STM32单片机开发：按键控制LED灯实验

郎哥
STM32单片机开发
9天前
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在控制LED灯仿真实验中，我们初步了解了GPIO的功能和使用方法。本文通过按键控制LED灯实验，进一步介绍GPIO的模式配置。

GPIO的八种工作模式

要让GPIO按照设定的需求工作，必须要把GPIO配置为相应的模式，如在控制LED灯仿真实验中，如果将GPIOA配置为输入模式，实验就不会正常工作。下面结合GPIO基本结构图，来探讨GPIO的8种模式及其应用场合。

GPIO基本结构图最右端为I/O引脚，左端的器件位于芯片内部，在I/O引脚两侧并联了两个用于保护的二极管。GPIO基本结构图按照输入模式和输出模式，分为上下两个部分：上半部分为输入模式结构；下半部分为输出模式结构。

输入模式结构

输入模式分为上拉输入模式、下拉输入模式、浮空输入模式和模拟输入模式。四种输入模式主要通过上拉电阻、下拉电阻、TTL施密特触发器、两个连接上拉和下拉电阻的开关实现。与VDD相连的为上拉电阻，与VSS相连的为下拉电阻，TTL施密特触发器主要把输入的电压信号转换为0、1数字信号存储到输入数据寄存器，两个开关的断开与闭合可以通过GPIO配置寄存器（CRL、CRH）控制。

I/O引脚配置为上拉输入模式时，与上拉电阻连接的开关闭合，读取的I/O引脚电压在无输入默认状态下为高电平；I/O引脚配置为下拉输入模式时，与下拉电阻连接的开关闭合，读取的I/O引脚电压在无输入默认状态下为低电平；I/O引脚配置浮空输入模式时，在芯片内部既没有接上拉电阻，也没有接下拉电阻，经由触发器输入，在该模式下I/O引脚电压不确定；I/O引脚配置为模拟输入模式时，施密特触发器关闭，也不接上拉和下拉电阻，经另一条线路将输入的电压信号传输到片上外设模块，如传送至ADC模块。

输出模式结构

输出模式分为推挽输出模式、开漏输出模式、复用推挽输出模式和复用开漏输出模式。四种输出模式主要通过P-MOS管和N-MOS管实现。I/O引脚配置为推挽输出模式时，若引脚输出高电平3.3V，P-MOS管导通，若引脚输出低电平0V，则N-MOS导通，两个管子轮流导通，一个负责灌电流，一个负责拉电流；I/O引脚配置为开漏输出模式时，当控制I/0引脚输出0时，N-MOS管导通使输出接地，该引脚输出低电平，当控制I/0引脚输出1时，该引脚既不输出高电平，也不输出低电平，为高阻状态。

普通推挽输出模式一般应用在输出电平为0v和3.3V的场合，普通开漏输出模式一般应用在电平不匹配的场合，如需要输出5V的高电平，就需要在外部接一个上拉电阻，电源为5V，由上拉电阻和电源对外输出5V的高电平。

设计按键控制发光二极管电路

启动proteus8，新建仿真工程，绘制如下电路图。

按键一端接PC0引脚，另一端接地。PC0引脚同时接入一个上拉电阻R3，R3的一端接电源，将PC0端口钳位在5V。按键按下后，PC0端口通过按键接地，端口电压降至0V，程序不断轮询PCO端口电平，当PC0端口电平变化为0V时，说明按键被按下。

为方便观察PC0端口的电平变化，引入一个虚拟直流电压表，随时监测PC0端口的电平变化。虚拟直流电压表的名称为“DC VOLTMETER”，单击下图所示的工具栏图标可以选择虚拟仪器。

编写程序

PC0端口应配置那种工作模式？按键的一端连接PC0端口，另一端接地，与按键连接的PC0端口会被上拉电阻钳位在高电平，键盘检测程序会持续检测PC0端口的电平，若检测到该端口由高电平变为低电平，说明与该端口连接的按键被按下，因为按键闭合后，相当于PC0端口通过按键与地直接连接，导致PC0端口变为低电平。因此PC0端口应配置为上拉输入模式，默认为高电平。

启动STM32CubeIDE，新建STM32工程，固件选择STM32F103R6T6A，工程名称为STM32ButtonLed。

STM32CubeIDE已经为我们创建了基本代码，具体实现代码还需要手动编写。本实验主要编辑工程内main.c文件，驱动单片机的GPIOA的PA8和PA9端口，GPIOC的PC0端口。PA8和PA9端口配置为推挽输出模式，PC0端口配置为上拉输入模式。

宏定义

#define PC0_VALUE GPIOC->IDR & 0x0001

PC0_VALUE读取GPIOC端口的输入数据寄存器（IDR）的低位（最低位，即第0位）。通过与0x0001进行按位与操作，可以只获取到PC0引脚的状态（0或1）。如果与PC0引脚连接的按键被被按下，则PC0_VALUE的结果为0；如果未被按下，则结果为1。

定义按键扫描函数

void KeyScan()
{
   unsigned short key_one = PC0_VALUE;  
   if( key_one == 0 )
   {
      delay(10);
      key_one = PC0_VALUE;
      if( key_one == 0 )
      {
         ControlLed(1);
      }
   }
   else
   {
      ControlLed(0);
   }
}

函数用于扫描按键状态，并根据状态控制LED。函数首先读取PC0引脚的状态到变量key_one，若key_one为0（意味着按键被按下），则执行一个延时操作delay(10)，延时操作的目的是消抖，即防止按键在按下时由于机械或电气原因导致的多次快速触发。延时后，再次读取PC0引脚的状态到key_one。如果此时仍为0，则确认按键确实被按下，调用ControlLed(1)函数来点亮LED。若最初读取的key_one不为0，直接调用ControlLed(0)函数来熄灭LED。

控制LED函数

void ControlLed(int open)
{
// 打开LED
if( open )
{
// PA9设置为低电平
GPIOA->ODR &= ~(1<<9);
// PA8设置为低电平
GPIOA->ODR &= ~(1<<8);


}
else
{
// PA9设置为高电平
GPIOA->ODR |= 1<<9;
// PA8设置为高电平
GPIOA->ODR |= 1<<8;


}
}

函数用于设置GPIOA的PA8和PA9引脚的输出电平，从而控制与其引脚连接的LED状态。

GPIOA->ODR &= ~(1<<9);将GPIOA的输出数据寄存器（ODR）的第9位清零（设置为低电平）。在STM32中，如果某个GPIO引脚配置为输出模式，并且ODR的相应位被清零，则该引脚将输出低电平。

GPIOA->ODR |= 1<<9;将GPIOA的输出数据寄存器（ODR）的第9位设置为1（因为1<<9的结果在第9位上有一个1，其他位都是0）。由于按位或运算的性质，若ODR的第9位原本就是1，这条语句不会改变它；如果原本是0，这条语句会将其设置为1。该语句的作用是确保GPIOA端口的第9位输出高电平。

初始化GPIO函数

void InitGPIO()
{
// 使能GPIOA
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
// 使能GPIOC
RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPCEN;
// 0到7位清零
GPIOA->CRH &= 0xffffff00;  
    // 位0置1，位4置1
    GPIOA->CRH |= 0x00000011;  


//PC0端口配置为上拉输入模式
GPIOC->CRL &= 0xfffffff0;  
    GPIOC->CRL |= 0x00000008;  
GPIOC->ODR |= 0x0001;


}

函数使能GPIOA和GPIOC端口，并配置GPIOA的PA8和PA9引脚为推挽输出模式，GPIOC的PC0引脚为上拉输入模式。

main函数

int main()
{
// 初始化GPIO
InitGPIO();
// 关闭发光二极管
ControlLed(0);
while(1)
{
KeyScan();
}
}

函数调用InitGPIO()初始化GPIOA和GPIOC端口，调用ControlLed()函数初始化LED状态。然后在循环内部调用KeyScan()函数。

实验结果

仿真程序运行后，与PC0端口连接的直流电压表显示为35V，按下按键，D1和D2会被点亮，直流电压表显示为0.0V，松开按键，D1和D2熄灭，直流电压表显示为5V。