STM32入门教程-2023版【3-3】gpio输入

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大家好，我是硬核王同学，最近在做免费的嵌入式知识分享，帮助对嵌入式感兴趣的同学学习嵌入式、做项目、找工作! 

上两小节我们已经把GPIO的结构和8种输入输出模式都讲完了，到这里还不懂的可以回头看一下。

 一、硬件介绍

（1）按键介绍

• 按键：常见的输入设备，按下导通，松手断开（左下角的这个图片就是按键，上面白色的是按钮，下面是它的两个引脚）

• 按键抖动现象：由于按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断的，所以在按下和松手的瞬间会伴随有一连串的抖动（通过下面这个波形就可以看到，假设按键没按下是高电平，按下了就是低电平，那在按下的瞬间，信号由高电平变为低电平时，就会来回的抖几下，这个抖动会比较快，通常在5~10ms之间，人眼是分辨不出来的，但是对于高速运行的单片机而言，5~10ms的时间还是很漫长的，所以我们要对这个抖动进行过滤，否则就会出现接键按一下，单片机却反映了多次的现象，另外在按键松手的时候，也会有一小段时间的抖动，也需要过滤。最简单的过滤办法就是加一段延时，把这个抖动时间耗过去，这样就没问题了）

（2）传感器模块介绍

从左到右分别是：光敏电阻传感器、热敏电阻传感器、对射式红外传感器、反射式红外传感器（它们的电路结构和工作原理都差不多）

工作原理：传感器元件（光敏电阻 / 热敏电阻 / 红外接收管等）的电阻会随外界模拟量的变化而变化，通过与定值电阻分压即可得到模拟电压输出 （电阻的变化不容易直接观察） ，再通过电压比较器进行二值化即可得到数字电压输出

下面这个图就是传感器模块的基本电路：

单独看这个模块，这个N1就是传感器元件所代表的的可变电阻，它的阻值可以根据环境的光线、温度等模拟量进行变化，上面这个R1，是和N1进行分压的定值电阻，R1和N1串联，一端接在VCCE极，一端接在GND负极，这就构成了基本的分压电路。

左边这个C2是一个滤波电容，它是为了给中间的电压输出进行滤波的，用来滤除一些干扰，保证输出电压波形的平滑.一般我们在电路里遇到这种一端接在电路中，另一端接地的电容，都可以考虑一下这个是不是滤波电容的作用，如果是滤波电容的作用，那这个电容就是用来保证电路稳定的，并不是电路的主要框架.

这时候我们在分析电路的时候，就可以先把这个电容给抹掉，这样就可以使我们的电路分析更加简单。那我们把这个电容抹掉，整个电路的主要框架就是定值电阻和传感器电阻的分压电路了。

在这里可以用分压定理来分析一下传感器电阻的阻值变化对输出电压的影响，当然我们还可以用上下拉电阻的思维来分析，当这个N1阻值变小时，下拉作用就会增强，中间的AO端的电压就会拉低，极端情况下，N1阻值为0，AO输出被完全下拉，输出0V。

当N1阻值变大，下拉作用就会减弱，中间的引脚由于R1的上拉作用，电压就会升高，极端情况下，N1阻值无穷大，相当于断路，输出电压被R1拉高至VCC。如

用上下拉电阻来分析电路的，可以举个例子来说明上下拉电阻的工作逻辑。

AO这个输出端你可以把它想象成一个放在屋里的水平杆子，R1上拉电阻相当于拴在屋顶的弹簧，将杆子往上拉，N1下拉电阻相当于拴在地面的弹簧，将杆子往下拉，N1这个电阻的阻值越小，弹簧的拉力就越强。

这个杆子的高度就相当于电路中的电压，如果只有上拉弹簧或者下拉弹簧，那杆子肯定被拉到了屋顶或者地面，在电路中就相当于中间点的电压为VCC或者GND。

那当两个弹簧相互拉扯的时候，中间的输出端就会向拉力强的一端偏移，至于偏移多少，就取决于两个弹簧的弹力之差了，如果上下拉弹簧的弹为一致，则杆子会处于居中的位置，也就是电路输出VCC/2的电压，如果上面的阻值小，拉力强，那输出电压就会变高；反之下面的阻值小，输出电压就会变低，如果阻值为0，在电路中就是短接的状态，那就相当于拉力无穷大了；如果上下拉电阻的阻值都为0，就是两个无穷大的为在对抗，在电路中呈现的状态就是电源短路，所以这种情况应该避免。

这个上拉电阻和下拉电阻，在单片机电路中会经常出现，比如弱上拉、弱下拉、强上拉、强下拉等，这里强和弱就指电阻阻值的大小，也就是这个弹簧弹力的大小，上拉和下拉就指是接到VCC还是GND，也就是这个杆子是拉向屋顶还是拉向地面，最终的输出电压就是在弹簧拉扯下最终杆子的高低。

在N1和R1这两个电阻的分压下，AO就是我们想要的模拟电压输出了，所以这里可以看到，这个AO电压就直接通过这个排针输出了，这就是AO电压的由来，仅需两个电阻分压即可得到

那接下来这个模块还支持有数字输出，这个数字输出就是对AO进行二值化的输出，这里二值化是通过这个芯片LM393来完成的，这个LM393是一个电压比较器芯片，红框圈的里面有两个独立的电压比较器电路，然后剩下的是VCC和GND供电，那我们VCC就接到了电路的VCC，GND也接到了电路的GND，最左边这里有个电容，是一个电源供电的滤波电容（这个电压比较器其实就是一个运算放大器，有关运算放大器的知识，我在51单片机视频的AD/DA那一节有讲过，大家不会的可以去看一下）

当这个运算放大器为比较器，当这个同相输入端的电压大于反相输入端的电压时，输出就会瞬间升高为最大值也就是输出接VCC，反之当同相输入端的电压小于反相输入端的电压时，输出就会瞬间降低为最小值也就是输出接GND，这样就可以对一个模拟电压进行二值化了

实际的应用在这里，同相输入端IN+接到了AO这里，就是模拟电压端，IN-呢，接了一个R2电位器，这个电位器的接法也是分压电阻的原理，拧动电位器，IN-就会生成一个可调的闻值电压

两个电压进行比较，最终输出结果就是DO，数字电压输出DO最终就接到了引脚的输出端，这就是数字电压的由来

右边这里还有两个指示灯电路，左边的是电源指示灯，通电就亮，右边的是DO输出指示灯，它可以指示DO的输出电平，那右边DO这里还多了个R5上拉电阻，这个是为了保证默认输出为高电平的

最右边就是P1的排针，分别是VCC、GND、DO和AO

对于光敏电阻传感器来说，这个N1就是光敏电阻；对于热敏电阻传感器来说，这个N1就是热敏电阻；

对应这个红外传感器来说，这个N1就是一个红外接收管，当然对应还会多一个点亮红外发射管的电路在这里，发射管发射红外光，接收管接收红外光，模拟电压就表示的是接收光的强度，那这个模块的这里，电位器是直接换成了两个电阻进行分压，这样数字输出就是固定闯值的二值化了，这个模块通常用来检测通断，所以阈值也不需要过多的调整

那最后一个模块也是一个红外发射管和接收管， 只不过它是向下发射红外光，然后检测反射光的，这个可以用来做寻迹小车

（3）硬件电路

按键

最上面两个是下接按键的方式，最下面两个是上接按键的方式，一般来说我们的按键都是用上两种方式，也就是下接的方式，这个原因跟LED的接法类似，是电路设计的习惯和规范

第一种接法是按键的最常用的接法了，随便选取一个GPIO口，比如PA0，然后通过K1接到地，当按键按下时，PA0被直接下拉到GND，此时读取PAO口的电压就是低电平.

当按键松手时，PA0被悬空，引脚电压会不确定，所以在这种接法下，必须要求PA0是上拉输入的模式，否则就会出现引脚电压不确定的错误现象。

如果PA0是上拉输入模式，按下按键，引脚为低电平，松手，引脚为高电平

第二种接法，相比较第一个图，在这里外部接了一个上拉电阻，这个上拉电阻大家可以想象成一个弹簧，把这个端口向屋顶上拉，当按键松手时，引脚由于上拉作用，自然保持为高电平，当按键按下时，引脚直接接到GND，所以引脚就为低电平。

这种状态下，引脚不会出现悬空状态，所以此时PA0引脚可以配置为浮空输入或者上拉输入，如果是上拉输入，那就是内外两个上拉电阻共同作用了，这时高电平就会更强一些，对应高电平就更加稳定，当然这样的话，当引脚被强行拉到低时，损耗也就会大一些

第三种接法，PA0通过按键接到3.3V，这样也是可以的，不过要求PA0必须要配置成下拉输入的模式，当按键按下时，引脚为高电平，松手时，引脚回到默认值低电平。

这要求单片机的引脚可以配置为下拉输入的模式，一般单片机可能不一定有下拉输入的模式，所以最好还是用上面的接法，下面的作为扩展部分，大家了解一下即可

最后一种接法，就是在刚才的这种接法下面再外接一个下拉电阻，这个接法PA0需要配置为下拉输入模式或者浮空输入模式，和第二种类似

总结：上面两种接法，按键按下为低电平，松手为高电平；下面两种接法，按键按下为高电平，松手为低电平；左边两种接法必须要求引脚是上拉或下拉输入的模式；右边两种接法可以允许引脚是浮空输入的模式，因为已经外置了上拉电阻和下拉电阻，一般我们都用上面两种接法，下面两种接法用的较少

传感器模块

最右边的是传感器模块的电路，因为是使用模块的方案，所以电路还是非常简单的，这里VCC接3.3V，GND接GND，用于供电，DO数字输出随便接一个端口，比如PA0，用于读取数字量，AO模拟输出呢，我们之后学ADC模数转换器的时候再讲，现在还是不用接的

二、C语言学习

  

这里不再过多赘述，这里主要讲的一些C语言高级一点的知识，学过C语言的可以不用再学

没学过的，有需要可以点击这里观看视频学习

作 者 ：硬核王同学

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