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stm32基于HAL库和中断的LED流水灯

前言

掌握STM32的基本开发方法，特别是对GPIO控制、中断机制及HAL库编程的理解，是学习嵌入式系统开发的重要基础。
本实验以STM32F103C8T6最小系统核心板为硬件平台，结合Keil MDK集成开发环境与STM32CubeMX图形化配置工具，采用HAL库进行软件开发，实现LED流水灯的周期性闪烁，并通过外部中断方式控制其运行与停止。实验不仅涵盖了GPIO的基本输入输出控制，还深入探讨了外部中断的工作原理及其在实际应用中的关键问题——如机械抖动带来的误触发现象。
通过本次实践，旨在深入理解STM32的中断响应机制，掌握HAL库中外部中断回调函数的使用方法，熟悉基于CubeMX的初始化代码生成流程，并初步掌握电路仿真工具Proteus 8.15的使用，实现从硬件设计、程序开发到系统仿真的完整闭环。这不仅提升了动手能力与系统调试技巧，也为后续学习定时器、串口通信、RTOS等高级功能打下坚实基础。

  • 本文所用工具：

注：安装Proteus8.15（注意必须不低于此版本，否则不支持仿真stm32F103）

你提供的任务是一个典型的嵌入式系统综合实践项目，涉及 STM32中断机制、HAL库开发、Keil + CubeMX 联合开发、Proteus 电路仿真与联调 等核心技能。下面我将为你系统性地拆解并指导完成该任务的每一步，确保你可以顺利完成作业并深入理解原理。

一、LED 流水灯 + 外部中断控制启停

1、开发环境搭建

所需软件安装清单：

软件 用途 下载建议
STM32CubeMX 图形化配置引脚、时钟、中断、生成HAL初始化代码 官网免费下载
Keil MDK (uVision5) 编写、编译、调试C代码 使用评估版或正版授权
Proteus 8.15 SP2 或更高版本 电路设计与STM32仿真 注意必须支持 STM32F103C8

⚠️ 提示：旧版Proteus不支持STM32仿真，务必确认版本 ≥ 8.15，并安装了 Proteus VSM for STM32 插件。

2、硬件连接设计（物理板 & Proteus）

物理连接参考（最小系统板 STM32F103C8T6）：

功能 引脚分配（示例） 说明
LED_RED PA8 共阳极接法（亮=0）
LED_GREEN PB14
LED_BLUE PC13 注意PC13是常用LED引脚
开关输入 PA5 上拉电阻，外部中断输入

💡 LED 接法建议：阴极接地，阳极通过电阻接MCU → MCU输出低电平时点亮（更安全）

3、使用 STM32CubeMX 配置工程

步骤1：创建新项目
1 打开 STM32CubeMX，并点击

在这里插入图片描述
2. 选择芯片：STM32F103C8T6，收藏后点击右上角Start Project
在这里插入图片描述
3.在RCC中选择外部高速晶振（只有选择了这个之后才能在后续配置时钟树）
在这里插入图片描述
4. 在SYS中选择调试接口
在这里插入图片描述

注：如果不选择的话就只能下载一次代码，后续下载之后可能需要点击复位键，比较麻烦

为了增强大家对后续操作的理解，这里简单补充关于时钟树的相关知识
在这里插入图片描述
当然可以！以下是极简版 STM32 时钟树，用一张简单表格告诉你所有关键点，适合初学者快速理解：

名称 是什么 频率 用途
HSI 内部时钟（自带） 8 MHz 开机默认，不用外接
HSE 外部晶振（小水晶） 8 MHz 精准时钟，用于主系统
PLL 锁相环（倍频器） 72 MHz 把 8MHz 放大到 72MHz
SYSCLK 主时钟（系统心跳） 最高 72 MHz 决定 CPU 跑多快
HCLK CPU 时钟 通常 = SYSCLK（72MHz） 给 CPU 和内存用
PCLK1 低速外设时钟 通常 36 MHz 给 I2C、UART、TIM2/3/4 等
PCLK2 高速外设时钟 通常 72 MHz 给 GPIO、USART1、TIM1 等
LSE 外部低速晶振 32.768 kHz 给“闹钟”（RTC）用
LSI 内部低速时钟 ~40 kHz 给看门狗（IWDG）用

其中PLL为锁相环倍频输出，其时钟输入源可选择为HSI/2、HSE或者HSE/2。倍频可选择为2~16倍，但是其输出频率最大不得超过72MHz。 通过倍频之后作为系统时钟的时钟源。
所以我们后续选择HSE ,然后PLL进行倍频

步骤2：配置时钟（Clock Configuration）
1、进入 Clock Configuration 标签页
在这里插入图片描述

  • 设置 HSE 为 Crystal/Ceramic Resonator
  • 将系统时钟（SYSCLK）设置为 72MHz（典型值）
    • HCLK = 72MHz
    • PCLK1 = 36MHz, PCLK2 = 72MHz

效果如下
在这里插入图片描述

步骤3：配置 GPIO 引脚

引脚 Mode 备注
PA5 GPIO_EXTI5 外部中断输入
PA8 GPIO_Output 输出控制红灯
PB14 GPIO_Output 输出控制绿灯
PC13 GPIO_Output 输出控制蓝灯

效果如下：
在这里插入图片描述

将PA8、PB14、PC13均配置为以下模式，推挽输出
在这里插入图片描述

将PA5配置为下拉输入
在这里插入图片描述

步骤4：配置 NVIC（中断使能）

中断是指CPU在执行当前程序时系统出现了某种状况，使得CPU必须停止当前程序，而去执行另一段程序来处理的出现的紧急事务，处理结束后CPU再返回到原先暂停的程序继续执行，这个过程就称为中断。
使得计算机系统具备应对对处理突发事件的能力，使其能及时响应紧急事件。
提高处理器效率，如果没有中断系统，CPU就只能按照原来的程序编写的先后顺序，对各个外设进行查询和处理，即轮询工作方式，轮询方法貌似公平，但实际工作效率却很低。

  • 进入 NVIC Settings 标签页
  • 勾选中断
    在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

  • Enable Interrupt ✅
  • Preemption Priority: 0
  • Sub Priority: 0

步骤5：生成代码

  • Project Manager → 设置项目名、路径、工具链为 MDK-ARM V5
    在这里插入图片描述

  • Code Generator Options:

    • 勾选 Generate peripheral initialization as a pair of '.c/.h' files per peripheral
      在这里插入图片描述

  • 点击右上角 Generate Code生成代码
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    若出现下面这种情况：
    在这里插入图片描述

这个提示的意思是：

你的项目需要一个特定的固件包（STM32Cube FW_F1 V1.8.6），但你本地的 STM32CubeMX 仓库中没有这个版本。

解决：
点击菜单栏：
Help → Manage Embedded Software Packages
在这里插入图片描述
然后点击Install下载即可

4、Keil 中编写主程序逻辑

修改 main.c 文件中的用户代码区域

uint8_t led_enable = 1;  // 流水灯使能标志：0-周期闪烁，1-流水灯
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 初始化LED状态：全部熄灭
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
      // 流水灯模式：依次点亮PA8→PB14→PC13
      // 先关闭所有LED
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
      
      // 根据状态索引点亮对应LED
      switch(led_state)
      {
        case 0:
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);  // 点亮PA8
          break;
        case 1:
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_SET); // 点亮PB14
          break;
        case 2:
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); // 点亮PC13
          break;
      }
      led_state = (led_state + 1) % 3;  // 循环切换状态
      HAL_Delay(1000);  // 每个LED保持1s

    /* USER CODE END 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

效果如下：

3LED

添加LED状态索引：
uint8_t led_state = 0; // 流水灯状态索引
加入中断函数：

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_5)  // 确认是PA5触发的中断
  {
    // 读取PA5当前电平状态
    GPIO_PinState pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    
    if (pin_level == GPIO_PIN_SET)  // 高电平：启动流水灯
    {
      led_enable = 1;
    }
    else  // 低电平：切换到周期闪烁
    {
      led_enable = 0;
      // 重置LED状态（避免切换时混乱）
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
      led_state = 0;
    }
    
    // 简单消抖（避免机械开关抖动）
    HAL_Delay(10);
  }
}

完整代码：

/* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t led_enable = 0;  // 流水灯使能标志：0-周期闪烁，1-流水灯
uint8_t led_state = 0;   // 流水灯状态索引
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  // 初始化LED状态：全部熄灭
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
    if (led_enable)
    {
      // 流水灯模式：依次点亮PA8→PB14→PC13
      // 先关闭所有LED
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
      
      // 根据状态索引点亮对应LED
      switch(led_state)
      {
        case 0:
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_SET);  // 点亮PA8
          break;
        case 1:
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_SET); // 点亮PB14
          break;
        case 2:
          HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET); // 点亮PC13
          break;
      }
      led_state = (led_state + 1) % 3;  // 循环切换状态
      HAL_Delay(1000);  // 每个LED保持500ms
    }
    else
    {
      // 周期闪烁模式：三灯同时亮灭
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
    }
    /* USER CODE END 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
  * @brief  外部中断回调函数（处理PA5的电平变化）
  * @param  GPIO_Pin: 触发中断的引脚
  * @retval None
  */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
  if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_5)  // 确认是PA5触发的中断
  {
    // 读取PA5当前电平状态
    GPIO_PinState pin_level = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_5);
    
    if (pin_level == GPIO_PIN_SET)  // 高电平：启动流水灯
    {
      led_enable = 1;
    }
    else  // 低电平：切换到周期闪烁
    {
      led_enable = 0;
      // 重置LED状态（避免切换时混乱）
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_8, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_14, GPIO_PIN_RESET);
      HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
      led_state = 0;
    }
    
    // 简单消抖（避免机械开关抖动）
    HAL_Delay(10);
  }
}
/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  // 错误时通过PA8闪烁提示
  while (1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA, GPIO_PIN_8);
    HAL_Delay(500);
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

🔍 关于抖动说明：

  • 杜邦线插拔会产生“电平反复跳变”，可能触发多次中断。
  • HAL_Delay(10) 是一种简单的软件消抖方法。
  • 更优方案：定时器+状态机消抖，但本任务中可用此简化处理。

程序效果如下：

中断LED

二、Proteus 仿真

步骤1：打开 Proteus 8.15+

  1. 新建项目，填写工程名称和路径在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

  2. 点击左上角的P搜索器件：
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

步骤2：绘制电路图

双击芯片
在这里插入图片描述

添加hex文件路径
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

步骤3：配置 STM32 属性

  • 双击 STM32F103C8 → 设置：
    • Program File: 选择你 Keil 编译生成的 .hex 文件（位于 Project\MDK-ARM\Objects\your_project.hex）

步骤4：运行仿真

  • 点击左下角 ▶️ 运行

效果如下：

仿真

三、软件版本控制协议和git工具的使用。

1. 理解版本控制协议

  • 什么是版本控制？
    版本控制是一种记录一个或多个文件内容变化，以便将来查阅特定版本的系统。它能帮助你：
    • 回溯历史版本（比如发现代码出错，可以回到上一个正确的版本）。
    • 协同开发（多人同时修改代码，系统能合并改动）。
    • 分支管理（尝试新功能时，可以创建分支，不影响主代码）。
  • Git 是什么？
    Git 是目前最流行的分布式版本控制系统。它由 Linus Torvalds（Linux 内核创始人）开发，速度快、效率高、安全性好。
  • GitHub / Gitee 是什么？
    • GitHub: 全球最大的代码托管平台，基于 Git 构建。它提供免费的公共仓库和付费的私有仓库。
    • Gitee (码云): 中国本土的代码托管平台，同样基于 Git，访问速度快，对中文用户友好。

2. 注册账号
选择其中一个平台注册账号：

建议：如果你的项目希望被全球开发者看到，选 GitHub；如果更注重国内访问速度和中文社区，选 Gitee。

3. 下载并安装 Git 客户端

  1. 访问 Git 官方网站：https://git-scm.com
  2. 下载对应你操作系统（Windows / macOS / Linux）的版本。
  3. 安装时，大部分选项保持默认即可。安装完成后，你可以通过命令行（终端）使用 git 命令。

4. 配置 Git（首次安装后必须）
打开命令行工具（Windows: Git Bash 或 CMD；macOS/Linux: Terminal），运行以下命令配置你的身份信息：

# 设置你的用户名（可以是真实姓名或昵称）
git config --global user.name "你的名字"

# 设置你的邮箱（必须与 GitHub/Gitee 账号注册邮箱一致）
git config --global user.email "你的邮箱@example.com"

# （可选）设置默认文本编辑器，比如 VS Code
git config --global core.editor "code --wait"

5. 创建本地仓库并提交代码

假设你的项目主目录是 my_project，路径为 C:\Users\YourName\my_project（Windows）或 /Users/YourName/my_project（macOS/Linux）。

步骤 1：初始化本地仓库

# 进入你的项目主目录
cd /path/to/your/my_project

# 初始化 Git 仓库（会在目录下创建一个隐藏的 .git 文件夹）
git init

步骤 2：将文件添加到暂存区

# 将项目主目录下所有文件添加到暂存区
git add .

注意：git add . 会添加当前目录下所有文件。如果有些文件不想被版本控制（如编译生成的文件、配置文件等），可以创建 .gitignore 文件来忽略它们。

步骤 3：提交到本地仓库

# 提交更改，并添加提交信息
git commit -m "Initial commit: add all project files"

-m 后面是提交信息，要简洁明了地描述这次提交的内容。

6. 在 GitHub/Gitee 上创建远程仓库

  1. 登录你的 GitHub 或 Gitee 账号。
  2. 点击 “New” 或 “+” 创建一个新的仓库。
  3. 填写仓库名称（如 my_project），选择公开或私有，不要勾选“Initialize this repository with a README”（因为我们已经有本地代码了）。
  4. 创建仓库后，你会看到一个 HTTPS 或 SSH 的仓库地址，例如：
    • HTTPS: https://github.com/你的用户名/my_project.git
    • SSH: git@github.com:你的用户名/my_project.git

7. 连接本地仓库与远程仓库，并推送代码
复制下面的这个地址
在这里插入图片描述

# 添加远程仓库地址（URL 替换为你在 GitHub/Gitee 上看到的地址）
git remote add origin https://github.com/你的用户名/my_project.git

# 推送本地代码到远程仓库的 main 分支
git push -u origin main

在这里插入图片描述

刷新之后即可看到你上传的工程了

在这里插入图片描述

说明：

  • origin 是远程仓库的默认名称，你可以自定义。
  • -u 参数会设置上游分支，以后推送可以直接用 git push。
  • 如果你的默认分支是 master，则使用 git push -u origin master。

首次推送可能需要输入你的 GitHub/Gitee 账号密码。为了更安全和方便，建议配置 SSH 密钥。

8. 常用 Git 命令速查表

命令 作用
git init 初始化一个新的 Git 仓库
git clone <URL> 克隆远程仓库到本地
git add <file> 将文件添加到暂存区
git add . 添加所有修改的文件到暂存区
git commit -m "message" 提交暂存区的更改到本地仓库
git status 查看当前仓库状态（哪些文件被修改、未提交等）
git log 查看提交历史
git push 将本地提交推送到远程仓库
git pull 从远程仓库拉取最新更改并合并到本地
git branch 列出所有分支
git checkout <branch> 切换到指定分支
git merge <branch> 合并指定分支到当前分支

9. 验证是否成功

  1. 刷新你的 GitHub/Gitee 仓库页面。
  2. 你应该能看到你项目中的所有文件，而不是一个压缩包。
  3. 提交历史中会显示你的第一次提交记录。

四、总结

你已完成以下能力训练：

  • ✅ STM32 HAL库开发流程
  • ✅ GPIO输入输出控制
  • ✅ 外部中断 EXTI 编程
  • ✅ 软件消抖基本思想
  • ✅ STM32CubeMX + Keil 联合开发
  • ✅ Proteus 绘图与仿真
  • ✅ 硬件与软件协同调试
  • ✅ 并学会了如何在GitHub上上传自己的项目

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