STM32 入门教程：从零基础到项目实战

STM32 微控制器凭借其高性能、低功耗、丰富外设以及庞大的生态系统，成为工程师和开发者的首选。对于刚接触 STM32 的新手来说，面对复杂的芯片架构和开发流程，往往会感到无从下手。本文将以通俗易懂的语言，结合实际案例，带领大家从零开始，逐步掌握 STM32 的开发技能，助力大家在嵌入式开发的道路上迈出坚实的第一步。

目录

一、STM32 基础概念

1.1 STM32 简介

1.2 ARM Cortex-M 内核 

1.3 STM32 的优势 

二、STM32 硬件基础 

2.1 STM32 最小系统

2.2 开发板选择 

三、开发环境搭建 

 3.1 软件工具

3.2 安装步骤 

 3.3 调试工具

 四、STM32 编程基础

4.1 编程语言​

4.2 固件库与 HAL 库​

4.3 第一个 STM32 程序：点亮 LED 灯​

五、STM32 外设应用 

5.1 通用定时器（TIM） 

5.2 串行通信接口（USART）

5.3 模拟数字转换器（ADC）

六、实战项目：简易温湿度监测系统 

6.1 项目需求​

6.2 硬件设计​

6.3 软件设计​

七、总结与展望​

一、STM32 基础概念

1.1 STM32 简介

STM32 是意法半导体（ST）公司推出的基于 ARM Cortex-M 内核的 32 位微控制器。它涵盖了多个系列，如 F1、F4、H7 等，每个系列针对不同的应用场景，具有不同的性能和特性。例如，STM32F1 系列适合对成本和功耗敏感的基础控制应用；STM32F4 系列则在 F1 系列的基础上，增强了性能和外设功能，适用于对处理能力要求较高的应用，如工业控制、智能仪表等；STM32H7 系列更是以其极高的性能和丰富的外设，成为高端嵌入式应用的理想选择 。

1.2 ARM Cortex-M 内核 

ARM Cortex-M 内核是 STM32 的核心，它具有高性能、低功耗和低成本的特点。不同的 Cortex-M 内核版本（如 M0、M3、M4、M7 等）在性能和功能上有所差异。例如，Cortex-M0 内核简单易用，功耗极低，适合对成本和功耗要求苛刻的简单控制场景；Cortex-M4 内核在 M0 的基础上，增加了浮点运算单元（FPU）和数字信号处理（DSP）指令集，极大地增强了芯片在数字信号处理方面的能力，广泛应用于音频处理、电机控制等地方。 

1.3 STM32 的优势 

与其他微控制器相比，STM32 具有明显的优势。其一，丰富的外设资源，包括通用定时器（TIM）、串行通信接口（USART、SPI、I²C 等）、模拟数字转换器（ADC）、数字模拟转换器（DAC）等，能够满足各种不同的应用需求；其二，强大的生态系统，ST 官方提供了完善的固件库和 HAL 库，降低了开发难度，同时众多开发者社区和论坛也提供了大量的开源代码和技术资料，方便开发者学习和借鉴；其三，高性价比，在提供高性能和丰富功能的同时，保持了相对较低的成本，适合大规模应用。

二、STM32 硬件基础 

2.1 STM32 最小系统

STM32 最小系统是保证芯片正常运行的最基本电路，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路和调试接口电路。​

• 电源电路：STM32 通常支持多种电源供电，常见的供电电压为 3.3V。电源电路需要保证电压的稳定和纯净，一般会使用电源芯片进行电压转换，并通过滤波电容等元件去除电源噪声。​

• 时钟电路：时钟是 STM32 运行的 “心脏”，为芯片内部的各个模块提供工作时钟。STM32 通常有多个时钟源，包括高速外部时钟（HSE）、低速外部时钟（LSE）、高速内部时钟（HSI）和低速内部时钟（LSI）。HSE 一般使用晶体振荡器，为系统提供高精度的时钟；HSI 则是芯片内部的 RC 振荡器，精度相对较低，但启动速度快，常用于对时钟精度要求不高的场景。​

• 复位电路：复位电路用于将 STM32 的内部寄存器和外设恢复到初始状态，确保系统在异常情况下能够重新正常运行。常见的复位方式有上电复位、手动复位和软件复位。​

• 调试接口电路：调试接口用于程序的下载和调试，常用的调试接口有 JTAG 和 SWD。SWD 接口由于占用引脚少、调试速度快，逐渐成为主流的调试接口。

2.2 开发板选择 

对于初学者来说，选择一款合适的开发板至关重要。目前市面上比较受欢迎的 STM32 开发板有正点原子的 STM32 开发板系列、野火的 STM32 开发板系列以及 ST 官方的 Discovery 系列开发板等。​

• 正点原子开发板：资料丰富，配套教程详细，适合初学者系统学习。其开发板上外设齐全，包括 LED 灯、按键、LCD 显示屏、SD 卡接口等，能够满足各种实验和项目需求。​

• 野火开发板：同样具有完善的资料和教程，在电路设计和功能布局上也非常合理，而且野火社区活跃，开发者可以在社区中交流学习经验和解决遇到的问题。​

• ST 官方 Discovery 系列开发板：官方开发板具有权威性，能够及时获取官方最新的资料和支持。该系列开发板集成了丰富的传感器和外设，方便开发者快速上手体验 STM32 的各种功能

三、开发环境搭建 

 3.1 软件工具

• 集成开发环境（IDE）：常用的 IDE 有 Keil MDK 和 STM32CubeIDE。​

• Keil MDK：是一款功能强大且使用广泛的嵌入式开发工具，支持 ARM Cortex-M 内核，提供了完善的代码编辑、编译、调试等功能。它拥有友好的用户界面和丰富的调试手段，能够帮助开发者快速定位和解决问题。​

• STM32CubeIDE：是 ST 官方推出的集成开发环境，基于 Eclipse 框架，集成了 STM32CubeMX 配置工具。它能够通过图形化界面快速配置 STM32 的外设和时钟，自动生成初始化代码，大大提高了开发效率。​

• STM32CubeMX：是一款图形化的配置工具，能够帮助开发者快速配置 STM32 的引脚、时钟、外设等参数，并自动生成初始化代码。使用 STM32CubeMX 可以避免手动编写大量复杂的初始化代码，降低开发难度，提高开发效率。

3.2 安装步骤 

• Keil MDK 安装：​

1. 下载 Keil MDK 安装包，双击安装程序，按照安装向导提示进行安装，选择安装路径和相关组件。​

1. 安装完成后，需要安装 ARM 芯片支持包，以便支持 STM32 芯片的开发。在 Keil MDK 中，通过 “Pack Installer” 工具下载并安装所需的芯片支持包。​

• STM32CubeIDE 安装：​

1. 从 ST 官方网站下载 STM32CubeIDE 安装包，运行安装程序，按照提示完成安装过程。​

1. 安装完成后，打开 STM32CubeIDE，它会自动下载并安装必要的组件和支持文件。​

• STM32CubeMX 安装：​

1. 从 ST 官方网站下载 STM32CubeMX 安装包，安装过程较为简单，按照向导操作即可。​

1. 安装完成后，打开 STM32CubeMX，同样需要下载和安装所需的 STM32 芯片支持包。

 3.3 调试工具

常用的调试工具包括 ST - Link、J - Link 等。​

• ST - Link：是 ST 官方推出的调试下载工具，支持 SWD 和 JTAG 调试模式，与 STM32 芯片兼容性好，价格相对较低，是初学者常用的调试工具。​

• J - Link：由 SEGGER 公司推出，具有高速、稳定的特点，支持多种 ARM 内核芯片的调试，功能强大，但价格相对较高。​

将调试工具与开发板正确连接后，在 IDE 中进行相应的调试配置，即可进行程序的下载和调试。

 四、STM32 编程基础

4.1 编程语言​

STM32 开发常用的编程语言是 C 语言。C 语言具有高效、灵活、可移植性强等特点，能够直接操作硬件寄存器，充分发挥 STM32 的性能。在编写 STM32 程序时，需要熟悉 C 语言的基本语法，如变量定义、数据类型、控制语句（if - else、for、while 等）、函数定义和调用等。​

4.2 固件库与 HAL 库​

• 固件库：是 ST 官方早期推出的一套函数库，它对 STM32 芯片的寄存器操作进行了封装，开发者通过调用固件库函数来配置和使用 STM32 的外设。固件库函数功能强大，但学习成本相对较高，需要开发者对芯片的寄存器有一定的了解。​

• HAL 库：即硬件抽象层库，是 ST 官方推出的新一代函数库。HAL 库在固件库的基础上，进一步提高了代码的可移植性和易用性，通过统一的接口函数来操作不同系列的 STM32 芯片。使用 HAL 库开发程序，能够减少代码的重复编写，提高开发效率，同时也更方便在不同系列的 STM32 芯片之间进行移植 。​

4.3 第一个 STM32 程序：点亮 LED 灯​

下面以使用 HAL 库在 STM32F103C8T6 开发板上点亮 LED 灯为例，介绍 STM32 程序的开发流程。​

• 打开 STM32CubeMX：新建一个工程，选择对应的 STM32 芯片型号（如 STM32F103C8T6）。​
• 配置引脚：找到连接 LED 灯的 GPIO 引脚（假设 LED 灯连接在 PA5 引脚），将其配置为输出模式。​
• 配置时钟：根据开发板的晶振和需求，配置系统时钟，一般将 HSE 作为时钟源，并设置合适的分频和倍频系数，使系统时钟达到所需频率（如 72MHz）。​
• 生成代码：完成配置后，点击 “Generate Code” 按钮，选择使用的 IDE（如 Keil MDK），生成初始化代码框架。​
• 编写程序：在生成的 Keil MDK 工程中，找到主函数main.c，在while(1)循环之前添加初始化 LED 引脚的代码：​

• HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, GPIO_PIN_RESET); // 将PA5引脚输出低电平，点亮LED灯

• 编译下载：在 Keil MDK 中编译工程，确保没有错误和警告后，通过调试工具（如 ST - Link）将程序下载到开发板中，即可看到 LED 灯点亮。

五、STM32 外设应用 

5.1 通用定时器（TIM） 

通用定时器是 STM32 中非常重要的外设之一，它可以用于定时、计数、PWM 输出等功能。以定时功能为例，使用 STM32CubeMX 配置通用定时器的步骤如下：​

1. 在 STM32CubeMX 中打开工程，找到通用定时器（如 TIM2），将其使能。​
2. 配置定时器的时钟分频系数、自动重装载值等参数，以确定定时时间。例如，若系统时钟为 72MHz，设置分频系数为 72 - 1，自动重装载值为 9999，则定时时间为 (10000 * 1) / 72000000 = 0.139s 。​
3. 生成代码后，在主函数中开启定时器中断，并编写中断服务函数：

// 开启定时器中断HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 定时器中断服务函数void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim){ if(htim == &htim2) { // 在这里编写定时时间到达后的处理代码，如翻转LED灯状态 HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_5); }}

5.2 串行通信接口（USART）

USART 是 STM32 常用的串行通信接口，用于实现与其他设备的数据通信，如与电脑进行串口通信。使用 STM32CubeMX 配置 USART 的步骤如下：​

1. 使能 USART 外设（如 USART1），配置波特率、数据位、停止位、校验位等参数。例如，设置波特率为 115200bps，数据位为 8 位，停止位为 1 位，无校验位。​
2. 生成代码后，在主函数中发送和接收数据：

// 发送数据char data[] = \"Hello, STM32!\\r\\n\";HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)data, sizeof(data), 1000); // 接收数据uint8_t receive_data;HAL_UART_Receive(&huart1, &receive_data, 1, 1000); 

5.3 模拟数字转换器（ADC）

ADC 用于将模拟信号转换为数字信号，在采集传感器数据等应用中非常重要。使用 STM32CubeMX 配置 ADC 的步骤如下：​

1. 使能 ADC 外设（如 ADC1），选择要转换的通道（如通道 0），配置采样时间等参数。​
2. 生成代码后，在主函数中启动 ADC 转换并读取转换结果：

// 启动ADC转换HAL_ADC_Start(&hadc1); // 读取转换结果uint16_t adc_value;HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 1000);adc_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1); 

六、实战项目：简易温湿度监测系统 

6.1 项目需求​

设计一个基于 STM32 的简易温湿度监测系统，能够实时采集环境温度和湿度数据，并通过串口将数据发送到电脑显示。​

6.2 硬件设计​

• 传感器选择：选用 DHT11 温湿度传感器，它采用单总线通信协议，具有价格低廉、使用方便等特点。​

• 电路连接：将 DHT11 的数据引脚连接到 STM32 的一个 GPIO 引脚上（如 PB12），同时为 DHT11 提供 3.3V 电源和接地。​

6.3 软件设计​

• 使用 STM32CubeMX 配置系统时钟、USART（用于串口通信）和 GPIO 引脚（连接 DHT11 的引脚）。​
• 编写 DHT11 驱动程序，实现数据的读取。DHT11 的数据读取需要严格按照时序进行，以下是一个简单的 DHT11 数据读取函数示例：

void DHT11_Read_Data(uint8_t *temp, uint8_t *humi){ // 主机拉低18ms以上，发起一次通讯 DHT11_DATA_OUT_LOW; HAL_Delay(20); DHT11_DATA_OUT_HIGH; HAL_Delay(30); // 等待DHT11响应 while(DHT11_DATA_IN); while(!DHT11_DATA_IN); while(DHT11_DATA_IN); // 读取数据 uint8_t data[5] = {0}; for(uint8_t i = 0; i < 5; i++) { for(uint8_t j = 0; j < 8; j++) { while(!DHT11_DATA_IN); HAL_DelayMicroseconds(30); if(DHT11_DATA_IN) { data[i] |= (1 << (7 - j)); } while(DHT11_DATA_IN); } } // 校验数据 if((data[0] + data[1] + data[2] + data[3]) == data[4]) { *humi = data[0]; *temp = data[2]; }}

• 在主函数中调用 DHT11 读取函数，获取温湿度数据，并通过 USART 将数据发送到电脑：

int main(void){ HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_USART1_UART_Init(); uint8_t temperature, humidity; char send_data[50]; while (1) { DHT11_Read_Data(&temperature, &humidity); sprintf(send_data, \"Temperature: %d℃, Humidity: %d%%\\r\\n\", temperature, humidity); HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)send_data, strlen(send_data), 1000); HAL_Delay(2000); }}

七、总结与展望​

通过本文的学习，相信大家已经对 STM32 有了一个全面的了解，掌握了从硬件基础、开发环境搭建到编程开发和外设应用的基本技能，并完成了一个简单的实战项目。但这只是 STM32 开发的入门阶段，STM32 还有更多强大的功能和复杂的应用等待我们去探索。在未来的学习和实践中，大家可以进一步深入研究 STM32 的高级功能，如 RTOS（实时操作系统）移植、图形界面开发等，不断提升自己的嵌入式开发能力。​

希望本文能够对大家学习 STM32 有所帮助，如果在学习过程中遇到任何问题，欢迎在评论区留言交流，也可以加入相关的技术交流群，与更多的开发者共同学习进步。