STM32 GPIO实战：LED与按键控制

一、LED闪烁实验

实验简介

LED闪烁实验是嵌入式开发的"Hello World"，通过这个实验可以掌握STM32的GPIO配置、时钟控制和基本的编程逻辑。本实验将详细介绍两种常见的LED驱动方式及其应用场景。

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驱动方式

1. 共阴极接法

电路原理：

• LED阴极连接到GND，阳极通过限流电阻连接到STM32的GPIO引脚

• 当GPIO输出高电平时，LED点亮；输出低电平时，LED熄灭

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特点：

• 逻辑直观：高电平点亮，低电平熄灭

• 驱动能力依赖STM32的IO口输出电流（通常8-20mA）

• 电路简单，成本低

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适用场景：

• 单个LED控制

• 对驱动电流要求不高的应用

• 初学者学习实验

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2. 共阳极接法

电路原理：

• LED阳极连接到VCC（3.3V），阴极通过限流电阻连接到STM32的GPIO引脚

• 当GPIO输出低电平时，LED点亮；输出高电平时，LED熄灭

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特点：

• 逻辑反向：低电平点亮，高电平熄灭

• 当IO口驱动能力不足时可选用此接法

• 可利用三极管增强驱动能力

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适用场景：

• 需要驱动多个LED或高亮度LED

• IO口驱动能力不足的情况

• 需要电平转换的场合

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GPIO输出模式详解

通用推挽输出模式

工作原理：

推挽输出采用两个MOS管（P-MOS和N-MOS）组成推挽结构，能够主动输出高电平（3.3V）和低电平（0V），具有较强的驱动能力。

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适用场景：

• ✅ LED控制

• ✅ 驱动小功率器件

• ✅ 数字信号输出

• ✅ 需要较强驱动能力的场合

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电路分析：

• 输出高电平：P-MOS导通，N-MOS截止，输出3.3V

• 输出低电平：P-MOS截止，N-MOS导通，输出0V

• 输出电流：通常可达20mA（具体参考芯片数据手册）

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编程接口：

// 推挽输出配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;           // 引脚号
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;    // 推挽输出模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   // 输出速度
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);              // 初始化GPIO

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代码案例：

//001 采用推挽模式输出
//使用 GPIOx 前需要先开启时钟 --- 给他提供脉搏 时钟 -> 心跳
#include "stm32f10x.h"
#include "delay.h"

int main(void)
{
	// 开启 GPIOC 的时钟  --- 激活心跳
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);

	// GPIO 模块编程接口配置
	
	//IO 引脚的初始化 --- 选择八种工作模式中的一种，还有输出速度
	//GPIO_InitTypeDef Tepy = {GPIO_Pin_13, GPIO_Mode_Out_OD, GPIO_Speed_2MHz}; ARMCC 不支持这种写法；
	
    GPIO_InitTypeDef Tepy = {0};
	Tepy.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
	Tepy.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
	Tepy.GPIO_Speed = GPIO_Speed_2MHz;
	GPIO_Init(GPIOC, &Tepy);                           // 初始化GPIOC

	while(1)
	{
		// 使用通用开漏模式输出  ---- 2MHz的输出速度
		GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_RESET);  // 向寄存器写 0
		Delay(250);
		GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, Bit_SET);    // 向寄存器写 1
		Delay(250);
	}
}

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通用开漏输出模式

工作原理：

开漏输出只有N-MOS管，只能主动输出低电平，高电平需要外部上拉电阻实现。支持"线与"连接，可用于电平转换和总线通信。

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适用场景：

• ✅ I2C、SMBus等总线通信

• ✅ 电平转换（3.3V↔5V）

• ✅ 多设备"线与"连接

• ✅ 需要防止电流倒灌的场合

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电路分析：

• 输出低电平：N-MOS导通，输出0V

• 输出高电平：N-MOS截止，依靠外部上拉电阻输出高电平

• 输出电流：灌电流能力强，拉电流依赖外部上拉

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编程接口：

// 开漏输出配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;           // 引脚号
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;    // 开漏输出模式
GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;   // 输出速度
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);              // 初始化GPIO

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代码案例：

//002 采用开漏模式输出
#include "stm32f10x.h"

void LED_OpenDrain_Init(void)
{
    // 开启GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置PA1为开漏输出（需要外部上拉电阻）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

void LED_OpenDrain_Blink(void)
{
    while(1)
    {
        GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1); // LED点亮（输出低电平）
        Delay_ms(250);
        GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);   // LED熄灭（输出高阻，靠上拉）
        Delay_ms(250);
    }
}

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二、按键实验

实验简介

按键检测是嵌入式系统中最基本的人机交互功能，通过读取GPIO输入状态来感知用户操作。本实验将深入讲解STM32的按键检测原理、实现方法和优化技巧。

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通用输入上拉模式

工作原理：

上拉输入模式在芯片内部连接了一个上拉电阻到VCC，当按键未按下时，引脚被拉至高电平；当按键按下时，引脚被拉至低电平。

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适用场景：

• ✅ 按键检测

• ✅ 开关状态读取

• ✅ 数字信号输入检测

• ✅ 需要默认高电平的输入场合

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电路分析：

• 按键未按下：内部上拉电阻使引脚保持高电平

• 按键按下：引脚通过按键连接到GND，变为低电平

• 消除抖动：需要通过软件或硬件消除机械按键的抖动

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编程接口：

// 上拉输入配置
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;           // 引脚号
GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;       // 上拉输入模式
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);              // 初始化GPIO

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代码案例：

#include "stm32f10x.h"

// 按键初始化
void KEY_Init(void)
{
    // 开启GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置PA0为上拉输入（按键引脚）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;    // 上拉输入
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

void LED_Init(void)
{
    // 开启GPIOA时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    
    // 配置PA1为开漏输出（需要外部上拉电阻）
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
    GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 主函数：按键控制LED
int main(void)
{
    // 初始化LED和按键
    LED_Init();
    KEY_Init();
  
    while(1)
	{
		if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_1) == Bit_RESET)
		{
			GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_SET);
		}
		else
		{
			GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, Bit_RESET);
		}
	}
    
}

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三、硬件接线指南

基础接线方案

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共阴极接法：

STM32 GPIO Pin → 220Ω电阻 → LED阳极 → LED阴极 → GND

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共阳极接法：

3.3V → 220Ω电阻 → LED阳极 → LED阴极 → STM32 GPIO Pin

实验中采用此接法的LED为板载LED，所以就不附上接线图了

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按键接线：

STM32 GPIO Pin → 按键引脚1 → 按键引脚2 → GND
（配合内部上拉电阻）

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元件参数选择：

• 限流电阻：通常220Ω-1kΩ（根据LED额定电流计算）

• LED类型：普通发光二极管（压降1.8-2.2V，电流5-20mA）

• 按键类型：轻触开关、微动开关

• 连接方式：面包板或PCB焊接

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增强驱动方案

当需要驱动大功率LED或多个LED时：

// 使用三极管增强驱动（NPN晶体管）
// STM32 GPIO → 1kΩ电阻 → NPN基极
// NPN集电极 → LED → 限流电阻 → VCC
// NPN发射极 → GND

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四、调试技巧与常见问题

调试步骤

1. 硬件检查：

• 确认电源电压正常（3.3V）

• 检查LED极性是否正确

• 测量限流电阻值

2. 软件调试：

• 确认GPIO时钟已开启

• 检查GPIO配置模式

• 验证延时函数准确性

• 检查中断配置

3. 信号测量：

• 使用万用表测量GPIO输出电压

• 用示波器观察波形

• 使用逻辑分析仪捕获信号

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常见问题及解决方案

问题现象	可能原因	解决方法
LED不亮	接线错误	检查LED极性，确认共阴/共阳接法
LED常亮	GPIO配置错误	检查GPIO模式设置，确认推挽输出
LED亮度异常	限流电阻不合适	根据LED规格调整电阻值
闪烁频率不对	延时函数不准确	使用SysTick实现精确延时
按键无响应	上拉电阻未启用	检查GPIO输入模式配置
按键抖动	未进行消抖处理	添加软件消抖或硬件RC滤波
系统不工作	时钟未配置	检查系统时钟初始化

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性能优化建议

1. 降低功耗：

// 在延时期间进入低功耗模式
void Enter_LowPower_During_Delay(void)
{
  // 配置进入睡眠模式
  __WFI(); // 等待中断
}

2. 提高响应速度：

// 使用中断代替延时查询
void SysTick_Handler(void)
{
  static uint32_t counter = 0;
  if(++counter >= 500) // 500ms
  {
      counter = 0;
      GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_0, 
                   (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOA, GPIO_Pin_0)));
  }
}

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