附录C STM32实践项目集
附录 C STM32 实践项目集¶
本附录包含 5 个由浅入深的 STM32 实践项目，配合第 3 章理论内容使用。所有项目均可在 PicSimlab 仿真环境中完成。
C.1 项目一：GPIO 控制——八路流水灯与按键加速¶
C.1.1 项目目标¶
表 C-1 C.1.1 项目目标
| 要素 | 内容 |
|---|---|
| 功能描述 | 8 个 LED 依次点亮形成流水灯效果；按下按键后在快速/慢速之间切换 |
| 涉及接口 | GPIO 输出（推挽）、GPIO 输入（上拉）、外部中断（EXTI） |
| 核心 API | HAL_GPIO_WritePin、HAL_GPIO_EXTI_Callback |
| 学习重点 | 多引脚 GPIO 配置、EXTI 中断服务机制、软件消抖 |
以上内容归纳了 C.1.1 项目目标的关键要素，为后续深入学习和工程实践提供了参考依据。
C.1.2 硬件连接¶
PicSimlab 中的连接方式（逻辑示意）：
STM32 引脚 虚拟组件
────────── ──────────
PA0 ─────────────── LED_0（红）
PA1 ─────────────── LED_1（红）
PA2 ─────────────── LED_2（红）
PA3 ─────────────── LED_3（黄）
PA4 ─────────────── LED_4（黄）
PA5 ─────────────── LED_5（黄）
PA6 ─────────────── LED_6（绿）
PA7 ─────────────── LED_7（绿）
PB0 ─────────────── Push Button（按键，另一端接 GND）
GND ─────────────── 所有 LED 阴极（公共地）
💡 PicSimlab 中 LED 高电平（3.3V）亮起，对应
HAL_GPIO_WritePin(..., GPIO_PIN_SET)。
C.1.3 CubeMX 配置¶
① 引脚配置
在 CubeMX 引脚视图中：
PA0~PA7：设置为GPIO_Output- 模式：Output Push Pull
- 初始电平：Low
- 用户标签：
LED_0~LED_7 PB0：设置为GPIO_EXTI0（外部中断，下降沿触发）- Pull-up/Pull-down：Pull-up
- 用户标签：
KEY_0
② NVIC 中断使能
在 System Core → NVIC 中：
- 使能
EXTI line0 interrupt - Preemption Priority = 0，Sub Priority = 0
配置摘要：
PA0 ~ PA7 → GPIO_Output (LED_0~7，推挽输出，初始低电平)
PB0 → GPIO_EXTI0 (KEY_0，上拉输入，下降沿触发)
C.1.4 代码实现¶
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdint.h>
/* USER CODE END Includes */
/* USER CODE BEGIN PV */
// 流水灯速度控制变量（单位：ms），volatile 保证中断与主循环间的可见性
volatile uint32_t g_speed = 200;
/* USER CODE END PV */
/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
* @brief 输出一个字节图案到 PA0~PA7，控制 8 路 LED
* @param pattern bit0 对应 PA0，bit7 对应 PA7
*/
void LED_Write(uint8_t pattern)
{
// 直接操作寄存器：比循环调用 8 次 HAL_GPIO_WritePin 效率更高
uint32_t odr = GPIOA->ODR;
odr &= 0xFFFFFF00U; // 清除低 8 位
odr |= (uint32_t)pattern; // 写入新图案
GPIOA->ODR = odr;
}
/* USER CODE END 0 */
int main(void)
{
/* HAL 初始化、时钟及外设初始化（CubeMX 自动生成，勿修改）*/
/* USER CODE BEGIN WHILE */
// 流水灯图案：依次点亮每个 LED
const uint8_t patterns[] = {
0x01, 0x02, 0x04, 0x08,
0x10, 0x20, 0x40, 0x80
};
const uint8_t PATTERN_COUNT = sizeof(patterns);
uint8_t idx = 0;
while (1)
{
LED_Write(patterns[idx]);
idx = (idx + 1) % PATTERN_COUNT; // 循环步进
HAL_Delay(g_speed); // 延时由按键动态调节
}
/* USER CODE END WHILE */
}
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
* @brief EXTI 中断回调函数（按键按下时触发）
* @note HAL 库中为弱定义（__weak），在此覆盖实现
*/
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_0) // PB0 → EXTI Line 0
{
HAL_Delay(20); // 软件消抖：等待机械弹跳结束（约 10~20 ms）
if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_0) == GPIO_PIN_RESET)
{
// 低电平确认有效按键，切换速度
g_speed = (g_speed == 200U) ? 50U : 200U;
}
}
}
/* USER CODE END 4 */
代码关键点解析：
表 C-2
| 代码片段 | 说明 |
|---|---|
volatile uint32_t g_speed |
volatile 防止编译器将变量优化到寄存器，保证中断修改主循环可见 |
GPIOA->ODR 直接操作 |
一次写操作同时更新 8 个引脚，比循环调用 HAL 函数效率高约 8 倍 |
(idx + 1) % PATTERN_COUNT |
取模实现循环计数，无需 if 判断边界 |
| 软件消抖 20ms | 按键机械弹跳约 5~20ms，延迟后二次确认避免误触发 |
上表对 C.1.4 代码实现的核心信息进行了结构化整理，读者可根据需要快速查阅相关内容。
C.1.5 仿真验证步骤¶
-
在 CubeIDE 中编译工程，获得
Debug/project.bin -
打开 PicSimlab，选择
stm32_blue_pill板卡，加载.bin - 添加 8 个 LED 组件，依次连接至 PA0~PA7
- 添加 1 个 Push Button 组件，连接至 PB0（另一端接 GND）
- 点击 ▶ 运行
- 预期现象： LED 以 200ms 间隔流水点亮；按键后切换至 50ms 高速流水
C.2 项目二：定时器与 PWM——呼吸灯效果¶
C.2.1 项目目标¶
表 C-3 C.2.1 项目目标
| 要素 | 内容 |
|---|---|
| 功能描述 | 一个 LED 的亮度在 0%～100% 之间平滑渐变，形成"呼吸"效果 |
| 涉及接口 | TIM2 定时器、PWM 输出模式 |
| 核心 API | HAL_TIM_PWM_Start、__HAL_TIM_SET_COMPARE |
| 学习重点 | PWM 频率与占空比的计算方法、定时器预分频参数的含义 |
以上内容归纳了 C.2.1 项目目标的关键要素，为后续深入学习和工程实践提供了参考依据。
C.2.2 PWM 原理简述¶
PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制） 通过改变方波的高电平持续时间（占空比）来等效改变平均电压，从而控制 LED 亮度：
占空比 = 高电平时间 / 周期时间 × 100%
100% 占空比： ┌──────────────┐ （最亮）
│ │
───┘ └───────────
50% 占空比： ┌──────┐ ┌──────
│ │ │
───┘ └────────┘
0% 占空比： ──────────────────────── （熄灭）
PWM 频率计算公式：
PWM 频率 = 定时器时钟 / (Prescaler + 1) / (Period + 1)
以 72MHz 时钟、目标 1kHz PWM 为例：
Prescaler = 71 → 分频后计数时钟 = 72MHz / 72 = 1MHz
Period = 999 → PWM 频率 = 1MHz / 1000 = 1kHz
占空比精度 = 1/1000 = 0.1%（共 1000 级）
C.2.3 CubeMX 配置¶
TIM2 配置：
① 在 Timers → TIM2 中： - Clock Source：Internal Clock - Channel 1：PWM Generation CH1
② Parameter Settings：
表 C-4 C.2.3 CubeMX 配置
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| Prescaler | 71 | 预分频，使计数时钟 = 1MHz |
| Counter Period | 999 | 自动重载值，决定 PWM 频率 = 1kHz |
| Pulse（初始占空比） | 0 | 初始占空比 0%（LED 熄灭） |
| PWM Mode | PWM mode 1 | 标准 PWM 模式 1 |
③ TIM2_CH1 默认映射到引脚 PA0
引脚配置摘要：
PA0 → TIM2_CH1 (PWM 输出，AF 推挽模式)
连接 → LED（阳极接 PA0，阴极接 GND）
C.2.4 代码实现¶
/* USER CODE BEGIN 2 */
// 启动 TIM2 通道 1 的 PWM 输出（调用后定时器持续运行）
HAL_TIM_PWM_Start(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
/* USER CODE END 2 */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
uint16_t duty = 0; // 当前占空比（0 ~ 999，对应 0% ~ 99.9%）
int16_t step = 5; // 每步变化量（正向增大，负向减小）
while (1)
{
// 实时修改比较寄存器（CCR）即可改变占空比，无需重启定时器
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2, TIM_CHANNEL_1, duty);
// 三角波反弹逻辑：到达边界时反转方向
duty += step;
if (duty >= 1000) { duty = 999; step = -5; }
if (duty <= 0) { duty = 0; step = 5; }
HAL_Delay(10); // 10ms 刷新间隔，完整一次呼吸约 4 秒
}
/* USER CODE END WHILE */
代码关键点解析：
表 C-5 C.2.4 代码实现
| 代码片段 | 说明 |
|---|---|
HAL_TIM_PWM_Start |
启动定时器 PWM 通道，之后硬件自动输出波形，CPU 无需干预 |
__HAL_TIM_SET_COMPARE |
修改比较寄存器（CCR）的值即可实时改变占空比 |
duty += step 反弹逻辑 |
简洁实现三角波式渐变，step 的正负决定渐亮或渐灭方向 |
HAL_Delay(10) |
每 10ms 步进一次，1000/5×10ms = 2s 完成单程（亮→暗或暗→亮） |
呼吸效果时序：
亮度(%)
100 | ▲ ▲ ▲
| / \ / \ / \
50 | / \ / \ / \
| / \ / \ / \
0 |───/ V V V───▶ 时间
|<── 约4s ──>
C.2.5 仿真验证步骤¶
- 编译工程，加载
.bin到 PicSimlab - 添加 1 个 LED 组件，连接至 PA0
- 添加 Oscilloscope 组件，探针接 PA0，观察 PWM 波形
- 运行仿真
- 预期现象： LED 亮度平滑渐变；示波器显示占空比从 0% 到 100% 周期性变化
C.3 项目三：ADC 模拟采集——数字电压表¶
C.3.1 项目目标¶
表 C-6 C.3.1 项目目标
| 要素 | 内容 |
|---|---|
| 功能描述 | 读取电位器的模拟电压值，通过 USART1 打印实时数字电压 |
| 涉及接口 | ADC1（软件触发单次转换）、USART1 |
| 核心 API | HAL_ADC_Start、HAL_ADC_PollForConversion、HAL_ADC_GetValue |
| 学习重点 | ADC 分辨率、参考电压与换算公式、printf 重定向到串口 |
上表对 C.3.1 项目目标的核心信息进行了结构化整理，读者可根据需要快速查阅相关内容。
C.3.2 ADC 原理简述¶
STM32F103 内置 12 位 ADC，可将 0~3.3V 的模拟电压转换为 0~4095 的数字量：
电压换算公式： V_in = ADC_Value × V_ref / 4095
ADC_Value ∈ [0, 4095]（12 位精度，共 4096 级）
V_ref = 3.3V（参考电压）
示例：
ADC_Value = 0 → V_in = 0.000V
ADC_Value = 2048 → V_in = 1.650V
ADC_Value = 4095 → V_in = 3.300V
ADC 工作模式对比：
表 C-7 C.3.2 ADC 原理简述
| 模式 | 说明 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 单次转换（Software Trigger） | 软件触发一次后停止 | 低频采样，本项目使用 |
| 连续转换（Continuous） | 自动反复采样 | 实时监测 |
| DMA 模式 | 硬件自动写入内存，CPU 零参与 | 高速多通道采样 |
通过上表的对比可以看出，不同方案在模式、说明、适用场景等方面各有优劣，实际选型时应结合具体应用场景综合权衡。
C.3.3 CubeMX 配置¶
ADC1 配置：
① Analog → ADC1： 使能 IN0（对应引脚 PA0）
② Parameter Settings：
表 C-8 C.3.3 CubeMX 配置
| 参数 | 值 | 说明 |
|---|---|---|
| Resolution | 12 Bits | 最高精度 |
| Data Alignment | Right alignment | 右对齐，数值直接可用 |
| Scan Conversion Mode | Disabled | 单通道无需扫描 |
| Continuous Conversion | Disabled | 单次转换模式 |
| External Trigger | Software Trigger | 软件触发 |
USART1 配置：
③ Connectivity → USART1： - Mode：Asynchronous - Baud Rate：115200 - Word Length：8 Bits，Parity：None，Stop Bits：1
引脚配置摘要：
PA0 → ADC1_IN0 (模拟输入，连接电位器中间抽头)
PA9 → USART1_TX (串口发送)
PA10 → USART1_RX (串口接收)
C.3.4 代码实现¶
printf 重定向（添加至 main.c 顶部）：
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */
/* USER CODE BEGIN 0 */
/**
* @brief 重定向 printf 到 USART1
* 覆写 newlib 的底层输出函数，将每个字符通过串口发送
*/
int __io_putchar(int ch)
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 100);
return ch;
}
/* USER CODE END 0 */
主循环代码：
/* USER CODE BEGIN 2 */
printf("===== 数字电压表 =====\r\n");
printf("ADC 分辨率: 12-bit 参考电压: 3.3V\r\n\r\n");
/* USER CODE END 2 */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
uint16_t adc_raw = 0; // ADC 原始值（0 ~ 4095）
float voltage = 0.0f; // 换算后的电压（单位 V）
uint32_t sample_n = 0; // 采样计数
while (1)
{
// ① 触发一次 ADC 转换
HAL_ADC_Start(&hadc1);
// ② 等待转换完成（阻塞，超时 100ms）
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
{
// ③ 读取转换结果
adc_raw = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
// ④ 换算为电压（先强转为 float，避免整数截断）
voltage = (float)adc_raw * 3.3f / 4095.0f;
// ⑤ 打印结果
printf("[%4lu] ADC = %4u 电压 = %.3f V\r\n",
sample_n, adc_raw, voltage);
sample_n++;
}
else
{
printf("ADC 转换超时！\r\n");
}
// ⑥ 停止 ADC（单次模式下建议调用，以便下次重新触发）
HAL_ADC_Stop(&hadc1);
HAL_Delay(500); // 每 0.5 秒采样一次
}
/* USER CODE END WHILE */
代码关键点解析：
表 C-9
| 代码片段 | 说明 |
|---|---|
HAL_ADC_Start |
触发单次 ADC 转换 |
HAL_ADC_PollForConversion |
轮询等待转换结束，有超时保护，返回值判断是否成功 |
HAL_ADC_GetValue |
读取 ADC 数据寄存器（DR）中的原始值 |
(float)adc_raw * 3.3f / 4095.0f |
必须先强转为 float，否则整数乘法可能溢出后再除，结果错误 |
__io_putchar 重定向 |
覆写 newlib 底层输出函数，将 printf 路由到 USART1 |
上表对 C.3.4 代码实现的核心信息进行了结构化整理，读者可根据需要快速查阅相关内容。
C.3.5 仿真验证步骤¶
- 编译工程，加载
.bin到 PicSimlab - 添加 Potentiometer（电位器）组件，中间抽头连接 PA0，两端分别接 VCC 和 GND
- 添加 UART Terminal 组件，连接至 PA9/PA10，设置波特率 115200
- 运行仿真，旋转电位器
- 预期现象： 终端每 0.5s 打印一行，旋转电位器后电压值实时变化
UART 终端输出示例：
===== 数字电压表 =====
ADC 分辨率: 12-bit 参考电压: 3.3V
[ 0] ADC = 2048 电压 = 1.650 V
[ 1] ADC = 2050 电压 = 1.651 V
[ 2] ADC = 3012 电压 = 2.426 V
[ 3] ADC = 4095 电压 = 3.300 V
[ 4] ADC = 0 电压 = 0.000 V
C.4 项目四：USART 通信——串口指令控制台¶
C.4.1 项目目标¶
表 C-10 C.4.1 项目目标
| 要素 | 内容 |
|---|---|
| 功能描述 | PC 通过串口发送文本指令，控制 LED 亮灭与流水灯模式切换 |
| 涉及接口 | USART1（中断接收）、GPIO 输出 |
| 核心 API | HAL_UART_Transmit、HAL_UART_Receive_IT、HAL_UART_RxCpltCallback |
| 学习重点 | 中断驱动的串口接收、命令缓冲区设计、"永续接收"模式 |
以上内容归纳了 C.4.1 项目目标的关键要素，为后续深入学习和工程实践提供了参考依据。
C.4.2 设计思路¶
轮询接收 vs 中断接收对比：
轮询接收（不推荐）： 中断接收（推荐）：
while(1) { HAL_UART_Receive_IT(...) ← 启动一次，非阻塞
接收字符; VS
if(超时) break; ↓（每收到 1 字节，硬件触发中断）
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(...) {
主循环被完全阻塞！ 处理字符;
HAL_UART_Receive_IT(...); ← 再次启动
}
主循环完全不阻塞！
指令协议设计（简单文本行协议）：
表 C-11 C.4.2 设计思路
| 指令 | 功能 |
|---|---|
LED ON |
点亮板载 LED（PC13，低电平有效） |
LED OFF |
熄灭板载 LED |
WATER START |
启动八路流水灯 |
WATER STOP |
停止流水灯 |
STATUS |
查询当前系统状态 |
所有指令以 \r\n 结尾（串口助手"发送新行"模式）。
C.4.3 CubeMX 配置¶
USART1 配置：
① Connectivity → USART1： - Mode：Asynchronous，Baud Rate：115200 - Word Length：8 Bits，Parity：None，Stop Bits：1
② NVIC Settings： 使能 USART1 global interrupt
PC13 板载 LED（低电平点亮）：
③ PC13 → GPIO_Output，初始电平：High，用户标签：LED_BUILTIN
引脚配置摘要：
PA9 → USART1_TX (串口发送，连接 UART Terminal)
PA10 → USART1_RX (串口接收，中断模式)
PC13 → GPIO_Output (板载 LED，低电平点亮)
PA0~PA7 → GPIO_Output (流水灯)
C.4.4 代码实现¶
全局变量与宏定义：
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
#include <stdio.h>
/* USER CODE END Includes */
/* USER CODE BEGIN PD */
#define CMD_BUF_SIZE 64 // 命令缓冲区最大字节数
/* USER CODE END PD */
/* USER CODE BEGIN PV */
static uint8_t s_rx_byte = 0; // 单字节接收缓冲
static uint8_t s_cmd_buf[CMD_BUF_SIZE] = {0}; // 命令行缓冲区
static uint8_t s_cmd_len = 0; // 当前已接收字节数
volatile uint8_t g_water_running = 0; // 流水灯运行标志
/* USER CODE END PV */
初始化与主循环：
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_UART_Transmit(&huart1,
(uint8_t *)"===== STM32 串口控制台 =====\r\n", 30, 100);
HAL_UART_Transmit(&huart1,
(uint8_t *)"指令: LED ON/OFF | WATER START/STOP | STATUS\r\n", 47, 100);
// 启动首次中断接收（每次只接收 1 个字节，接收完成后触发回调）
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &s_rx_byte, 1);
/* USER CODE END 2 */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
const uint8_t patterns[] = {
0x01, 0x02, 0x04, 0x08,
0x10, 0x20, 0x40, 0x80
};
uint8_t idx = 0;
while (1)
{
if (g_water_running)
{
// 流水灯逻辑（直接操作寄存器）
uint32_t odr = GPIOA->ODR;
odr = (odr & 0xFFFFFF00U) | patterns[idx];
GPIOA->ODR = odr;
idx = (idx + 1) % 8;
HAL_Delay(150);
}
else
{
GPIOA->ODR &= 0xFFFFFF00U; // 熄灭所有流水灯
HAL_Delay(10); // 避免 CPU 空转
}
}
/* USER CODE END WHILE */
命令解析与中断回调：
/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
* @brief 解析并执行命令字符串
*/
static void Process_Command(const char *cmd)
{
char reply[64] = {0};
if (strcmp(cmd, "LED ON") == 0)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); // 低电平点亮
snprintf(reply, sizeof(reply), "OK: LED 已点亮\r\n");
}
else if (strcmp(cmd, "LED OFF") == 0)
{
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET); // 高电平熄灭
snprintf(reply, sizeof(reply), "OK: LED 已熄灭\r\n");
}
else if (strcmp(cmd, "WATER START") == 0)
{
g_water_running = 1;
snprintf(reply, sizeof(reply), "OK: 流水灯已启动\r\n");
}
else if (strcmp(cmd, "WATER STOP") == 0)
{
g_water_running = 0;
snprintf(reply, sizeof(reply), "OK: 流水灯已停止\r\n");
}
else if (strcmp(cmd, "STATUS") == 0)
{
uint8_t led_on = !HAL_GPIO_ReadPin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
snprintf(reply, sizeof(reply),
"STATUS: LED=%s 流水灯=%s\r\n",
led_on ? "ON" : "OFF",
g_water_running ? "RUNNING" : "STOPPED");
}
else
{
snprintf(reply, sizeof(reply), "ERROR: 未知指令 '%s'\r\n", cmd);
}
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)reply, strlen(reply), 200);
}
/**
* @brief UART 接收完成中断回调（每接收 1 字节触发一次）
*/
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART1)
{
uint8_t ch = s_rx_byte;
if (ch == '\n')
{
// 收到换行符，命令结束；去除末尾的 '\r'
if (s_cmd_len > 0 && s_cmd_buf[s_cmd_len - 1] == '\r')
s_cmd_len--;
s_cmd_buf[s_cmd_len] = '\0'; // 字符串终止
if (s_cmd_len > 0)
Process_Command((const char *)s_cmd_buf);
s_cmd_len = 0; // 重置缓冲区，准备接收下一条命令
}
else if (s_cmd_len < CMD_BUF_SIZE - 1)
{
s_cmd_buf[s_cmd_len++] = ch;
}
// 缓冲区满时丢弃当前字符（防溢出）
// 重新启动下一次中断接收（必须！形成"永续接收"循环）
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &s_rx_byte, 1);
}
}
/* USER CODE END 4 */
永续接收机制图解：
HAL_UART_Receive_IT() ← 初始化：启动第一次中断接收
│
▼（每收到 1 字节，硬件触发中断）
HAL_UART_RxCpltCallback() ← 中断层：将字节追加到缓冲区
│
│ 收到 '\n' 时
▼
Process_Command() ← 应用层：解析并执行命令
│
▼
HAL_UART_Transmit() ← 回复层：发送执行结果
│
▼
HAL_UART_Receive_IT() ← 再次启动，形成持续接收循环
C.4.5 仿真验证步骤¶
- 编译工程，加载
.bin到 PicSimlab - 添加 UART Terminal，连接 PA9/PA10，波特率 115200
- 添加 8 个 LED（PA0~PA7）及板载 LED 指示（PC13）
- 运行仿真，在终端输入指令
- 预期现象：
发送: LED ON → 回复: OK: LED 已点亮
发送: WATER START → 回复: OK: 流水灯已启动 （LED 开始流水）
发送: STATUS → 回复: STATUS: LED=ON 流水灯=RUNNING
发送: WATER STOP → 回复: OK: 流水灯已停止
发送: HELLO → 回复: ERROR: 未知指令 'HELLO'
C.5 项目五：综合项目——智能温控风扇系统¶
C.5.1 项目目标¶
表 C-12 本项目是前四个项目的综合应用，将 ADC、PWM、USART 三个外设协同工作，实现一个具有实用价值的智能温控风扇系统。
| 要素 | 内容 |
|---|---|
| 功能描述 | 电位器模拟温度传感器，ADC 读取"温度"，根据温度自动调节 PWM 风扇转速，USART 打印实时数据 |
| 涉及接口 | ADC1、TIM3 PWM、USART1 |
| 核心知识 | 多外设协同、分段线性控制策略、系统状态机设计 |
| 扩展思考 | 如何接入真实温度传感器？如何引入 PID 控制器？ |
上表对 C.5.1 项目目标的核心信息进行了结构化整理，读者可根据需要快速查阅相关内容。
C.5.2 系统设计¶
系统框图：
┌──────────────────────────────────────────────────────────────┐
│ 智能温控风扇系统 │
│ │
│ [电位器] ──ADC──▶ [温度读取] ──▶ [控制逻辑] │
│ (PA1) (0~100°C) │ │
│ ├──PWM──▶ [风扇/LED] │
│ │ (PA0/TIM3) │
│ │ │
│ [USART1 监控] │
│ (PA9/PA10) │
└──────────────────────────────────────────────────────────────┘
温度-转速映射规则（分段控制）：
表 C-13 C.5.2 系统设计
| 模拟温度（°C） | ADC 范围 | 风扇状态 | PWM 占空比 |
|---|---|---|---|
| < 25°C | 0 ~ 1240 | 关闭 | 0% |
| 25 ~ 35°C | 1240 ~ 1860 | 低速 | 30% |
| 35 ~ 45°C | 1860 ~ 2480 | 中速 | 60% |
| > 45°C | 2480 ~ 4095 | 高速 | 100% |
系统工作模式：
- 自动模式（AUTO）： 根据温度自动控制转速（默认启动）
- 手动模式（MANUAL）： 通过串口
SET <0-100>指令直接设定占空比
C.5.3 CubeMX 配置¶
配置汇总：
PA0 → TIM3_CH1 (PWM 输出，控制风扇，1kHz)
PA1 → ADC1_IN1 (模拟输入，读取温度电位器)
PA9 → USART1_TX (串口发送)
PA10 → USART1_RX (串口接收，中断模式)
TIM3 参数（1kHz PWM，同项目二方法）：
表 C-14 C.5.3 CubeMX 配置
| 参数 | 值 |
|---|---|
| Prescaler | 71 |
| Counter Period | 999 |
| Pulse（初始） | 0 |
ADC1 参数： 使能 IN1（PA1），其余同项目三。
USART1： Baud Rate 115200，使能接收中断。
C.5.4 代码实现¶
宏定义与全局变量：
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
/* USER CODE END Includes */
/* USER CODE BEGIN PD */
#define PWM_PERIOD 999U // 与 CubeMX Period 一致
// 温度阈值（°C）
#define TEMP_LOW_THRESH 25U
#define TEMP_MID_THRESH 35U
#define TEMP_HIGH_THRESH 45U
// 各档 PWM 占空比（对应 0% / 30% / 60% / 100%）
#define DUTY_OFF 0U
#define DUTY_LOW 300U
#define DUTY_MID 600U
#define DUTY_HIGH 1000U
/* USER CODE END PD */
/* USER CODE BEGIN PV */
typedef enum { MODE_AUTO = 0, MODE_MANUAL = 1 } FanMode_t;
static FanMode_t s_mode = MODE_AUTO;
static uint32_t s_manual_duty = 0;
static uint8_t s_rx_byte = 0;
static uint8_t s_cmd_buf[64] = {0};
static uint8_t s_cmd_len = 0;
/* USER CODE END PV */
核心控制函数：
/* USER CODE BEGIN 0 */
int __io_putchar(int ch)
{
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 100);
return ch;
}
/**
* @brief 读取 ADC 并映射为模拟温度（0~100°C）
*/
static uint32_t Read_Temperature(void)
{
HAL_ADC_Start(&hadc1);
if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 100) == HAL_OK)
{
uint16_t v = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
HAL_ADC_Stop(&hadc1);
// 线性映射：ADC 全量程 0~4095 对应 0~100°C
return (uint32_t)v * 100UL / 4095UL;
}
HAL_ADC_Stop(&hadc1);
return 0;
}
/**
* @brief 分段控制：温度 → PWM 占空比
*/
static uint32_t Temp_To_Duty(uint32_t temp)
{
if (temp < TEMP_LOW_THRESH) return DUTY_OFF;
else if (temp < TEMP_MID_THRESH) return DUTY_LOW;
else if (temp < TEMP_HIGH_THRESH) return DUTY_MID;
else return DUTY_HIGH;
}
/**
* @brief 设置风扇 PWM 占空比
*/
static void Fan_Set_Duty(uint32_t duty)
{
if (duty > PWM_PERIOD) duty = PWM_PERIOD;
__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, duty);
}
/* USER CODE END 0 */
串口命令处理（AUTO / SET / STATUS）：
/* USER CODE BEGIN 4 */
static void Process_Command(const char *cmd)
{
char reply[80] = {0};
if (strcmp(cmd, "AUTO") == 0)
{
s_mode = MODE_AUTO;
snprintf(reply, sizeof(reply), "OK: 切换为自动模式\r\n");
}
else if (strncmp(cmd, "SET ", 4) == 0)
{
int pct = atoi(cmd + 4); // 解析百分比数值
if (pct >= 0 && pct <= 100)
{
s_mode = MODE_MANUAL;
s_manual_duty = (uint32_t)pct * PWM_PERIOD / 100U;
Fan_Set_Duty(s_manual_duty);
snprintf(reply, sizeof(reply),
"OK: 手动模式，占空比 = %d%%\r\n", pct);
}
else
{
snprintf(reply, sizeof(reply), "ERROR: 占空比范围 0~100\r\n");
}
}
else if (strcmp(cmd, "STATUS") == 0)
{
uint32_t duty = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
snprintf(reply, sizeof(reply),
"MODE=%s DUTY=%lu/%u (%.1f%%)\r\n",
s_mode == MODE_AUTO ? "AUTO" : "MANUAL",
duty, PWM_PERIOD,
(float)duty / PWM_PERIOD * 100.0f);
}
else
{
snprintf(reply, sizeof(reply), "ERROR: 未知指令 '%s'\r\n", cmd);
}
HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)reply, strlen(reply), 200);
}
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
if (huart->Instance == USART1)
{
uint8_t ch = s_rx_byte;
if (ch == '\n')
{
if (s_cmd_len > 0 && s_cmd_buf[s_cmd_len - 1] == '\r')
s_cmd_len--;
s_cmd_buf[s_cmd_len] = '\0';
if (s_cmd_len > 0)
Process_Command((const char *)s_cmd_buf);
s_cmd_len = 0;
}
else if (s_cmd_len < 63)
{
s_cmd_buf[s_cmd_len++] = ch;
}
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &s_rx_byte, 1);
}
}
/* USER CODE END 4 */
主函数初始化与控制主循环：
/* USER CODE BEGIN 2 */
HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1); // 启动 PWM 输出
HAL_UART_Receive_IT(&huart1, &s_rx_byte, 1); // 启动中断接收
printf("===== 智能温控风扇系统 =====\r\n");
printf("指令: AUTO | SET <0-100> | STATUS\r\n\r\n");
/* USER CODE END 2 */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
uint32_t last_report = 0; // 上次打印时间戳
while (1)
{
uint32_t now = HAL_GetTick(); // 获取系统时间（ms）
uint32_t temp = Read_Temperature(); // 读取模拟温度
// 自动模式：根据温度查表更新 PWM
if (s_mode == MODE_AUTO)
{
Fan_Set_Duty(Temp_To_Duty(temp));
}
// 每 1 秒打印一次状态
if (now - last_report >= 1000U)
{
last_report = now;
uint32_t cur_duty = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
printf("[%5lu ms] 温度: %2lu°C 转速: %5.1f%% 模式: %s\r\n",
now, temp,
(float)cur_duty / PWM_PERIOD * 100.0f,
s_mode == MODE_AUTO ? "AUTO" : "MANUAL");
}
HAL_Delay(100); // 100ms 控制周期
}
/* USER CODE END WHILE */
C.5.5 仿真验证步骤¶
- 编译工程，加载
.bin到 PicSimlab - 添加 Potentiometer（连接至 PA1，模拟温度传感器，两端接 VCC/GND）
- 添加 LED（连接至 PA0，模拟风扇，PWM 亮度直观反映转速）
- 添加 Oscilloscope（探针接 PA0，观察 PWM 占空比变化）
- 添加 UART Terminal（连接 PA9/PA10，波特率 115200）
- 运行仿真，旋转电位器模拟温度变化
预期 UART 输出：
===== 智能温控风扇系统 =====
指令: AUTO | SET <0-100> | STATUS
[ 1000 ms] 温度: 20°C 转速: 0.0% 模式: AUTO
[ 2000 ms] 温度: 30°C 转速: 30.0% 模式: AUTO
[ 3000 ms] 温度: 40°C 转速: 60.0% 模式: AUTO
[ 4000 ms] 温度: 55°C 转速: 100.0% 模式: AUTO
[ 5000 ms] 温度: 55°C 转速: 50.0% 模式: MANUAL ← 输入 SET 50 后
扩展思考与练习：
🔧 思考题 1： 当前控制策略为"分段开关量"，存在转速突变的问题。如何改为连续线性映射（如温度每升高 1°C，占空比增加 2%）？
🔧 思考题 2： 如果风扇有机械惯性，转速不能突变，应如何设计斜坡函数（Slew Rate Limiter）使占空比平滑过渡？
🔧 思考题 3： 现实中温度传感器 DS18B20 使用 1-Wire 单总线协议，LM75 使用 I2C 协议，如何用 STM32 对应接口驱动它们？下一章将讨论 I2C/SPI 总线的编程方法。
C.6 本章小结¶
本章以 PicSimlab 仿真平台为基础，通过五个由浅入深的项目，系统覆盖了 STM32 最常用的基础接口编程。
各项目知识点汇总：
表 C-15 C.6 本章小结
| 项目 | 涉及接口 | 核心 API | 难度 |
|---|---|---|---|
| 项目一：流水灯 | GPIO 输出 + EXTI 中断 | HAL_GPIO_WritePin、HAL_GPIO_EXTI_Callback |
⭐⭐ |
| 项目二：呼吸灯 | TIM / PWM 输出 | HAL_TIM_PWM_Start、__HAL_TIM_SET_COMPARE |
⭐⭐⭐ |
| 项目三：电压表 | ADC + USART | HAL_ADC_PollForConversion、HAL_ADC_GetValue |
⭐⭐⭐ |
| 项目四：控制台 | USART 中断接收 | HAL_UART_Receive_IT、HAL_UART_RxCpltCallback |
⭐⭐⭐⭐ |
| 项目五：温控风扇 | ADC + PWM + USART | 多外设协同、控制逻辑状态机 | ⭐⭐⭐⭐⭐ |
STM32 外设编程通用三步法：
① 初始化（CubeMX 自动生成）
MX_XXX_Init();
② 启动（代码中手动调用）
HAL_XXX_Start(...)
HAL_XXX_Receive_IT(...)
③ 使用（主循环或回调中操作）
HAL_XXX_DoSomething(...)
void HAL_XXX_Callback(...) { ... }
本章知识体系回顾：
图 C-1
🚀 展望： 下一章将在本章基础上引入 I2C / SPI 总线与 FreeRTOS 实时操作系统，学习如何用多任务架构管理更复杂的机器人控制逻辑——让 ADC 采样、PWM 控制、串口通信各跑在独立任务中，彻底解耦系统模块，迈向工程级嵌入式开发。
C.7 本章测验¶
Quiz results are saved to your browser's local storage and will persist between sessions.
#
1) PicSimlab 仿真 STM32 时，其底层依赖的仿真引擎是：
#
2) 在 CubeMX 中将 GPIO 配置为"推挽输出（Push-Pull）"，其含义是：
#
3) 项目一"GPIO 流水灯"中，使用 HAL 库控制引脚翻转最简洁的函数是：
#
4) 配置 TIM2 输出 PWM，若系统时钟 72 MHz、预分频 PSC=71、自动重载 ARR=999，则 PWM 频率为：
#
5) 在 PWM 呼吸灯项目中，动态改变占空比的正确 HAL 调用方式是：
#
6) STM32F103 的 ADC 分辨率为 12 位，参考电压为 3.3V，若读取值为 2048，对应电压约为：
#
7) 在 ADC 数字电压表项目中，将 printf 重定向到串口的关键做法是：
#
8) USART 中断接收项目中，每次 HAL_UART_RxCpltCallback 回调触发后必须做的操作是：
#
9) 综合项目"智能温控风扇"中，PWM 占空比根据 ADC 采样温度值分段控制。以下哪种控制策略描述正确？
#
10) 关于 PicSimlab 仿真环境的局限性，以下说法正确的是：
Quiz Progress
0 / 0 questions answered (0%)
0 correct