基于STM32单片机流水灯仿真与程序设计

STM32单片机流水灯仿真与程序设计

摘要

本次程序设计和仿真是基于Proteus和keil的环境对STM32F103系列单片机进行流水灯设计，通过配置STM32的GPIO工作模式，实现LED的点亮和熄灭；通过配置8位流水灯程序设计，实现灯的流水实现。

关键字：Proteus、keil、STM32F103、GPIO

一、工程介绍

1.1、实现要求

用STM32一个端口接8个发光二极管，编写程序，实现从左到右轮流点亮8个二极管（即流水灯）

二、仿真电路设计

2.1、环境介绍

仿真采用Proteus 8.9 SP2安装链接

2.2、电路设计

第一步：在Proteus中的[P]选择所需要的零件有电阻RES、LED灯LED-GREEN最后还有单片机STM32F103R6

第二步：放置STM32F103R6单片机并设置VDDA、VSSA管脚以及NRST、VBAT和BOOT0

Design->Configure Power Rails ->Power Rails

第三步：放置八个LED

为什么LED接1K的电阻，这个可以参考链接2.2.2

三、STM32单片机GPIO口介绍

3.1、GPIO框图

GPIO总体分为7个部分:

1. 保护二极管及上、下拉电阻：保护二级管可以防止引脚外部过高或过低的电压输入
2. P-MOS 管和N-MOS 管：控制推挽输出和开漏输出
3. 输出数据寄存器：由输出数据寄存器GPIOX_ODR
4. 复用功能输出：STM32 的其它片上外设对GPIO 引脚进行控制
5. 输入数据寄存器：存储输入数据寄存器GPIOx_IDR
6. 复用功能输入：GPIO 引脚的信号传输到STM32 其它片上外设
7. 模拟输入输出：用于ADC 采集电压的输入通道

3.2、GPIO工作模式

GPIO 总共有8 种细分的工作模式

 typedef enum
 {
 GPIO_Mode_AIN = 0x0,              // 模拟输入
 GPIO_Mode_IN_FLOATING = 0x04,     // 浮空输入
 GPIO_Mode_IPD = 0x28,             // 下拉输入
 GPIO_Mode_IPU = 0x48,             // 上拉输入
 GPIO_Mode_Out_OD = 0x14,          // 开漏输出
 GPIO_Mode_Out_PP = 0x10,          // 推挽输出
 GPIO_Mode_AF_OD = 0x1C,           // 复用开漏输出
 GPIO_Mode_AF_PP = 0x18            // 复用推挽输出
 } GPIOMode_TypeDef;

稍加整理可以大致归类为以下三类：

1. 输入模式(模拟/浮空/上拉/下拉)

在输入模式时，施密特触发器打开，输出被禁止，可通过输入数据寄存器GPIOx_IDR
读取I/O 状态。其中输入模式，可设置为上拉、下拉、浮空和模拟输入四种。上拉和下拉
输入很好理解，默认的电平由上拉或者下拉决定。浮空输入的电平是不确定的，完全由外
部的输入决定，一般接按键的时候用的是这个模式。模拟输入则用于ADC 采集。

2. 输出模式(推挽/开漏)

在输出模式中，推挽模式时双MOS 管以轮流方式工作，输出数据寄存器GPIOx_ODR
可控制I/O 输出高低电平。开漏模式时，只有N-MOS 管工作，输出数据寄存器可控制I/O
输出高阻态或低电平。输出速度可配置，有2MHz\10MHz\50MHz 的选项。此处的输出速
度即I/O 支持的高低电平状态最高切换频率，支持的频率越高，功耗越大，如果功耗要求
不严格，把速度设置成最大即可。
在输出模式时施密特触发器是打开的，即输入可用，通过输入数据寄存器GPIOx_IDR
可读取I/O 的实际状态。

3. 复用功能(推挽/开漏)

复用功能模式中，输出使能，输出速度可配置，可工作在开漏及推挽模式，但是输出
信号源于其它外设，输出数据寄存器GPIOx_ODR 无效；输入可用，通过输入数据寄存器
可获取I/O 实际状态，但一般直接用外设的寄存器来获取该数据信号。
通过对GPIO 寄存器写入不同的参数，就可以改变GPIO 的工作模式，再强调一下，
要了解具体寄存器时一定要查阅《STM32F10X-中文参考手册》中对应外设的寄存器说明。
在GPIO 外设中，控制端口高低控制寄存器CRH 和CRL 可以配置每个GPIO 的工作模式和
工作的速度，每4 个位控制一个IO，CRH 控制端口的高八位，CRL 控制端口的低8 位，
具体的看CRH 和CRL 的寄存器描述。

四、程序设计

4.1、环境介绍

程序设计采用MDK 5.22安装链接

4.2、移位程序设计

/******************************************************************************
  * @brief  Water_LED：流水灯实现
 ******************************************************************************/
void Water_LED(void)
{
		unsigned  long int time = 0xFFFF;     //设置软件延时时间
		unsigned char Count = 0x00;           //设置流水起始地址
	  unsigned char Stars = 0xFE;             //设置流水灯初始状态
		unsigned char Move = 0x01;            //设置移动补偿
		while((!((Count++)&0x08)))            //循环实现8位流水灯
		{
			GPIOC->ODR = Stars;                //改变输出寄存器，改变端口状态
			while(time--);                     //软件延时高电平持续实现
			time = 0xFFFF;  
			GPIOC->ODR = 0xFF;                 //消抖实现
			Stars = (Stars<<1)|(Move);         //补偿实现 
      // Stars = 0xFE (1111 1110B)左移一位为（1111 1100B）为了补偿最后一个0 
      //Stars| Move =（1111 1100B）| 0000 0001B）=（1111 1101B）
			Move = Move*2;                    //Move = （0000 0010B）
			Move ++ ;                         //Move = （0000 0011B）
			while(time--);                    //软件延时低电平持续时间
			time = 0xFFFF;
		}
}

4.3、GPIO口设置

/******************************************************************************
  * @brief  Water_GPIO_Init：流水灯GPIO口初始化
 ******************************************************************************/
void Water_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_OUT_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC,ENABLE);//使能GPIO口时钟   
    GPIO_OUT_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1|GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_3|GPIO_Pin_4|GPIO_Pin_5|GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7;
	//选择指定管脚
	GPIO_OUT_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_OD;  //设置开漏输出
	GPIO_OUT_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_2MHz;  //设置输出频率
	GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_OUT_InitStructure);
	GPIOC->ODR = 0xFF;                                  //初始化后LED全熄灭
}

4.4、主程序设计

int main(void)
{ 
	SysClock_Configuration(RCC_PLLSource_HSI_Div2,RCC_CFGR_PLLMULL3);//设置系统时钟
	Water_GPIO_Init();                                               //流水灯GPIO口初始化
	while(1)
	Water_LED();                                                     //流水灯实现
}

五、结果分析与改进

1、流水程序设计是没有考虑GPIO8~15的状态，所以GPIOC高位以上的管脚要是用到其他功能，，可能会出问题

参考文献

1. STM32+Proteus中仿真串口的经验
2. Proteus8.6 仿真STM32F103的例子
3. Proteus8.8仿真stm32f401实现串口通信
4. Proteus 8.6如何仿真STM32
5. Proteus Pro 8.8 SP1 免费安装版
6. 安装 proteus 8.9 SP2