以STM32單片機為控制核心的教學實驗板的設計

楊 浩，李紅嶺，杜彬杰，杜新東，謝飛飛，田江龍

(甘肅農業大學 機電工程學院， 甘肅 蘭州 730070)

1 引言

51系列的MCU為8位處理器，運行速度慢，集成資源較少，采用馮諾依曼存儲結構，需要外圍電路[1～3]，適合初學者，功能沒有STM32強大，STM32為32位處理器采用哈佛結構，速度快，集成度高，有豐富的外圍的接口，I2C、SPI、ADC、RTC、Timer、CRC、DMA、USART等多種外設，STM32單片機有固件函數庫，所以程序模塊化，接口簡單[4，5]。

本實驗開發板以STM32F103RCT6為控制核心，因為STM32F103RCT6具有64針腳256K字節的閃存存儲器，并且每個I/O口具有兩個32位配置寄存器，兩個數據寄存器，每個I/O口有7種工作方式，系統時鐘最大可達到72MHz、自帶兩個12位ADC轉換器并且其每個最多有16個通道、4個16位通用定時器，兩個高級定時器、內置RTC定時器用于計時，并板載多種實驗電路，幫助同學們驗證電子設計程序以及競賽項目[6，9]。

2 硬件電路介紹

實驗開發版以STM32F103RCT6單片機作為控制器，外圍硬件電路為：時鐘電路、電源電路、復位電路、跑馬燈電路、按鍵輸入電路、ADC轉化電路、LCD顯示電路、PWM波輸出電路、I2C通信電路。STM32F103RCT6單片機通過按鍵電路、ADC、I2C接收信息處理后，發出信號給LED和LCD液晶屏幕給與顯示，并輸出PWM信號給電機使其做出相應的控制動作(圖1)。

圖1 實驗板硬件組成框圖

2.1 跑馬燈實驗電路

跑馬燈實驗的實驗目的是讓同學們了解I/O口

作為輸出時其程序的配置過程，以及了解I/O的驅動能力，本實驗板設置有兩個LED顯示電路，有不同的I/O口驅動，硬件電路上每個LED燈珠一段直接連接I/O口上另一端經電阻連接于電源正極，當I/O口輸出低電平是LED導通并且發光，接口電路如圖2所示。

圖2 LED實驗電路

2.2 按鍵實驗電路

按鍵實驗的實驗目的是讓同學們了解I/O口作為輸入時的配置過程，以及如何通過程序來檢測到按鍵狀態。按鍵的一端接地一端直接連接在控制I/O上，接口電路如圖3所示。

圖3 按鍵實驗電路

2.3 LCD顯示實驗電路

液晶顯示模塊為2.8吋的薄膜晶體管液晶顯示器，通過STM32的普通I/O口模擬8080總線來控制TFTLCD并且支持65K色顯示，顯示分辨率為320×240。接口為16位的80并口，硬件接口電路如圖4所示。

圖4 LCD液晶顯示接口電路

其中CS：TFTLCD片選信號。

WR：向TFTLCD寫入數據。

RD：從TFTLCD讀寫數據。

D[15:0]：16位雙向數據線。

RST：硬復位TFTLCD。

RS：命令/數據標志(0，讀寫命令：1，讀寫數據)。

2.4 PWM輸出實驗電路

PWM信號主要用以對電機或舵機控制本開發板中，專門設計了步進電機的舵機輸出接口，步進電機包含轉速控制端口和使能控制端、方向控制端，硬件接口電路如圖5所示。

圖5 PWM信號輸出接口電路

3 軟件設計

STM32的開發需要多個軟件配合，編譯軟件為KEIL公司的MDK5，或是MDK4不同封裝的芯片需要不同的軟件，MDK5的功能是很強大的。使用C語言進行開發，集成編寫、編譯、連接、在線調試、仿真于一體。這里已最簡單的跑馬燈來介紹相關軟件。

(1)定時器初始化流程圖如圖6所示。

圖6 定時器初始化流程圖

(2)PWM波輸出主程序。

int main(void)

{

u16 led0pwmval=0;

u8 dir=1;

delay_init(); //延時函數初始化

...

while(1)

{

delay_ms(10);

if(dir)led0pwmval++;

else led0pwmval--;

if(led0pwmval>300)dir=0;

if(led0pwmval==0)dir=1;

TIM_SetCompare2(TIM3,led0pwmval);

}

}

4 結論

本次設計符合教學要求[10～12]，實驗內容與教學內容密切配合，實驗開發板中板載了多種實驗電路，并且為了降低學習難度，提高同學們的學習興趣，每個實驗都配套了實驗程序，不僅可實現如跑馬燈、按鍵、ADC模數轉換、LCD顯示、定時器的PWM波的輸出以及I2C通信等傳統的單片機教學課程內容實驗，還有攝像頭模塊、音頻輸入輸出、以太網接口、USB-HID接口、SD卡接口等基礎教學內容中涉及不多的實驗，可用于同學們的SRTP項目設計和競賽培訓，為學生電子協會活動等更深層次的學習提供便利[13～15]。