STM32嵌入式系统实验教学报告

STM32嵌入式系统实验教学报告课程名称：嵌入式系统原理与应用实验项目名称：STM32基础外设应用与程序设计学生姓名：[此处填写学生姓名]学号：[此处填写学生学号，注意规避四位以上数字，可使用占位符如XXX]班级：[此处填写班级]指导教师：[此处填写指导教师姓名]实验日期：[填写日期，如XXXX年X月X日]实验地点：[填写实验室名称或地点]---一、实验目的与要求1.熟悉STM32微控制器的基本架构及常用外设，如GPIO、USART、TIM等，理解其工作原理。2.掌握STM32标准外设库（StdPeriphLibrary）或HAL库的基本使用方法，能够进行外设的初始化配置与编程控制。4.实现特定功能模块的设计与调试，例如：LED流水灯、按键输入检测、串口通信数据收发、基本定时器中断等，培养动手能力和问题解决能力。5.理解嵌入式系统开发的基本流程，培养规范的编程习惯和文档撰写能力。二、实验环境1.硬件环境：*STM32系列微控制器开发板（如STM32F103C8T6"BluePill"或其他型号开发板，具体型号根据实际使用填写）*个人计算机（PC）*USB数据线*（可选）示波器、万用表等辅助测量工具*（可选）面包板、杜邦线、LED发光二极管、按键、电阻等外围元器件2.软件环境：*集成开发环境（IDE）：KeilMDK5或STM32CubeIDE*STM32固件库：STM32StandardPeripheralLibraries或STM32HALLibraries（根据IDE和实验需求选择）*（可选）串口调试助手软件三、实验原理本实验主要围绕STM32的通用输入输出端口（GPIO）、通用同步异步收发器（USART）以及基本定时器（TIM）展开，其核心原理如下：1.GPIO（通用输入输出）原理：GPIO是微控制器与外部世界交互的最基本接口。STM32的GPIO引脚可配置为多种模式，包括输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、推挽输出、开漏输出、复用推挽输出和复用开漏输出。通过配置GPIO端口的模式寄存器（MODER）、输出类型寄存器（OTYPER）、输出速度寄存器（OSPEEDR）和上拉下拉寄存器（PUPDR），可以实现对外部设备（如LED、按键）的控制与状态读取。例如，将LED连接到推挽输出模式的GPIO引脚，通过写入输出数据寄存器（ODR）或置位/复位寄存器（BSRR）来控制引脚电平高低，从而点亮或熄灭LED。对于按键输入，通常将GPIO配置为输入上拉或下拉模式，通过读取输入数据寄存器（IDR）来判断按键是否被按下。2.USART（通用同步异步收发器）原理：USART用于实现串行异步通信，是微控制器与PC或其他设备进行数据交换的常用手段。其通信基于特定的波特率、数据位、停止位和校验位。发送数据时，CPU将并行数据写入发送数据寄存器（TDR），USART外设会自动将其转换为串行数据并通过TX引脚发送出去。接收数据时，USART外设从RX引脚接收串行数据，转换为并行数据后存入接收数据寄存器（RDR），等待CPU读取。通过配置USART的控制寄存器（CR1,CR2,CR3）来使能收发、设置帧格式和波特率。波特率的计算基于外设时钟（PCLK1或PCLK2）和USART的分频系数。中断或轮询方式均可用于USART的数据收发处理。3.TIM（定时器）原理：STM32的定时器资源丰富，基本定时器主要用于定时计数功能。其核心是一个计数器，在时钟信号驱动下递增或递减。通过配置预分频器（PSC）可以将输入时钟分频到合适的频率，自动重装载寄存器（ARR）则设定了计数器的溢出值。当计数器达到ARR的值时，会产生更新事件（UEV），可以触发中断或DMA请求。利用定时器的更新中断，可以实现精确的延时或周期性任务调度，避免使用软件延时浪费CPU资源。四、实验内容与步骤本次实验选取“LED流水灯控制”、“按键输入检测与LED响应”以及“USART串口通信”三个基础且具有代表性的项目进行。4.1实验项目一：LED流水灯控制实验内容：利用STM32的GPIO外设，控制开发板上连接的若干个LED按照预定的顺序和时间间隔依次点亮和熄灭，实现流水灯效果。实验步骤：1.硬件连接确认：确认开发板上LED的连接引脚。通常开发板会将LED通过限流电阻连接到特定的GPIO引脚，查阅开发板原理图获取准确信息（例如，假设LED1连接至PA0，LED2连接至PA1，以此类推）。2.创建工程与配置：*打开KeilMDK或STM32CubeIDE，新建一个针对所使用STM32型号的工程。*配置工程选项，选择正确的目标芯片型号。*若使用标准外设库，需将对应的库文件（如stm32f10x_gpio.c,stm32f10x_rcc.c等）添加到工程，并在头文件包含路径中指定库头文件所在目录。若使用STM32CubeMX配合HAL库，则通过图形化配置工具生成初始化代码。3.编写初始化代码：*使能LED所连接GPIO端口的时钟。STM32的外设时钟默认是关闭的，需通过RCC（复位和时钟控制）外设进行使能。例如，若LED连接到GPIOA，则需调用`RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);`（标准库）。*定义GPIO初始化结构体`GPIO_InitTypeDef`，配置LED对应引脚为推挽输出模式，设置合适的输出速度。*调用`GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);`完成初始化。4.编写主程序逻辑：*在`main()`函数中，首先进行系统初始化（如`SystemInit()`）。*在一个无限循环`while(1)`中，通过`GPIO_SetBits()`和`GPIO_ResetBits()`函数（或直接操作ODR寄存器）控制各个LED引脚的高低电平。*在LED状态切换之间加入适当的延时。初期可使用简单的软件延时函数（通过循环实现），后续可尝试使用定时器中断来实现更精确的延时。6.调试与观察：观察LED是否按照预期的流水效果闪烁。若不工作，检查硬件连接、GPIO初始化配置、引脚定义及延时函数是否正确。4.2实验项目二：按键输入检测与LED响应实验内容：利用STM32的GPIO输入功能检测外接按键的状态，并根据按键状态控制LED的亮灭或切换LED的工作模式。实验步骤：1.硬件连接确认：确认按键的连接方式及引脚。按键通常一端接地，另一端通过GPIO引脚连接到MCU，并在GPIO内部或外部使用上拉电阻，使未按下时引脚为高电平，按下时为低电平（或相反）。2.工程配置与初始化：*在实验一工程基础上添加按键相关代码，或新建工程。*使能按键所连接GPIO端口的时钟。*配置按键对应GPIO引脚为输入模式（输入上拉或输入下拉，根据按键硬件连接方式确定）。3.编写按键检测函数：*编写一个函数（如`uint8_tKey_Scan(void)`）用于检测按键状态。考虑到机械按键的抖动，需要在检测到按键状态变化后进行短暂延时（软件消抖），然后再次确认按键状态。*该函数可返回按键是否被按下、哪个按键被按下或按键的单击/双击/长按状态（根据需求实现）。4.编写主程序逻辑：*在`while(1)`循环中，周期性调用按键扫描函数。*根据按键扫描的结果，执行相应的LED控制逻辑。例如，按下按键1，LED1点亮；按下按键2，LED2点亮；按键释放，LED熄灭；或按键按下一次，LED状态翻转一次。4.3实验项目三：USART串口通信实验内容：配置STM32的USART外设，实现与PC机的串口通信。例如，STM32通过串口向PC发送特定信息（如“HelloWorld!”或传感器数据），并能接收PC发送的指令，根据指令执行相应操作（如控制LED）。实验步骤：1.硬件连接：使用USB转串口模块连接STM32的USART_TX和USART_RX引脚与PC的USB口。2.工程配置与初始化：*使能USART外设及其对应GPIO端口的时钟。USART的TX引脚通常配置为复用推挽输出，RX引脚配置为输入浮空或输入上拉。*配置USART的工作参数：波特率（如9600,____）、数据位（8位）、停止位（1位）、校验位（无校验）、硬件流控（无）。*使能USART的发送和接收功能。*（可选）配置USART中断，实现中断方式接收数据。3.编写串口发送函数：*编写字符发送函数（如`voidUSART_SendByte(USART_TypeDef*USARTx,uint8_tData)`）和字符串发送函数（如`voidUSART_SendString(USART_TypeDef*USARTx,uint8_t*pString)`）。发送函数通过查询USART状态寄存器（SR）的发送数据寄存器空标志（TXE）来判断是否可以发送下一个字节。4.编写串口接收函数：*轮询方式：编写函数通过查询USART状态寄存器的接收数据寄存器非空标志（RXNE）来判断是否有数据接收，并读取数据。*中断方式：配置USART接收中断，在中断服务程序中读取接收到的数据。5.编写主程序逻辑：*系统初始化后，通过串口发送欢迎信息（如“STM32USARTTestReady!”）。*若使用轮询接收，则在`while(1)`循环中周期性查询是否有接收数据。若使用中断接收，则在中断服务程序中处理接收到的数据。*对接收到的数据进行解析，例如，若接收到字符‘1’，则点亮LED；接收到字符‘0’，则熄灭LED；接收到字符串“ON”，则点亮所有LED等。*将接收到的数据原样返回（Echo功能）或发送处理结果。五、实验数据记录与结果分析（本部分需根据实际操作情况详细记录实验现象、关键数据及遇到的问题与解决方法）1.LED流水灯实验结果：*实验现象：成功实现了[X]个LED按照[具体描述流水顺序，如从左到右，再从右到左，或循环点亮]的顺序，以约[大致延时时间，如500ms]的间隔循环闪烁。*关键配置：LED连接引脚为[列出引脚，如PA0,PA1,PA2]，配置为推挽输出模式。*问题与解决：（例如：初期LED不亮，检查发现GPIO端口时钟未使能；或引脚定义错误，更正后正常工作。）2.按键输入检测实验结果：*实验现象：按键未按下时，LED处于[熄灭/初始]状态。当按下按键[具体按键1]时，LED[具体LED1]被点亮/状态翻转；松开按键后，LED[保持点亮/熄灭]（根据程序逻辑描述）。按键消抖效果良好，未观察到明显误触发。*关键配置：按键连接引脚为[列出引脚，如PB0]，配置为输入上拉模式。消抖延时设置为[如20ms]。*问题与解决：（例如：未消抖时，按键按下一次LED可能闪烁多次；加入软件延时消抖后，现象改善。）3.USART串口通信实验结果：*实验现象：STM32上电复位后，PC端串口助手成功接收到“[具体接收到的欢迎信息]”。通过串口助手向STM32发送指令“[具体指令1，如'LED_ON']”，STM32端LED[具体LED]点亮；发送指令“[具体指令2，如'LED_OFF']”，LED熄灭。数据传输稳定，未出现明显丢包或乱码现象。*关键配置：USART[具体编号，如USART1]，波特率[具体值，如____]，数据位8位，停止位1位，无校验。TX引脚[如PA9]，RX引脚[如PA10]。*问题与解决：（例如：初期接收数据乱码，检查发现波特率设置与串口助手不一致；或TX/RX引脚接反，调换后恢复正常。）六、实验总结与体会在硬件层面，我深入理解了STM32GPIO外设的工作原理和多种配置模式，并成功将其应用于LED控制和按键输入。亲手实践让我明白了“推挽输出”与“开漏输出”的区别，以及上拉下拉电阻在输入检测中的重要性。按键消抖的实现，也让我体会到理论知识（如机械开关特性）在实际工程中的应用。USART串口通信实验则让我掌握了异步串行通信的基本原理和配置方法。从最初的发送“HelloWorld!”到实现双向指令交互，每一个小进步都伴随着对USART寄存器配置和数据收发机制的更深理解。调试过程中遇到的波特率不匹配、引脚接线错误等问题，锻炼了我的问题排查能力和耐心。实验过程并非一帆风顺，遇到的各种“小插曲”——比如忘记使能外设时钟导致功能无响应，引脚定义错误导致硬件不动作，以及串口调试时的各种“玄学”问题——都促使我更加仔细地阅读参考手册，更加严谨地进行代码编写和硬件检查。这些宝贵的经验，比单纯的成功更有价值，它们教会我如何分析问题并尝试寻找解决方案。此外，我也认识到固件库（或HAL库）的强大作用，它们极大地简化了底层寄存器的操作，提高了开发效率。但同时，我也意识到不能过度依赖库函数，理解其背后的实现原理对于深入掌握微控制器至关重要。总而言之，本次实验不仅巩固了我的专业知识，提升了动手能力，更培养了我的工程实践素养和解决实际问题的能力。我深刻体会到嵌入式系统开发是一门实践性极强的学科，唯有不断动手，不断试错，不断总结，才能真正有所收获。七、思考题（可选）1.在GPIO输出配置中，推挽输出和开漏输出各有什么特点？在什么情况下适合使用开漏输出？2.除了软