STM32按键控制灯闪烁与停止

引言

在嵌入式系统的开发中，按键控制灯光等设备的闪烁与停止是一个常见的应用场景。STM32作为一款高性能的微控制器，凭借其丰富的外设、强大的计算能力和灵活的中断机制，成为许多嵌入式应用的首选。在本篇文章中，我们将详细介绍如何利用STM32通过按键控制LED灯的闪烁与停止，具体讲解其原理、硬件设计、软件实现以及代码示例。

一、STM32简介

STM32微控制器是STMicroelectronics公司推出的一款基于ARM Cortex-M核心的32位单片机系列。STM32系列产品拥有广泛的应用场景，涉及通信、家电、工业自动化、汽车电子等多个领域。STM32的高性能、低功耗、丰富的外设接口使其成为开发嵌入式系统的理想平台。

STM32提供多种型号的芯片，涵盖了不同的存储容量、外设数量、性能等级等。例如，STM32F1系列适用于中低端应用，STM32F4系列适合对性能有较高要求的场合，STM32L系列则针对低功耗设计。本文中的示例代码基于STM32F1系列的单片机，主要采用了GPIO（通用输入输出）和外部中断来控制LED灯的闪烁与停止。

二、按键与LED的工作原理

在该实验中，我们使用一个按键和一个LED灯进行交互。按键的作用是触发一个中断，进而控制LED灯的状态。按键按下时，LED灯开始闪烁；再次按下时，LED灯停止闪烁。具体的工作原理可以通过以下步骤描述：

1. 按键输入：当按键按下时，STM32通过外部中断检测按键的状态变化。

2. LED控制：根据按键的状态，STM32通过控制GPIO输出高低电平来实现LED的点亮或熄灭。如果按下时要求LED闪烁，则在定时器中设置周期性的控制信号。

3. 按键去抖动：物理按键在按下和松开时会产生抖动，这会导致STM32接收到多次误触发信号。因此，需要在程序中加入去抖动的处理。

4. 定时器控制：使用STM32的定时器来周期性地控制LED闪烁的时长。

三、硬件设计

1. 按键连接：我们将一个按键连接到STM32的一个GPIO引脚。按键的另一端接地。通过配置STM32的引脚为输入模式，并使用外部中断来检测按键状态变化。

2. LED连接：LED灯的正极接到STM32的一个GPIO引脚，负极通过限流电阻接地。当STM32的引脚输出高电平时，LED灯点亮；输出低电平时，LED灯熄灭。

3. 外部中断：外部中断用于检测按键的按下和松开。当按键被按下时，外部中断会触发中断服务程序，执行控制LED闪烁的逻辑。

在硬件方面，连接的电路非常简单，但我们需要确保在按键按下时产生稳定的电平变化，以避免因抖动而产生多次触发。通常，我们可以在按键电路中使用一个简单的去抖电路，或者在程序中进行去抖处理。

四、软件设计

1. 初始化阶段

   在程序的初始化阶段，首先需要配置STM32的相关硬件资源，如GPIO、外部中断、定时器等。我们假设LED连接在GPIOA的第5引脚，按键连接在GPIOB的第0引脚。我们需要配置GPIOA和GPIOB为输入输出模式，并启用外部中断。

2. GPIO配置

   GPIO的配置是控制LED灯和检测按键输入的基础。我们需要配置STM32的GPIO引脚为合适的输入输出模式。

   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   
   // 配置LED引脚 (PA5) 为推挽输出
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
   
   // 配置按键引脚 (PB0) 为浮空输入
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
   GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
   

3. 外部中断配置

   外部中断用于检测按键的按下和松开。当按键按下时，外部中断会触发中断服务程序。中断服务程序中的逻辑控制LED的闪烁与停止。

   EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
   
   // 配置外部中断线 (EXTI_Line0) 为上升沿触发
   EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
   EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
   EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
   EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
   EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
   

4. 定时器配置

   定时器用于控制LED的闪烁频率。我们可以设置定时器周期，周期性地切换LED的状态，以实现闪烁效果。

   TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;
   
   // 配置定时器 (TIM2) 的周期和时钟
   TIM_InitStructure.TIM_Period = 999; // 设置定时器的周期为1秒
   TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 配置定时器的预分频器
   TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
   TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
   TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStructure);
   
   // 启动定时器
   TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
   

5. 去抖动处理

   为了避免按键的抖动造成误触发，我们可以在中断服务程序中增加去抖动的处理。例如，我们可以在按键按下后等待一段时间，确认按键确实被按下。

   #define DEBOUNCE_DELAY 50 // 去抖动延迟时间，单位毫秒
   
   void delay(uint32_t ms) {
       uint32_t i;
       for (i = 0; i < ms * 1000; i++) {
           __NOP();
       }
   }
   
   // 中断服务程序
   void EXTI0_IRQHandler(void) {
       if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
           delay(DEBOUNCE_DELAY); // 去抖动
           EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
           // 切换LED闪烁状态
           LED_Flashing_State = !LED_Flashing_State;
           if (LED_Flashing_State) {
               TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 启动定时器，开始闪烁
           } else {
               TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); // 停止定时器，停止闪烁
               GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 确保LED熄灭
           }
       }
   }
   

6. LED闪烁控制

   在定时器中断中，我们根据LED闪烁的状态切换LED的开关。具体操作是在定时器中断服务程序中判断LED闪烁状态，周期性地改变GPIOA的输出电平，从而实现LED的闪烁效果。

   // 定时器中断服务程序
   void TIM2_IRQHandler(void) {
       if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
           TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
           if (LED_Flashing_State) {
               GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_5); // 切换LED的状态
           }
       }
   }
   

五、完整代码示例

#include "stm32f10x.h"

// LED闪烁状态
volatile uint8_t LED_Flashing_State = 0;

void delay(uint32_t ms) {
    uint32_t i;
    for (i = 0; i < ms * 1000; i++) {
        __NOP();
    }
}

int main(void) {
    // 初始化GPIO、外部中断和定时器
    SystemInit();
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
   EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_InitStructure;

    // 配置LED引脚 (PA5) 为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 配置按键引脚 (PB0) 为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

    // 配置外部中断线 (EXTI_Line0) 为上升沿触发
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    // 配置定时器 (TIM2) 的周期和时钟
    TIM_InitStructure.TIM_Period = 999; // 设置定时器的周期为1秒
    TIM_InitStructure.TIM_Prescaler = 7199; // 配置定时器的预分频器，定时器时钟为10kHz
    TIM_InitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_InitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_InitStructure);

    // 启动定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);

    // 配置定时器中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);

    // 启用中断
    NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);  // 外部中断
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);   // 定时器中断

    while (1) {
        // 主循环什么都不做，等待中断触发
    }
}

// 外部中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void) {
    if (EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET) {
        // 去抖动处理
        delay(50);  // 延时50毫秒以去抖
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);  // 清除中断标志

        // 切换LED闪烁状态
        LED_Flashing_State = !LED_Flashing_State;

        // 控制LED的闪烁与停止
        if (LED_Flashing_State) {
            TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);  // 启动定时器，开始闪烁
        } else {
            TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);  // 停止定时器，停止闪烁
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);  // 确保LED熄灭
        }
    }
}

// 定时器中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);

        // 在定时器中断中周期性地切换LED状态
        if (LED_Flashing_State) {
            GPIO_ToggleBits(GPIOA, GPIO_Pin_5);  // 切换LED状态
        }
    }
}

六、代码说明

1. GPIO配置：在代码中，我们通过GPIO_Init()函数配置了LED连接的引脚PA5为推挽输出模式，并将按键连接的引脚PB0配置为浮空输入模式。这样，当按下按键时，STM32可以通过外部中断检测到按键的状态变化。

2. 外部中断配置：通过EXTI_Init()函数，我们将PB0引脚配置为外部中断输入，并且设定为在按键按下时（即PB0引脚上升沿触发）触发中断。外部中断触发后，会进入EXTI0_IRQHandler()函数，执行LED闪烁的控制逻辑。

3. 定时器配置：通过TIM_TimeBaseInit()函数，我们配置了定时器TIM2的时钟频率和周期。在本例中，定时器周期设为999，并且预分频器设为7199，使得定时器每1000个计数周期触发一次中断，从而实现LED灯的闪烁效果。

4. 中断服务程序：

• EXTI0_IRQHandler()：在按键按下时触发，处理按键去抖并切换LED的闪烁状态。如果LED开始闪烁，启动定时器；如果LED停止闪烁，停止定时器并熄灭LED。

• TIM2_IRQHandler()：定时器中断服务程序，每当定时器达到设定周期时，切换LED灯的状态，实现LED闪烁。

5. 去抖动处理：按键的物理特性可能会导致按下和松开时产生抖动信号，从而导致多个中断触发。为了避免误触发，我们在EXTI0_IRQHandler()函数中加入了一个delay()函数，通过延时来消除抖动。

6. LED控制：LED的控制依赖于GPIO输出。定时器周期性地切换PA5引脚的状态，实现LED的闪烁效果。如果LED闪烁状态被关闭，定时器停止，LED熄灭。

七、实验结果与调试

通过上述代码，我们可以实现按键控制LED灯的闪烁与停止。每次按下按键，LED灯会开始闪烁，再次按下时，LED灯会停止闪烁。实际的调试步骤可以包括以下几个方面：

1. 按键去抖动测试：为了确保按键触发的稳定性，可以使用示波器观察按键输入的电平变化，确认去抖动功能有效。

2. LED闪烁频率调试：根据需求调整定时器的周期和预分频器，以获得期望的闪烁频率。

3. 硬件连接确认：确保LED和按键的连接没有问题，检查LED是否正确亮起，以及按键是否能正确触发外部中断。

八、优化与扩展

1. 增加按键长按功能：目前的设计只支持单次按键切换LED状态。可以扩展按键的功能，通过长按按键来控制LED的闪烁频率或颜色变化。

2. 多灯控制：通过多个GPIO引脚连接多个LED灯，利用定时器分别控制不同LED灯的闪烁模式，甚至实现LED灯的流水效果。

3. 低功耗设计：在实际应用中，可能需要考虑系统的功耗问题。可以使用STM32的低功耗模式，在按键未按下时进入待机模式，减少功耗。

九、总结

本文详细介绍了如何使用STM32按键控制LED灯的闪烁与停止。通过配置GPIO、外部中断和定时器，我们实现了按键控制LED闪烁的功能。通过去抖动和定时器中断服务程序，确保了系统的稳定性与可靠性。通过本文的学习，读者可以了解STM32的GPIO配置、外部中断机制、定时器的使用以及中断服务程序的编写方法，为进一步开发更复杂的嵌入式应用奠定基础。