1、 嵌入式技术与应用丛书 STM32STM32 单片机 应用与全案例实践 沈红卫 任沙浦 朱敏杰 杨亦红 卢雪萍 著 Publishing House of Electronics Industry 北京BEIJING 内 容 简 介 本书为市级重点教材。以基于 ARM 的 STM32 单片机的基本概念、基本原理为主线，详细阐述 STM32的学习方法与应用系统开发的一般技术。本书在内容组织和框架设计上具有两个鲜明特点：全案例、基于学习者学习。从学习者的角度，精心组织每个章节的内容体系，对 STM32 常用的典型外设模块原理及其应用设计均以完整案例方式呈现。配套课件逻辑严密，思路清晰，制作精良，与
2、教材相得益彰。本书可作为计算机、电子、通信、机电、自动化及其他相关专业的本、专科学生及研究生的教材，也可作为从事检测、自动控制等领域的嵌入式系统开发工程技术人员的参考用书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 STM32 单片机应用与全案例实践/沈红卫等著.北京：电子工业出版社，2017.6（嵌入式技术与应用丛书）ISBN 978-7-121-31620-3 .S .沈 .单片微型计算机 .TP368.1 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 107707 号 策划编辑：牛平月 责任编辑：桑 昀 印 刷：装 订：出版发
3、行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871 092 1/16 印张：21 字数：537.6 千字 版 次：2017 年 6 月第 1 版 印 次：2017 年 6 月第 1 次印刷 定 价：59.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254454，。III 前 言 嵌入式系统的发展确实超乎我们的想象。从早期的 8 位单片机，到目前主流的 32 位单
4、片机，其应用已深深渗透于生产、生活的各个方面。作为 ARM 的一个典型系列，STM32以其较高的性能和优越的性价比，毫无疑问地成为 32 位单片机市场的主流。把 STM32 引入大学的培养体系，已经成为高校广大师生的普遍共识和共同实践。目前普遍地认为，基于 ARM 的嵌入式系统不仅难教而且难学。究其原因，无外乎三个方面：（1）功能多导致的问题。功能多导致系统复杂，这样给理解带来诸多困难，使得从传统的 8 位单片机系统转过来的学习者感觉难以适应，因为传统的 8 位单片机，例如 51 单片机，功能相对单一，结构原理也相对简单。（2）芯片系列多导致的问题。由于基于 ARM 的单片机系列较多，功能、性
5、能差异较大，开发环境又往往不一样，尤其是与 8 位单片机学习者已熟悉的 KEIL C 差异较大，再加上 ARM 单片机出现晚，发展历史没有 8 位单片机长，资料积累远不如 8 位单片机丰富，这些都对学习者提出了挑战、形成了恐慌。（3）开发模式不一样导致的问题。每个 ARM 系列单片机，往往其开发环境、开发模式是不一样的。以 STM32 为例，开发环境就有好几种，开发模式又有寄存器模式、固件库函数模式两种，再加上各自又可对应基于操作系统和无操作系统的形式，在工程模板的配置方面很多初学者往往不得其要领，所有这些使得传统的单片机学习者在从 8 位单片机向 ARM迁移的过程中，感觉信心不足，不敢轻易涉
6、足。作者本身是传统 8 位单片机的一个资深学习者和应用开发者，对上述这些感同身受、体会深厚。正因为如此，由于一个偶然的契机，让作者在 2014 年暑假下定决心一定要破破这个邪，从而开始了长达近三年的学习和教材撰写过程，走上了一个人的朝圣之旅。正是这不折不扣的三年学习和思考，引领作者在本教材的框架构思和具体撰写中，毫无觉察地将自己设置在学习者的立场和视野上。本教材的撰写自始至终都坚定地遵循了“二二”思想。第一个“二”，即教材撰写的两个原则；第二个“二”，即教材撰写的两个特色。教材撰写的两个原则：一是基于学习者学习的原则，而不是方便教授者教的原则；二是删繁就简、容易上手的原则，对传统学习者感觉恐慌
7、的部分，围绕应用和实践，采取够用、适用的方式，将其简化，减少学习恐惧，对诸如工程模板配置等问题从根本上、本质上阐述到位，使学习者真正理解为什么要这样做，从而避免云里雾里、一知半解，达到得心应手、运用自如。教材撰写的两个特色：一是围绕学习者学习；二是全案例驱动。具体地说，就是完全站在学习者学习的角度，设计整个教材的逻辑关系，组织每个章节的内容体系，在简明扼要地阐述 STM32 常用的每一个典型外设模块的原理的基础上，围绕其应用，均以一个以上完整案例的形式讨论其设计精髓，并在教材的最后给出了一个完整的工程案例，所有这些案例的硬件和软件完全公开、毫无保留，因此十分有利于学习者学习和模仿。大量的教学实
8、践表 IV 明，模仿是学习单片机最为成功的方式之一，它不仅可以让学习者产生成就感，而且可以较快地激发学习者的兴趣和动力。本教材的第一部分讨论了怎么学 STM32 的问题，分别从学习 STM32 的基础要求、STM32 的基本架构和大致原理、学习 STM32 的基本方法、学习 STM32 需要哪些工具或平台等几个方面加以阐述。教材的第二部分围绕一个 GPIO 输出的简单案例，讨论了 STM32 应用开发所必需的开发环境配置（包括模板的建立）、程序的下载与调试、STM32 程序开发的三种模式等问题。教材的其余部分，分别通过一个及以上的完整案例，讨论了 STM32 中最为典型的外设与功能模块，即 G
9、PIO 输入/输出、延时的 3 种实现（延时函数、SysTick、定时器中断）、TIMER 与 PWM、USART、基于液晶和按键的人机界面、I2C 与 SPI、A/D、D/A、DMA、中断等的工作原理、应用设计、程序实现。教材的最后部分，讨论了一个基于线性 CCD 路径识别的综合性工程案例。这个案例可帮助学习者进一步建立模块化思想，提高设计与开发 STM32 的综合应用系统的能力与信心。本教材的所有案例均经过作者精心设计并一一经过实验验证。所有案例的功能要求完整、注释完整、代码完整，真正做到了全公开、全透明、无保留。一点建议：从学习入门和一般应用的角度，作者倾向于不要先花很多精力去学嵌入式实
10、时操作系统（如 C/OS），原因有二：一方面，因其体系和概念过于复杂、抽象，初学者难以驾驭，学习起来会非常困难，学习效率会异常低下，这样反而影响最重要的、最根本的内容的学习，可能会使原本不足的学习兴趣和动力出现“断崖式”下降；另一方面，对于一般的应用，多数是不需要基于操作系统的，况且，多数观点认为 STM32 并不十分适合嵌入操作系统。教材的编写是一个艰难和孤独的过程，一本好的教材的出版更是需要作者做到心无旁骛、摒弃杂念。在整整三年的撰写和实验验证过程中，作者对此深信不疑。本教材绝大多数的内容均为作者原创，编写风格也不同于大多数教材的模式（因为将显得复杂的原理分解至各个功能模块去阐述和讨论，因
11、此较好地迎合了学习者的学习规律）。可以不自谦地说，这是一本真正意义上以学习产出（OBE）为导向的教材。本教材得到了绍兴文理学院浙江省新兴特色专业自动化专业建设项目经费的资助，是2015 年绍兴市重点建设教材。本教材由绍兴文理学院沈红卫教授、任沙浦副教授、朱敏杰讲师、卢雪萍讲师，浙江工业职业技术学院杨亦红讲师等共同完成，沈翊、涂强、章英、章清、金梦琪、傅飞娜、葛琼、赵伟强也为本书贡献了心智，绍兴文理学院自动化专业 13 级项烨雯、12 级陈剑泓等同学参与了部分图表的绘制。在本教材的编写过程中，参阅了许多资料，在此对本教材参考资料的作者表示诚挚感谢，对不能一一标明来源的资料的作者表示真诚的歉意和敬
12、意。对直接、间接为本教材的出版倾注智慧、付出心力、提供帮助的所有人，作者都心怀满满的感谢！由于水平所限，书中难免存在错误和不周之处，恳请同行专家和学习者不吝指正。本教材配套课件逻辑严密、思路清晰、制作精良，可登录华信教育资源网（http:/）免费注册后下载。沈红卫 于绍兴风则江边 2017 年 1 月 20 日 V 目 录 目 录 第 1 章 如何学习 STM32（1）1.1 学习 STM32 必须具备的知识基础（1）1.2 STM32 的基本架构和基本原理（2）1.2.1 什么是 ARM（2）1.2.2 什么是 STM32（3）1.2.3 STM32 的内部结构（3）1.2.4 典型型号ST
13、M32F103ZET6（5）1.2.5 STM32 的时钟树（6）1.3 学习 STM32 的最好方法是什么（9）1.4 学习 STM32 需要哪些工具或平台（10）1.4.1 硬件平台（10）1.4.2 软件平台（12）1.5 STM32 程序开发的模式（13）1.5.1 基于寄存器的开发模式（13）1.5.2 基于 ST 固件库的开发模式（20）1.5.3 基于操作系统的开发模式（26）1.5.4 3 种开发模式的选用建议（27）思考与扩展（28）第 2 章 如何调试 STM32（29）2.1 STM32 单片机的最小系统（29）2.2 STM32 工程模板的建立（31）2.2.1 STM
14、32 的固件库（Standard Peripherals Library）（31）2.2.2 新建工程模板第一步复制固件库文件（35）2.2.3 新建工程模板第二步新建一个 KEIL 工程（36）2.2.4 关于创建工程模板的简单小结（43）2.3 程序的烧写（43）2.3.1 基于串口的程序下载（烧写）方式（44）2.3.2 基于 JTAG（SWD）的程序下载（烧写）方式（45）2.4 程序的调试（47）2.5 模板的使用（49）2.6 3 个 GPIO 输出的范例STM32 中实现延时的 3 种常用方法（50）2.6.1 第一个 LED 工程基于延时函数的延时（50）2.6.2 第二个 L
15、ED 工程SysTick 中断延时（52）2.6.3 第三个 LED 工程定时器中断延时（54）VI STM32 单片机应用与全案例实践 2.7 GPIO 口的各种输出方式及其应用（57）2.7.1 功能要求（57）2.7.2 程序实现（58）2.8 本章小结（60）思考与扩展（61）第 3 章 GPIO 及其应用输入（62）3.1 单功能按键输入（62）3.1.1 实现思想（62）3.1.2 具体程序（63）3.2 复用功能按键输入（66）3.2.1 按键复用的基本概念（66）3.2.2 程序实现举例（66）3.3 非按键类开关信号输入及其实现（69）3.3.1 GPIO 的输入方式及其特点
16、（69）3.3.2 程序实现（70）3.4 GPIO 输入/输出小结（72）思考与扩展（73）第 4 章 TIMER 与 PWM（74）4.1 关于 STM32 的定时器（TIMER）的概述（74）4.2 STM32 定时器的简单应用（75）4.2.1 按周期输出方波的例子（75）4.2.2 实现原理（75）4.2.3 具体程序（75）4.3 STM32 定时器的复杂应用检测输入方波的频率（80）4.3.1 STM32 定时器的其他特性（80）4.3.2 本例设计要求（82）4.3.3 硬件接口设计与测量原理（82）4.3.4 具体程序（83）4.4 PWM 原理及其应用一一个 LED 呼吸灯的实现（87）4.4.1 PWM 的基本概念及其基本应用（87）4.4.2 STM32 的 PWM 的实现原理（88）4.4.3 基于 PWM 的 LED 呼吸灯的实现思路（92）4.4.4 呼吸灯的实现程序（93）4.5 PWM 原理及其应用二通过 L298N 控制电机转速（100）4.5.1 硬件设计（100）4.5.2 直流电机调速与调向的原理（101）4.5.3 程序实现（101）思考与扩