以STM32单片机为控制核心的教学实验板的设计

杨 浩，李红岭，杜彬杰，杜新东，谢飞飞，田江龙

(甘肃农业大学 机电工程学院， 甘肃 兰州 730070)

1 引言

51系列的MCU为8位处理器，运行速度慢，集成资源较少，采用冯诺依曼存储结构，需要外围电路[1～3]，适合初学者，功能没有STM32强大，STM32为32位处理器采用哈佛结构，速度快，集成度高，有丰富的外围的接口，I2C、SPI、ADC、RTC、Timer、CRC、DMA、USART等多种外设，STM32单片机有固件函数库，所以程序模块化，接口简单[4，5]。

本实验开发板以STM32F103RCT6为控制核心，因为STM32F103RCT6具有64针脚256K字节的闪存存储器，并且每个I/O口具有两个32位配置寄存器，两个数据寄存器，每个I/O口有7种工作方式，系统时钟最大可达到72MHz、自带两个12位ADC转换器并且其每个最多有16个通道、4个16位通用定时器，两个高级定时器、内置RTC定时器用于计时，并板载多种实验电路，帮助同学们验证电子设计程序以及竞赛项目[6，9]。

2 硬件电路介绍

实验开发版以STM32F103RCT6单片机作为控制器，外围硬件电路为：时钟电路、电源电路、复位电路、跑马灯电路、按键输入电路、ADC转化电路、LCD显示电路、PWM波输出电路、I2C通信电路。STM32F103RCT6单片机通过按键电路、ADC、I2C接收信息处理后，发出信号给LED和LCD液晶屏幕给与显示，并输出PWM信号给电机使其做出相应的控制动作(图1)。

图1 实验板硬件组成框图

2.1 跑马灯实验电路

跑马灯实验的实验目的是让同学们了解I/O口

作为输出时其程序的配置过程，以及了解I/O的驱动能力，本实验板设置有两个LED显示电路，有不同的I/O口驱动，硬件电路上每个LED灯珠一段直接连接I/O口上另一端经电阻连接于电源正极，当I/O口输出低电平是LED导通并且发光，接口电路如图2所示。

图2 LED实验电路

2.2 按键实验电路

按键实验的实验目的是让同学们了解I/O口作为输入时的配置过程，以及如何通过程序来检测到按键状态。按键的一端接地一端直接连接在控制I/O上，接口电路如图3所示。

图3 按键实验电路

2.3 LCD显示实验电路

液晶显示模块为2.8吋的薄膜晶体管液晶显示器，通过STM32的普通I/O口模拟8080总线来控制TFTLCD并且支持65K色显示，显示分辨率为320×240。接口为16位的80并口，硬件接口电路如图4所示。

图4 LCD液晶显示接口电路

其中CS：TFTLCD片选信号。

WR：向TFTLCD写入数据。

RD：从TFTLCD读写数据。

D[15:0]：16位双向数据线。

RST：硬复位TFTLCD。

RS：命令/数据标志(0，读写命令：1，读写数据)。

2.4 PWM输出实验电路

PWM信号主要用以对电机或舵机控制本开发板中，专门设计了步进电机的舵机输出接口，步进电机包含转速控制端口和使能控制端、方向控制端，硬件接口电路如图5所示。

图5 PWM信号输出接口电路

3 软件设计

STM32的开发需要多个软件配合，编译软件为KEIL公司的MDK5，或是MDK4不同封装的芯片需要不同的软件，MDK5的功能是很强大的。使用C语言进行开发，集成编写、编译、连接、在线调试、仿真于一体。这里已最简单的跑马灯来介绍相关软件。

(1)定时器初始化流程图如图6所示。

图6 定时器初始化流程图

(2)PWM波输出主程序。

int main(void)

{

u16 led0pwmval=0;

u8 dir=1;

delay_init(); //延时函数初始化

...

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 结论

本次设计符合教学要求[10～12]，实验内容与教学内容密切配合，实验开发板中板载了多种实验电路，并且为了降低学习难度，提高同学们的学习兴趣，每个实验都配套了实验程序，不仅可实现如跑马灯、按键、ADC模数转换、LCD显示、定时器的PWM波的输出以及I2C通信等传统的单片机教学课程内容实验，还有摄像头模块、音频输入输出、以太网接口、USB-HID接口、SD卡接口等基础教学内容中涉及不多的实验，可用于同学们的SRTP项目设计和竞赛培训，为学生电子协会活动等更深层次的学习提供便利[13～15]。