二進(jìn)制十六進(jìn)制二進(jìn)制十六進(jìn)制全滅11111111FFH0000000000H011000000C0H001111113FH111111001F9H0000011006H210100100A4H010110115BH310110000B0H010011114FH41001100199H0110011066H51001001092H011011016DH61000001082H011111017DH711111000F8H0000011107H81000000080H011111117FH91001000090H011011116FHA1000100088H0111011177HB1000001183H011111007CHC11000110C6H0011100139HD10100001A1H010111105EHE1000011086H0111100179HF100011108EH0111000171H3.4.2數(shù)碼管的靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示⑴數(shù)碼管的靜態(tài)顯示

一位數(shù)碼管的典型驅(qū)動電路如下圖所示，通常按照A、B、C……DP接單片機(jī)引腳從低位到高位（比如PC0、PC1、PC2……PC7）的接法。如圖這種直連的接法由于必須考慮到單片機(jī)引腳的輸入/輸出電流能力，往往由于驅(qū)動電流不夠致使數(shù)碼管發(fā)光亮度偏暗，可以考慮在單片機(jī)與數(shù)碼管之間加一個鎖存器以提高數(shù)碼管驅(qū)動電流?！頢TM32引腳輸入/輸出電流能力：單個引腳最大輸出8mA、最大輸入20mA，整機(jī)最大輸出/輸入總電流150mA。⑵數(shù)碼管的動態(tài)顯示

為節(jié)約單片機(jī)引腳，多位數(shù)碼管往往采用“并聯(lián)”的連接方式，以二位數(shù)碼管為例，如圖所示。

以任務(wù)電路為例，多位數(shù)碼管的段碼輸入端共用同一組（7個或8個）GPIO引腳，使多位數(shù)碼管按一定順序（比如從左往右）快速輪流顯示字符信息的顯示方式。由于人眼存在“視覺暫留”效應(yīng)，當(dāng)刷新速度夠快時，會給人一種所有數(shù)碼管同時發(fā)光的錯覺。考慮到GPIO輸出電流能力有限，每一位數(shù)碼管均由反相器（即非門電路）輸出高電平選通。3.4.3任務(wù)程序的編寫

（現(xiàn)場操作演示...）技能訓(xùn)練：修改任務(wù)，使數(shù)碼管逆序選通。Tobecontinued...3.5矩陣式鍵盤能力目標(biāo)：

理解矩陣式鍵盤的電路組成及工作原理，掌握矩陣式鍵盤程序的編制方法。任務(wù)要求：

如下圖所示是一個4×4的矩陣式鍵盤仿真電路，要求編程實現(xiàn)當(dāng)按下任意一個按鈕時，數(shù)碼管立即顯示當(dāng)前按下按鈕對應(yīng)的鍵值。3.5.1矩陣式鍵盤的電路組成

●“獨立式按鈕”，適合于按鈕較少的應(yīng)用場合；

●“矩陣式鍵盤”，適合于按鈕較多的應(yīng)用場合。如圖所示，是一種4×4的矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)示意圖，分別由4條行線、4條列線聯(lián)接而成。3.5.2矩陣式鍵盤的行掃描法行掃描法檢測步驟如下：①初始化，所有行線均輸出高電平；②僅行線X0輸出低電平，檢測按鍵0～按鍵3，若其中某個按鍵被按