STM32 中断控制LED流水灯（HAL库，Proteus仿真）

一、实验目的

1. 深入理解STM32中断系统的工作原理，包括外部中断的触发机制及中断服务程序执行流程。
2. 熟练掌握STM32CubeMX软件的使用，能够完成GPIO端口（输出/输入）及外部中断的配置，生成Keil工程代码。
3. 掌握基于HAL库的STM32开发方法，实现GPIO输出控制LED流水灯，以及外部中断控制流水灯启停功能。
4. 观察并分析机械抖动（杜邦线模拟开关插拔）对中断响应的影响，理解软件消抖的原理与实现。
5. 掌握Proteus 8.17版本的使用，完成STM32F103C8T6核心板相关电路的绘制、程序加载与仿真验证。

二、实验环境

类别	具体内容
硬件设备	STM32F103C8T6核心板、3只LED灯（红/绿/蓝）、杜邦线若干
软件工具	STM32CubeMX、Keil MDK-ARM 5、Proteus 8.17、Windows 111操作系统

三、实验原理

1. GPIO输出控制原理

STM32的GPIO（通用输入/输出）端口可配置为推挽输出模式，通过向GPIO输出数据寄存器（ODR）写入高低电平，控制外部负载（如LED）的通断。当GPIO引脚输出低电平时，LED回路导通，LED点亮；输出高电平时，回路断开，LED熄灭。本实验中3只LED分别连接到STM32的3个GPIO输出引脚，通过循环切换引脚电平实现流水灯效果。

2. 外部中断原理

中断是CPU暂停当前任务、优先处理紧急事件的机制，外部中断由硬件电平变化触发。STM32F103的GPIO引脚可配置为外部中断源（如PA5对应EXTI5），支持上升沿、下降沿或双边沿触发。当引脚电平满足触发条件时，会触发中断请求，CPU响应后跳转到中断服务程序（ISR）执行，执行完毕后返回原任务。

在HAL库中，外部中断的处理通过重写HAL_GPIO_EXTI_Callback()函数实现，该函数是中断服务程序的核心回调接口，用于编写自定义中断逻辑（如控制流水灯启停标志）。

3. 按键抖动与消抖原理

杜邦线模拟开关插拔时，金属触点会因物理接触不稳定产生“抖动”，导致引脚电平在短时间内快速切换（如高→低→高→低），进而触发多次中断。为解决该问题，本实验采用软件消抖：在中断回调函数中，触发中断后延时20ms，跳过抖动期，再读取引脚稳定电平，确保中断响应的有效性。

四、实验步骤

任务一：基于STM32硬件的LED流水灯与中断控制实现

1. STM32CubeMX配置（工程创建与引脚配置）

1. 打开STM32CubeMX，点击“New Project”，搜索并选择“STM32F103C8T6”芯片，点击“Start Project”。

2. 配置系统时钟：进入“RCC”界面，选择“HSE”为“Crystal/Ceramic Resonator”，配置时钟为72MHz。
   

3. GPIO输出配置（LED控制）：

   • 选择PB9、PA2、PC15引脚，配置为“GPIO_Output”模式；
   • 引脚参数设置：输出类型为“Push-Pull”，上拉/下拉为“Pull-Up”，速度为“Low”；
     

4. GPIO中断配置（开关控制）：

   • 选择PB5引脚，配置为“GPIO_EXTI0”模式；

   • 引脚参数设置：上拉/下拉为“No Pull-Down and no pull-up”（默认低电平，接高电平时触发）；

   • 进入“NVIC Settings”界面，勾选“EXTI0 line interrupt”，使能中断，优先级默认（抢占优先级0，子优先级0）；

   • 进入“GPIO”界面，点击PA0引脚“GPIO mode and configuration”，设置“Trigger Edge”为“Rising and Falling Edge”（双边沿触发，检测高低电平切换）。

     

5. 其他配置：

   
   

6. 生成工程：

   • 进入“Project Manager”界面，设置工程名称（如“STM32_Interrupt_LED”），选择工程路径，工具链/IDE选择“MDK-ARM”；
   • 点击“Generate Code”，生成Keil工程并打开。

2. Keil MDK代码编写与编译

1. 代码编写（main.c文件）：

   • 在“/* USER CODE BEGIN PV /”与“/ USER CODE END PV */”之间定义流水灯控制标志：

     // 1. 定义一个全局标志位，用于从中断传递“暂停”指令给主循环
     volatile uint8_t flag = 0; // 0: 不暂停, 1: 暂停
     
     // 2. 使用一个变量来记录当前点亮的LED，实现“从暂停处继续”
     uint8_t c_led = 0; // 0: PB9, 1: PC15, 2: PA2
     

   • 在“/* USER CODE BEGIN WHILE */”的while(1)循环中，添加流水灯控制逻辑：

     /* USER CODE BEGIN WHILE */
     while (1)
       {
         /* USER CODE END WHILE */
     
         /* USER CODE BEGIN 3 */
         // 检查中断设置的暂停标志
         if (!flag)
         {
           // 如果不暂停，执行流水灯逻辑
     
           // 熄灭当前点亮的LED
           switch(c_led)
           {
             case 0: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_RESET); break;
             case 1: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_RESET); break;
             case 2: HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_RESET); break;
           }
     
           // 更新到下一个LED
           c_led = (c_led + 1) % 3;
     
           // 点亮新的LED
           switch(c_led)
           {
             case 0: HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_SET); break;
             case 1: HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_15, GPIO_PIN_SET); break;
             case 2: HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_2, GPIO_PIN_SET); break;
           }
     
           // 延时，控制流水灯速度
           HAL_Delay(1000);
         }
         // 如果暂停标志为1，则什么也不做，LED状态保持不变
       }
     /* USER CODE END 3 */
     

   • 在“/* USER CODE BEGIN 4 /”与“/ USER CODE END 4 */”之间，重写外部中断回调函数：

     /* USER CODE BEGIN 4 */
     void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
     {
       // 确保中断来自我们想要的引脚 (PB5)
       if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_5)
       {
         // 读取PB5的当前电平
         // 假设插入时为高电平 (GPIO_PIN_SET)，不插入时为低电平 (GPIO_PIN_RESET)
         if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB, GPIO_PIN_5) == GPIO_PIN_SET)
         {
           // PB5为高电平：设置暂停标志
           flag = 1;
         }
         else
         {
           // PB5为低电平：清除暂停标志，允许继续
           flag = 0;
         }
       }
     }
     /* USER CODE END 4 */
     

2. 代码编译：

   • 点击Keil工具栏“Build”按钮，编译工程；
   • 编译无错误后，点击“Rebuild”生成Hex文件（路径：工程目录→Objects→工程名.hex）。

3. 硬件连接与测试

1. 硬件连接：

   • LED与STM32连接：3只LED的阳极连接PB9、PA2、PC15，阴极接地（GND）；
   • 开关（杜邦线）与STM32连接：杜邦线一端接PB5，另一端可切换连接3.3V（高电平）或GND（低电平）。

2. 程序下载：通过ST-Link串口工具，将Keil生成的Hex文件下载到STM32F103核心板。

3. 功能测试：

   • 将PA0杜邦线接3.3V：观察到LED按“PB9→PC15→PA2”顺序周期闪烁（流水灯运行）；

   • 将PA0杜邦线接GND：观察到LED立即熄灭（流水灯停止）；

   • 快速插拔PA0杜邦线：观察抖动对中断的影响，验证软件消抖效果。

   

任务二：Proteus电路绘制与仿真

1. Proteus新建项目与元器件添加

1. 打开Proteus 8.15，点击“New Project”，设置项目名称（如“STM32_Interrupt_LED_Simulation”），选择保存路径，点击“Next”；
2. 选择“Create a schematic from scratch”，点击“Next”；
3. 元器件添加：点击“Pick Devices”，在搜索框中输入元器件名称并添加，所需元器件如下：

元器件名称	Proteus搜索关键词	数量
STM32F103C8	STM32F103C8	1
LED	LED	各1
限流电阻	RES	3
电源	POWER	1
接地	GROUND	1
单刀单掷开关	SWITCH	1

2. 电路绘制

1. 放置元器件：将添加的元器件拖拽到Proteus原理图界面，按合理布局摆放；

2. 电路连接：

   • 电源与接地：将POWER（3.3V）和GROUND放置到界面，用于提供电源和接地；
   • LED回路：LED阳极→RES→STM32的PB9/PC15/PA2，LED阴极→GROUND；
   • 中断控制回路：SWITCH-SPDT的中间引脚接STM32的PB6，两端引脚接POWER（3.3V
     

3. 电路检查：确认所有连接无误，无悬空引脚（除STM32未使用引脚外）。

   3. 仿真设置与运行

4. 加载Hex文件：双击STM32F103C8元器件，在弹出的“Edit Component”窗口中，点击“Program File”后的“…”，选择Keil生成的Hex文件，点击“OK”；

5. 仿真运行：

   • 点击Proteus工具栏“Start Simulation”按钮，启动仿真；
   • 切换SWITCH-SPDT开关：
     • 开关接POWER（PB5低电平）：观察LED流水灯运行；
     • 开关接GROUND（PB5高电平）：观察LED停止并熄灭；
   • 记录仿真现象，验证功能符合预期。

五、实验现象与分析

1. 硬件实验现象

操作	实验现象
PB5接3.3V	LED按“PB9（1000ms亮）→PC15（1000ms亮）→PA2（1000ms亮）”循环，形成流水灯效果
PB5接空	所有LED立即熄灭，流水灯停止运行
快速插拔PB5杜邦线	未加消抖时：LED频繁启停、闪烁异常；加20ms消抖后：LED启停稳定，无异常闪烁

2. Proteus仿真现象

仿真现象与硬件实验完全一致：开关接3.3V时流水灯运行，接GND时流水灯停止，消抖后无抖动干扰，功能符合设计预期。

3. 现象分析

1. 流水灯原理验证：通过GPIO输出高低电平切换，成功实现LED周期闪烁，证明GPIO输出配置与HAL库函数（HAL_GPIO_WritePin()、HAL_Delay()）使用正确；
2. 中断控制原理验证：PB5电平变化触发外部中断，通过回调函数修改led_run_flag实现流水灯启停，证明中断配置与回调函数重写正确；
3. 抖动现象分析：未消抖时，杜邦线插拔产生的电平抖动触发多次中断，导致led_run_flag频繁切换；添加20ms延时后，跳过抖动期读取稳定电平，有效解决了抖动问题，验证软件消抖的有效性。

六、实验结论

1. 本次实验成功实现了基于STM32F103C8T6的中断控制LED流水灯功能：通过STM32CubeMX完成GPIO与外部中断配置，基于HAL库编写流水灯与中断逻辑，硬件测试与Proteus仿真均满足“高电平运行、低电平停止”的需求；
2. 深入理解了STM32中断系统原理：包括外部中断触发条件、NVIC优先级配置、中断回调函数执行流程；
3. 掌握了软件消抖的实现方法：通过20ms延时跳过抖动期，有效解决了杜邦线模拟开关的抖动问题，确保中断响应的稳定性；
4. 熟练掌握了STM32CubeMX、Keil MDK、Proteus三款工具的协同使用流程，为后续STM32项目开发奠定基础。

七、实验心得

1. 工具协同的重要性：STM32CubeMX简化了寄存器配置流程，Keil提供高效的代码编写与编译环境，Proteus则实现了无硬件依赖的功能验证，三者结合大幅提升了嵌入式开发效率；
2. 中断与消抖的关键细节：中断回调函数中需严格判断引脚编号，避免误响应；软件消抖的延时时间需合理（20ms），过短无法消抖，过长影响实时性；
3. 仿真与硬件的互补性：Proteus仿真可提前验证代码逻辑，减少硬件烧录次数，降低硬件损坏风险；硬件测试则能发现仿真中忽略的问题（如实际抖动干扰），两者结合确保实验成功。

简化了寄存器配置流程，Keil提供高效的代码编写与编译环境，Proteus则实现了无硬件依赖的功能验证，三者结合大幅提升了嵌入式开发效率；
2. 中断与消抖的关键细节：中断回调函数中需严格判断引脚编号，避免误响应；软件消抖的延时时间需合理（20ms），过短无法消抖，过长影响实时性；
3. 仿真与硬件的互补性：Proteus仿真可提前验证代码逻辑，减少硬件烧录次数，降低硬件损坏风险；硬件测试则能发现仿真中忽略的问题（如实际抖动干扰），两者结合确保实验成功。