代码收藏家技术教程 2024-12-21

STM32使用定时器进行串口通信和点灯及输出PWM完成呼吸灯

一、定时器的基本介绍

1、定时器概念

STM32定时器具有多个定时/计数通道，可以高精度地计算时间，并可配置为不同的模式以满足各种应用需求。它不仅可以作为独立的时间测量工具，还可以与其他外设模块（如ADC、DAC、GPIO等）进行协作，提供丰富的功能。

2、定时器分类

STM32定时器主要分为以下几类：

高级定时器：功能最全，如STM32的TIM1和TIM8，挂载在APB2总线上。它们增加了重复计数器、死区生成、互补输出、刹车输入等功能，适用于需要高精度和高可靠性的应用。
通用定时器：最常用，如STM32的TIM2、TIM3、TIM4、TIM5，挂载在APB1总线上。它们具有内外时钟源选择、输入捕获、输出比较、编码器接口、主从触发模式等功能，适用于各种通用应用。
基本定时器：功能最简单，如STM32的TIM6和TIM7，挂载在APB1总线上。它们只有定时中断和DAC功能，适用于基本的传感器应用。

3、定时器模式

STM32定时器可以配置为多种模式，以满足不同的应用需求。以下是一些常见的模式：

向上计数模式：计数器从0计数到自动加载值（TIMx_ARR），然后重新从0开始计数，并产生一个计数器溢出事件。
向下计数模式：计数器从自动装入的值（TIMx_ARR）开始向下计数到0，然后从自动装入的值重新开始，并产生一个计数器向下溢出事件。
中央对齐模式：计数器从0开始计数到自动装入的值-1，产生一个计数器溢出事件，然后向下计数到1并且产生一个计数器溢出事件；然后再从0开始重新计数。

此外，STM32定时器还支持输入捕获模式、PWM输出模式等。

4、定时器计算方法

STM32定时器的定时时间可以通过以下公式计算：

定时时间=(Prescaler+1)×(Counter Period+1)×1/定时器时钟频率

其中，Prescaler是预分频器的值，Counter Period是自动重装载寄存器的值（也称为计数周期），定时器时钟频率是定时器的时钟信号频率。

5、定时器工作过程

STM32定时器的工作过程如下：

时钟信号输入：定时器接收来自内部或外部的时钟信号。
预分频器处理：时钟信号经过预分频器进行分频处理，得到较低的频率信号。
计数器计数：分频后的信号送入计数器进行计数。计数器可以向上、向下或中央对齐模式进行计数。
产生中断或DMA请求：当计数器达到预设的计数周期（即自动重装载寄存器的值）时，产生计数器溢出事件，进而触发中断或DMA请求。
处理中断或DMA请求：CPU响应中断或DMA请求，执行相应的中断服务程序或DMA传输操作。

二、使用定时器进行串口通信和点灯

1、工程建立

（1）创建项目，点击ACCEE TO MCU SELECTOR

（2）配置RCC

（3）配置SYS

（4）配置USART1

（5）设置输出引脚（此处笔者设置的PA1）

（6）配置定时器

这里我们使用定时器2和定时器3来实现定时的功能。如图所示，依次点击位置1，选中定时器2；位置2，配置定时器2的时钟源为内部时钟；位置3，分频系数为71，向上计数模式，计数周期为5000，使能自动重载模式。

TIM3与TIM2几乎相同，只有圈中所示位置不同

注意;分频系数那里虽然写的是71，但系统处理的时候会自动加上1，所以实际进行的是72分频。由于时钟我们一般会配置为72MHZ，所以72分频后得到1MHZ的时钟。1MHZ的时钟，计数5000次，得到时间5000/1000000=0.005秒。也就是每隔0.005秒定时器2会产生一次定时中断。

（7）配置NVIC中的中断

(8)时钟配置

如下图所示配置即可

（9）配置项目相关配置

（10）生成项目

2、代码编写

（1）启动定时器

	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
	HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);

（2）串口通信

首先在main.c中定义STM32需要给上位机发送的消息

	uint8_t hello[20]="hello windows！\r\n";

（3）定时器中断回调函数

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	static uint32_t time_cnt =0;
	static uint32_t time_cnt3 =0;
	if(htim->Instance == TIM2)
	{
		if(++time_cnt >= 400)
		{
			time_cnt =0;
			HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_1);
		}
	}
	if(htim->Instance == TIM3)
	{
		if(++time_cnt3 >= 1000)
		{
			time_cnt3 =0;
    HAL_UART_Transmit(&huart1,hello,20,100000);
		}
			
	}
}

该函数为定时器的中断回调函数，当产生定时中断的时候，会自动调用这个函数。在函数内部定义了定时器的一个静态变量：time_cnt与定时器3 的time_cnt3。
例如time_cnt，当它大于等于100的时候，才会执行if里面的代码。也就是说需要发生400次中断，才会让LED的状态翻转。前面已经算过了，一次定时中断的时间是0.005秒，所以400次中断的时间是0.005400=2秒。也就是说每隔2秒，LED的状态翻转一次。
例如time_cnt3，当它大于等于1000的时候，才会执行if里面的代码。也就是说需要发生1000次中断，才会让串口发一次消息。0.0051000=5秒，符合题目要求。

结果展示

三、PWM基本介绍

定义

PWM是通过编程控制输出方波的频率和占空比（高低电平的比例）来模拟模拟信号的一种技术。

基本原理

PWM的基本原理是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制。在一个PWM周期内，信号处于高电平（或有效电平）的时间与整个周期时间的比例被称为占空比。通过改变占空比，可以控制模拟电路的输出功率。

优点

能量损耗小：PWM技术可以在保证输出效果的同时，降低能量损耗。

控制简单：通过数字信号控制，使得PWM技术相对容易实现和控制。

成本低廉：PWM技术所需的硬件成本相对较低，且易于集成到各种系统中。

应用范围

PWM已经广泛应用在各种需要模拟结果的数字控制环境中，如：

调速风扇：通过PWM控制风扇电机的转速。

调光灯具：利用PWM调节LED灯的亮度。

伺服电机控制：在伺服电机控制系统中，PWM用于精确控制电机的转速和位置。

电子调制器：PWM技术也应用于各种电子调制器中，用于调节输出电压和电流。

主要参数

频率：PWM波的频率，决定了PWM波形的周期。

占空比：PWM波中高电平时间与整个周期时间的比例。

PWM的产生

在STM32中，PWM是通过配置内部定时器来实现的。定时器的精确计数能力可以用来定义PWM信号的周期和占空比，从而生成非常精确的PWM波形。

PWM工作原理

PWM的工作原理基于定时器和比较寄存器的配合。定时器从0开始计数，当计数器的值达到比较寄存器的值时，输出电平发生翻转。通过不断改变比较寄存器的值，可以控制PWM波的占空比。在一个周期内，定时器的值从0计数到自动重装载值（ARR），然后溢出并重新开始计数。这个过程中，PWM波的频率由定时器的时钟频率、预分频器（PSC）和自动重装载值（ARR）共同决定。

PWM输出的模式区别

STM32中的PWM输出模式有多种，如PWM模式1和PWM模式2等。这些模式的主要区别在于输出电平的翻转时机和占空比的计算方式。例如，在PWM模式1中，当计数器的值小于比较寄存器的值时，输出高电平；而在PWM模式2中，则相反。

PWM的计数模式

STM32的定时器支持多种计数模式，如向上计数模式、向下计数模式和中心对齐模式等。这些计数模式决定了PWM波的波形和对称性。例如，在向上计数模式下，定时器的值从0开始递增到ARR值；而在向下计数模式下，则相反。中心对齐模式则是向上和向下计数模式的结合，生成一个对称的PWM波形。

PWM相关配置寄存器

在STM32中，PWM的相关配置主要通过以下几个寄存器来实现：

TIMx_PSC：预分频器寄存器，用于设置定时器的时钟分频系数。

TIMx_ARR：自动重装载寄存器，用于设置PWM波的周期。

TIMx_CCRx：捕获/比较寄存器，用于设置PWM波的占空比。

TIMx_CCMRx：捕获/比较模式寄存器，用于设置PWM的输出模式和极性。

四、输出PWM完成呼吸灯

1、创建项目

其他设置基本与前一个实验相同，不用设置中断与USART1，这次我们选择的是TIM3与TIM4,配置方法相同。

设置完毕后便生成项目

2、代码编写

（1）在int main添加如下代码

  uint16_t pwmVal = 0;  //占空比大小(CCRx的大小)
    uint8_t direction = 1;  //呼吸灯方向： 1. 越来越亮   2. 越来越暗

HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);
	HAL_TIM_PWM_Start(&htim4,TIM_CHANNEL_1);

（2）在while（1）下添加以下代码

HAL_Delay(3);  //控制呼吸灯呼吸速率
                   //控制占空比大小，即修改CCRx的大小
        if(direction){
            pwmVal++;
        }else{
            pwmVal--;
        }
        //设置了ARR为499，因此每计数500为一个周期
        if(pwmVal > 500){ 
            direction = 0;  //改变呼吸灯方向
        }else if(pwmVal == 0){
            direction = 1;  //改变呼吸灯方向
        }
        //修改定时器4通道三的PWM的占空比
        __HAL_TIM_SetCompare(&htim3,TIM_CHANNEL_1,pwmVal);
        __HAL_TIM_SetCompare(&htim4,TIM_CHANNEL_1,pwmVal);

四.硬件连接

1.线路连接

根据查询数据手册可发现定时器3,4的一通道分别对应引脚PA6 PB6,然后题目要求还需要直接驱动PC13(最小开发板上已焊接的LED（固定接在 PC13 GPIO端口）),故而我们将对应PWM波作为输入，连接其对应引脚即可实现所需完成功能。

结果图

五，利用keil仿真并观察波形

点击魔术棒，在Debug选项卡中按照下图的方式进行配置。

然后点击快捷工作栏的Debug选项，在下图列表中找到逻辑分析仪

或者在快捷工作栏找到。

然后再弹出的逻辑分析仪窗口的左上角找到Set up选项，在其中添加USART1_SR，如下图所示。

点击colse保存关闭后，就能得到如下的波形,可以看到波形随时间有明显变化。

六，总结

在本次STM32的实验中，笔者深入学习了如何使用定时器实现时间的精准控制，并通过PWM波形驱动LED实现呼吸灯效果。这两个实验不仅让笔者对STM32的定时器功能有了更深入的了解，也让笔者在实践中掌握了多任务并发运行的基本思想。

在第一个实验中，笔者通过配置TIM2和TIM3定时器，分别实现了5秒串口通信和2秒LED闪烁的功能。在配置定时器时，笔者深刻体会到了定时器分频系数、计数周期等参数对定时时间的影响。通过不断调试和优化，笔者成功实现了每隔5秒从串口发送“hello windows！”字符串，并且LED每隔2秒闪烁一次。这个过程不仅锻炼了笔者的动手能力，也让笔者更加理解了定时器的工作原理。

在第二个实验中，笔者使用了TIM3和TIM4定时器输出PWM波形，通过改变PWM的占空比实现了两个LED的呼吸灯效果。在配置PWM时，笔者遇到了一些挑战，如如何选择合适的PWM频率和占空比以实现平滑的呼吸效果。通过查阅资料和不断尝试，笔者最终成功实现了两个LED的呼吸灯效果，并且效果非常理想。

通过这次实验，笔者不仅掌握了STM32定时器和PWM的基本使用方法，还学会了如何根据实际需求进行参数配置和调试。同时，笔者也深刻体会到了理论与实践相结合的重要性。在未来的学习和工作中，笔者将继续运用所学知识，不断探索和实践，努力提高自己的专业技能和实践能力。

作者：Budong..