STM32是意法半導(dǎo)體公司(ST)推出的基于ARM Cortex-M內(nèi)核的一系列32位單片機(jī)，具有性能強(qiáng)、速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。在該系列單片機(jī)中，STM32F0系列采用ARM Cortex-M0內(nèi)核(功能較少)，STM32F1系列采用ARM Cortex~-M3內(nèi)核，STM32F4系列采用ARM Cortex-M4內(nèi)核(功能較多)。

0、引言

在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，多采用STM32F1系列單片機(jī)，如圖1所示。提示:ARM處理器是目前最有發(fā)展?jié)摿Φ奶幚砥髦?，Cortex 系列內(nèi)核是ARM處理器中最出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的的內(nèi)核之一。在Cortex系列內(nèi)核中，Cortex-M系列內(nèi)核最適合物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的開(kāi)發(fā)。
圖1所示單片機(jī)的型號(hào)是STM32F103C8T6，其型號(hào)含義:字母“ST"表示芯片生產(chǎn)公司的名稱，字母“M"表示該芯片是微控制器(Microelectron-ics)，數(shù)字“32"表示該芯片是32位單片機(jī);字母“F”"表示通用型，即該單片機(jī)在性能、功能、功耗、價(jià)格方面較平衡，能滿足絕大多數(shù)普通應(yīng)用場(chǎng)合的要求;數(shù)字“103"表示子系列(STM32F系列單片機(jī)分為STM32F101、STM32F102、STM32F103、STM32F105、STM32F107等子系列)，其主頻最高為72MHz， Flash的容量可選范圍為16kB~1MB，具有USB和CAN總線功能;字母“C"表示該芯片有48個(gè)引腳，數(shù)字“8”表示該芯片的Flash的容量是64kB，字母"T”表示該芯片采用LQFP封裝形式，數(shù)字“6”表示芯片的工作溫度范圍是-40C~859C(.工業(yè)級(jí))。
提示:若要了解STM32系列單片機(jī)的詳細(xì)參數(shù)，可進(jìn)入意法半導(dǎo)體公司的官方網(wǎng)站www.st.com，先在"產(chǎn)品”分類中找到“微控制器”一項(xiàng)，然后選擇具體型號(hào)，雙擊打開(kāi)即可。
1、開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介
在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，控制的核心元件是單片機(jī)， 而單片機(jī)只有在寫(xiě)入程序并且調(diào)試成功后，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的功能。由于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的傳感器與驅(qū)動(dòng)元件較多，且安裝位置分散，不便于檢測(cè)與調(diào)試。為了提高單片機(jī)的編程與調(diào)試效率，當(dāng)今最流行的方法是采用開(kāi)發(fā)板模式，即先將單片機(jī)(或者單片機(jī)最小系統(tǒng)板)安裝在開(kāi)發(fā)板上，然后進(jìn)行編程與調(diào)試，待符合設(shè)計(jì)要求后，再安裝到物聯(lián)網(wǎng)控制板上試驗(yàn)。

目前， STM32物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板的品牌與型號(hào)較多，多由最小系統(tǒng)板與擴(kuò)展板組成，如圖2所示。最小系統(tǒng)板上安裝有維持單片機(jī)正常工作的基本電路(供電復(fù)位、 晶振)，以及編程 串口IED指示燈、按鍵、蜂鳴器等實(shí)現(xiàn)基本功能的元件;擴(kuò)展板上安裝有繼電器、溫濕度傳感器、WIFI模塊、藍(lán)牙模塊以及各種總線接口等器件，這些元器件集中安裝在一塊板上，并可通過(guò)跳線實(shí)現(xiàn)元器件與單片機(jī)的連接，以便檢測(cè)與調(diào)試。
須說(shuō)明的是，雖然最小系統(tǒng)板通過(guò)排針與擴(kuò)展板相連，但最小系統(tǒng)板可以脫離擴(kuò)展板而獨(dú)立工作 提示:開(kāi)發(fā)板( Demo Board )是指用來(lái)進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的電路板，由中央處理器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通信電路、輸入/輸出設(shè)備和外部資源接口等硬件組成，主要用于學(xué)習(xí)或調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件。
2、最小系統(tǒng)板電路分析
最小系統(tǒng)板由單片機(jī)U4 (STM32F103C8T6)、低壓差三端穩(wěn)壓塊U1(AMS1117-3.3)、自動(dòng)下載控制芯片U2(STC15W201S).USB轉(zhuǎn)串口芯片U3(CH340C)、備用電池、晶振(包括主時(shí)鐘晶振與實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振)等元件組成。其中，U1~U3.備用電池與實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振( 32.768kHz )等元件安裝在板背面，如圖3所示。

2、1供電電路
本款開(kāi)發(fā)板使用Micro USB接口為系統(tǒng)供電，當(dāng)用連線將最小系統(tǒng)板上的Micro USB接口與電腦的USB口相接時(shí)，最小系統(tǒng)板上的U1~U3得到5V供電(S5V)，如圖4所示。

U1將1腳輸入的5V電壓穩(wěn)壓成3.3V，從2 腳輸出(標(biāo)注為“S3V");U2得電且運(yùn)行開(kāi)機(jī)指令后，8腳輸出低電平信號(hào)(JS)，PNP型三極管VT2飽和導(dǎo)通，繼電器J1線圈得電，其2、3腳與6、7腳內(nèi)部的觸點(diǎn)閉合，分別輸出3.3V和5V電壓(其標(biāo)注分別為“3V"和“5V")，供給U4與擴(kuò)展電路;U3得到S5V供電后，將5、6腳輸入的UD+、UD-信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)門TL電平信號(hào)，分別通過(guò)2腳(TXD)和3腳(RXD)腳與U4的31腳、30腳進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)電腦與單片機(jī)之間的通信。
電容C1、C3分別為S5V、S3V電壓的濾波電容，C2、C4、C7、C8的作用是濾除高頻雜波，以提高電路穩(wěn)定性。
U4設(shè)有1組模擬電源接口(8、9腳)和3組邏輯電源接口(23、24腳，35、36腳，47，48腳)，輸入2V~3.6V的直流電壓，其模擬電源供模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)RC振蕩器和PLL倍頻等模擬電路，邏輯電源供ARM內(nèi)核、存儲(chǔ)器I/O端口和其他純數(shù)字電路。對(duì)于穩(wěn)定性和精度要求較高的場(chǎng)合，模擬電源與邏輯電源應(yīng)分開(kāi)供電，以避免電源間的干擾;對(duì)于穩(wěn)定性和精度要求不高的場(chǎng)合，模擬電源與邏輯電源可合并在一起供電。
備用電源BT1是一塊獨(dú)立的1.8V~3.6V 電源，多采用3V紐扣電池。在邏輯電源斷開(kāi)后，BT1給實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路(RTC )供電，以便RTC正常計(jì)時(shí)，同時(shí)給喚醒電路和后備寄存器供電，讓它們一直處于工作狀態(tài)。如果不使用單片機(jī)的RTC與喚醒等功能，則可以不接備用電源。
2、2自動(dòng)下載控制(ASP)電路
U4的44腳( BOOTO)、20腳( PB2/BOOT1，復(fù)用1/O端口)為單片機(jī)的啟動(dòng)模式設(shè)置端，給這兩腳輸入不同的電平狀態(tài)，可讓U4啟動(dòng)時(shí)進(jìn)入不同的工作模式:當(dāng)44腳為低電平時(shí)(不論20腳是什么狀態(tài))，U4在復(fù)位后運(yùn)行FLASH(閃存)里面的用戶程序，此模式稱為正常啟動(dòng)模式;當(dāng)44腳為高電平、20腳為低電平時(shí)，U4在復(fù)位后運(yùn)行Boot Loader程序(該程序是在芯片出廠時(shí)由ST公司寫(xiě)入的一段程序，是一段ISP下載輔助程序，使用者是不能修改的)，其目的是讓單片機(jī)與計(jì)算機(jī)上的ISP軟件相互通信，將HEX文件存入單片機(jī)的FLASH或SRAM中，此模式稱為FLASH-ISP模式;當(dāng)44腳和20腳均為高電平時(shí)，U4在復(fù)位后將進(jìn)入RAM-ISP模式(這個(gè)模式多用于開(kāi)發(fā)過(guò)程中的程序調(diào)試，一般不使用 )。
ISP下載的操作較復(fù)雜，具體流程如下:先讓U4的44腳為高電平、20腳為低電平，再按復(fù)位鍵，讓U4進(jìn)入Boot Loader模式，然后單擊燒錄軟件界面上的“編程”按鈕，將程序?qū)懭隖LASH或SRAM中，具體寫(xiě)到哪里取決于使用者對(duì)燒錄軟件相關(guān)選項(xiàng)的設(shè)置。如果程序下載到FLASH中，待程序下載成功后，須將U4的44腳置于低電平，再按復(fù)位鍵或重新上電，這時(shí)U4將運(yùn)行FLASH中下載的程序;如果程序下載到SRAM中，待程序下載成功后，，須將U4的44腳和20腳都置為高電平，再按復(fù)位鍵或重新.上電，這時(shí)U4將運(yùn)行SRAM中下載的程序。為方便使用者進(jìn)行ISP下載操作，該款最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)有自動(dòng)下載(ASP)控制電路，參見(jiàn)圖4。
U2是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)單片機(jī)，采用STC第九代加密技術(shù)，主要用于定時(shí)控制，具有高速、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，其代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)。U2的6、7腳分別與U4的44、20腳相連，U2的8腳輸出開(kāi)/關(guān)信號(hào)，控制3V和5V供電是否輸出。當(dāng)單擊燒錄軟件界面上的“編程”按鈕時(shí)，U2檢測(cè)到下載指令后，其6~8腳會(huì)根據(jù)上述ISP下載的流程，自動(dòng)輸出相應(yīng)的電平信號(hào)，從而達(dá)到一鍵下載的目的。
MODE鍵與U2的1腳相連，單擊MODE鍵可開(kāi)/關(guān)3V和5V供電，即開(kāi)/關(guān)U4與擴(kuò)展電路的供電;雙擊MODE鍵可打開(kāi)或關(guān)閉ASP功能，長(zhǎng)按MODE鍵可讓U2在FLASH-ISP和RAM-ISP兩種模式間切換。
2、3晶振與復(fù)位電路
時(shí)鐘是單片機(jī)工作的必備信號(hào)，其作用是給單片機(jī)提供工作基準(zhǔn)頻率，時(shí)鐘頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度就越快。U4的5、6腳外接高速晶體振蕩器(HSE)TX1，為內(nèi)核工作提供時(shí)鐘;3、4腳外接低速晶體振蕩器(LSE )TX2，為芯片內(nèi)部的RTC電路提供時(shí)鐘，如圖5所示。

U4的7腳(NRST)為復(fù)位端，內(nèi)接一個(gè)電壓監(jiān)控器，外接復(fù)位電容c9(在擴(kuò)展板上，7腳還對(duì)地接有一只微動(dòng)開(kāi)關(guān)K1)。上電后，由于C9兩端的電壓不能突變，則7腳電壓有一個(gè)從0V升到3.3V的過(guò)程。在此過(guò)程中，如果7腳電壓低于2V時(shí)，監(jiān)控器讓U4復(fù)位;當(dāng)7腳電壓不小于2V時(shí)，監(jiān)控器讓U4進(jìn)入工作狀態(tài)，從而完成上電復(fù)位動(dòng)作。
3、擴(kuò)展電路分析
3、1繼電器驅(qū)動(dòng)電路

指示燈L2 (紅色)為繼電器U3的工作指示燈，如圖6所示。當(dāng)U4的16腳(PA6)輸出高電平時(shí)，三極管Q1截止，L2熄滅，同時(shí)U3線圈失電，U3不動(dòng)作，其公共端3腳(KGB)與常閉觸點(diǎn)端1腳(CK)接通;當(dāng)U4的16腳(PA6)輸出低電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，L2亮，同時(shí)U3線圈得電，U3動(dòng)作，其3腳與常開(kāi)觸點(diǎn)端5腳(CK )接通。
D1為繼電器保護(hù)二極管，當(dāng)Q1截止時(shí)，U3線圈中的電流通路突然中斷，若未安裝D1，這時(shí)將在線圈兩端產(chǎn)生較高的反向電動(dòng)勢(shì)，極性為左+右-，電壓值達(dá)數(shù)百伏，這個(gè)電壓極易導(dǎo)致Q1過(guò)壓損壞。安裝D1后，線圈產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)通過(guò)D1放電，從而大幅降低其電壓值，有效避免Q1過(guò)壓損壞。
提示:在分析單片機(jī)應(yīng)用電路時(shí)，既要了解單片機(jī)內(nèi)部電路的特點(diǎn)，還要了解單片機(jī)外圍擴(kuò)展電路的組成與工作原理。
3、2溫濕度傳感器電路
DHT11是一款輸出數(shù)字信號(hào)的溫濕度復(fù)合傳感器，內(nèi)置一只電阻式感濕元件和一只NTC測(cè)溫元件，其外圍電路非常簡(jiǎn)單，如圖7所示。

DHT11的1腳(vcC )為供電端，工作電壓范圍為3.3V~5.5V;2腳(DQ)為單總線串行數(shù)據(jù)端，通過(guò)跳線P19與U4的20腳(PB2)相連。在實(shí)際使用中，若DHT11距離單片機(jī)較遠(yuǎn)，則需在DHT11的2腳上外接-只4.7k的上拉電阻，以確保該端在無(wú)數(shù)據(jù)交換時(shí)為高電平。
3、3光敏傳感器電路
本板上的光敏傳感器電路實(shí)為0V~3.3V的模擬信號(hào)輸入電路，光敏電阻RG1和可調(diào)電阻R11作為模擬信號(hào)源，如圖8所示。

3V電壓經(jīng)電阻R7與RG1分壓，其分壓值送給U4的15腳(PA5);R11一端接3V，另一端接地，其中心抽頭通過(guò)電阻R9與U4的14腳(PA4)相連。RG1的阻值隨光照強(qiáng)度的變化而變化，光照越強(qiáng)，其阻值越低。在無(wú)光照射時(shí)，實(shí)測(cè)RG1的阻值約為1.6MΩ，U4的15腳電壓約為3.3V;在強(qiáng)光照射時(shí)，實(shí)測(cè)RG1的阻值約為0.5kΩ，U4的15腳電壓約為0.1V。
3、4存儲(chǔ)器電路

擴(kuò)展板上的存儲(chǔ)器電路實(shí)為SPI[由摩托羅拉(Motorola )公司開(kāi)發(fā)的全雙工同步串行總線]通訊測(cè)試電路，存儲(chǔ)器采用華邦公司推出的一款具有SPI接口的閃存(NOR Flash) 芯片W25Q128(U1)，如圖9所示。

U1的存儲(chǔ)空間為128Mbit(即16M字節(jié))，工作電壓為2.7V~3.6V，其1腳(CS)為片選信號(hào)輸入端(低電平有效)，6腳(CLK )為串行時(shí)鐘輸入端，2腳(SO)為數(shù)據(jù)輸出端，5腳(SI)為數(shù)據(jù)輸入端，這4個(gè)引腳分別與U4的25~28腳相連。
U1的3腳(WP#)為寫(xiě)保護(hù)輸入端，當(dāng)該腳為低電平時(shí)，輸入數(shù)據(jù)無(wú)法寫(xiě)入寄存器中;7腳(HOLD)為暫停控制端，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)，2腳呈高阻態(tài)，U1處于暫停工作狀態(tài)。
3、5通信電路
通訊電路是單片機(jī)與外部芯片或模塊之間的數(shù)據(jù)交換電路，具體有RS485 CAN、USB、PC等電路，如圖10所示。

P8為MPU6050模塊(軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器)的接口，即rC擴(kuò)展接口，采用PC通信方式:SCL是總線的時(shí)鐘線，用于主從設(shè)備間的計(jì)數(shù)同步;SDA是總線的數(shù)據(jù)線，用于收發(fā)數(shù)據(jù)。M1為Micro USB接口，U4的42、43腳通過(guò)數(shù)據(jù)線DATA+ DATA-與USB設(shè)備通信。U5(RS485)采用半雙工通訊方式(單+5V供電)，其6、7腳為接收和發(fā)送的差分信號(hào)端，兩腳之間接有阻值為1202的匹配電阻R19。當(dāng)6腳電壓高于7腳電壓時(shí)，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“1";反之，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”。
U5的1腳(RO)為接收器的數(shù)據(jù)輸出端，4腳(DI)為驅(qū)動(dòng)器的數(shù)據(jù)輸入端，分別與U4的13腳、12腳相連。U5的2.3 腳分別為接收使能端和發(fā)送使能端，當(dāng)2腳(RE)為低電平時(shí)，U5處于接收狀態(tài);當(dāng)3腳(DE )為高電平時(shí)，U5處于發(fā)送狀態(tài)。因U5工作在半雙工狀態(tài)，所以U5的2.3腳電平由U4同一腳(29腳)控制。
U7(TJA1050)是-款應(yīng)用于CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口芯片，具有為CAN控制器提供差分發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1Mbit/s，其6.7腳分別為低電平和高電平總線輸入/輸出端，與CAN總線接口相連;1腳(TXD)為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，4腳(RXD)為串行數(shù)據(jù)接收端，分別與U4的46腳、45腳相連。
3、6藍(lán)牙(Blue tooth)電路
本板的藍(lán)牙電路采用JDY-08型透?jìng)髂K，如圖11所示。該模塊采用藍(lán)牙低功耗芯片CC2541，基于藍(lán)牙4.0協(xié)議，工作頻段為2.4GHz，調(diào)制方式為GFSK，最大發(fā)射距離為80m。

本模塊的22腳(POO) 為休眠喚醒信號(hào)輸入端，低電平時(shí)被“喚醒”;20腳(P02)、19腳(P01 )分別為串口信號(hào)(TL電平)的輸入與輸出端，分別與U4的12腳、13腳相連。
3.7 WIFI電路
本板的WIFI電路采用安信可科技公司開(kāi)發(fā)的ESP-12F模塊，其核心處理器為ESP8266，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議及完整的TCP/IP協(xié)議棧，如圖12所示。

本模塊的8腳(vCC)為3.3V供電端，要求供電電流不得小于500mA;1腳(REST)為復(fù)位端，3腳為始能端，分別通過(guò)電阻R16、R20上拉到3V，10腳(GPI015) 通過(guò)下拉電阻R21到地;12腳(GPIO0)為模式控制端，外接.上拉電阻R15與按鈕K3，當(dāng)該腳為高電平時(shí)(斷開(kāi)K3)，模塊工作在運(yùn)行模式狀態(tài);當(dāng)該腳為低電平時(shí)(閉合K3)，模塊工作在下載模式狀態(tài);16腳(TXD )為串行數(shù)據(jù)發(fā)送端，15腳(RXD)為串行數(shù)據(jù)接收端，分別與U4的22腳、21腳相連。