基于STM32的定时器中断与PWM输出实验报告

一、实验原理

1. 定时器中断原理：STM32定时器可通过配置预分频系数（PSC）和自动重装载值（ARR）实现精准定时。定时器计数达到ARR值时触发中断，CPU暂停当前任务处理中断服务函数，处理完成后返回原任务，实现“闹钟式”定时，不占用CPU空闲资源。
2. PWM原理：脉冲宽度调制（PWM）通过定时器生成周期性方波，通过改变高电平时间（占空比）调整输出平均电压。当占空比从0%逐步增加到100%时，LED亮度逐渐变亮；从100%逐步降低到0%时，LED亮度逐渐变暗，最终实现呼吸灯效果。
3. 多任务并发原理：通过2个独立定时器（如TIM1、TIM2）分别触发中断，中断服务函数分别处理“串口发送”和“LED闪烁”任务，CPU在中断间隙处理其他任务，实现多周期性任务并行执行。

二、实验步骤

第一部分：定时器中断实现多任务（5秒串口发送+2秒LED闪烁）

1. STM32CubeMX配置

1. 新建工程：打开STM32CubeMX，点击“File”→“New Project”，在搜索框输入“STM32F103C8T6”，选择对应芯片后点击“Start Project”。

2. 配置时钟：

   • 点击左侧“RCC”，在“High Speed Clock (HSE)”处选择“Crystal/Ceramic Resonator”（外部晶振）。
   • 点击左侧“Clock Configuration”，将“HSE”设为8MHz，“PLL Multiplier”设为9，使系统时钟（SYSCLK）达到72MHz，然后依次配置AHB、APB1、APB2时钟，最终确保APB1 Timer clocks为36MHz（APB1预分频系数设为2），点击“OK”保存。
     
     

   

3. 配置GPIO（LED引脚）：

   • 开发板自带LED接PC13，点击左侧“GPIO”，找到“PC13”引脚，设置为“GPIO_Output”。
   • 点击“PC13”，在“GPIO mode and configuration”中，将“GPIO Pull-up/Pull-down”设为“Pull-up”（避免引脚悬空），“GPIO Output Level”设为“High”（初始状态LED灭）。

   

4. 配置USART1（串口发送）：

   • 点击左侧“USART1”，将“Mode”设为“Asynchronous”（异步模式）。
   • 配置串口参数：波特率115200、数据位8、停止位1、校验位None，其他默认。
   • 点击“GPIO Settings”，确认TX引脚为PA9，RX引脚为PA10（默认引脚，无需修改）。

   

5. 配置定时器TIM1（2秒LED闪烁）：

   • 点击左侧“TIM1”，将“Clock Source”设为“Internal Clock”（内部时钟）。
   • 点击“Parameter Settings”，配置参数：
     • Prescaler (PSC)：35999（预分频系数，36MHz/（35999+1）=1kHz，计数频率1ms）。
     • Counter Mode：Up（向上计数模式）。
     • Auto Reload Preload：Enable（使能自动重装载）。
     • Auto-reload value (ARR)：1999（计数到2000时溢出，1ms×2000=2000ms=2秒）。
   • 配置中断：点击“NVIC Settings”，勾选“TIM1 update interrupt”，将“Priority Group”设为“2”，“Preemption Priority”设为“1”，“Sub Priority”设为“0”（中断优先级可自定义，避免冲突即可）。
     
     

6. 配置定时器TIM2（5秒串口发送）：

   • 点击左侧“TIM2”，将“Clock Source”设为“Internal Clock”。
   • 点击“Parameter Settings”，配置参数：
     • Prescaler (PSC)：35999（计数频率1ms，与TIM1一致）。
     • Counter Mode：Up。
     • Auto Reload Preload：Enable。
     • Auto-reload value (ARR)：4999（1ms×5000=5000ms=5秒）。
   • 配置中断：点击“NVIC Settings”，勾选“TIM2 update interrupt”，“Priority Group”设为“2”，“Preemption Priority”设为“0”，“Sub Priority”设为“0”（TIM2中断优先级高于TIM1，确保串口发送不被频繁打断）。

   

7. 生成工程：

   • 点击“Project Manager”→“Project”，设置“Project Name”（如“Timer_Interrupt”），“Project Location”选择保存路径，“Toolchain/IDE”选择“MDK-ARM V5”。
   • 点击“Code Generator”，勾选“Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral”，避免代码集中在main.c中，点击“Generate Code”生成工程，生成完成后点击“Open Project”打开Keil5。

2. Keil5代码编写与调试

1. 打开工程后，展开“Src”文件夹，双击“stm32f1xx_it.c”（中断服务函数文件），找到以下两个中断服务函数并修改：

   • TIM1中断服务函数（处理2秒LED闪烁）：

     void TIM1_UP_IRQHandler(void)
     {
       /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_IRQn 0 */
     
       /* USER CODE END TIM1_UP_IRQn 0 */
       HAL_TIM_IRQHandler(&htim1);
       /* USER CODE BEGIN TIM1_UP_IRQn 1 */
       // 清除中断标志（HAL库函数已处理，此处可省略）
       // 翻转PC13引脚电平（LED闪烁）
       HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
       /* USER CODE END TIM1_UP_IRQn 1 */
     }
     

   • TIM2中断服务函数（处理5秒串口发送）：

     void TIM2_IRQHandler(void)
     {
       /* USER CODE BEGIN TIM2_IRQn 0 */
     
       /* USER CODE END TIM2_IRQn 0 */
       HAL_TIM_IRQHandler(&htim2);
       /* USER CODE BEGIN TIM2_IRQn 1 */
       // 向串口发送“hello windows！”，换行符\r\n用于串口助手换行
       HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"hello windows！\r\n", strlen("hello windows！\r\n"), 100);
       /* USER CODE END TIM2_IRQn 1 */
     }
     

2. 补充头文件：在“stm32f1xx_it.c”开头添加#include <string.h>，否则strlen函数会报错。

3. 使能定时器中断：双击“main.c”，在main函数的/* USER CODE BEGIN 2 */后添加以下代码，启动TIM1和TIM2的定时器中断：

   // 启动TIM1定时器中断
   HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);
   // 启动TIM2定时器中断
   HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
   

4. 编译工程：点击Keil5工具栏“Build”按钮（或按F7），确保编译无错误（0 Errors，0 Warnings）。

5. 下载程序：

   • 连接开发板：用USB线将开发板与电脑连接（若开发板无USB下载功能，需通过USB转串口模块连接，确保BOOT引脚配置正确：下载时BOOT0=1，BOOT1=0；下载后BOOT0=0，BOOT1=0）。
   • 配置下载器：点击Keil5工具栏“Options for Target”（魔术棒图标），选择“Debug”→“Use”，选择对应下载器（如“ST-Link Debugger”），点击“Settings”，确认“Port”为“SW”，“Reset Mode”为“Auto Detect”，点击“OK”。
   • 下载程序：点击“Download”按钮（或按F8），程序下载完成后，开发板自动重启。
     
     

3. 实验现象观察

1. LED闪烁：开发板上PC13引脚的LED每2秒翻转一次（灭→亮→灭→亮…），周期2秒。
2. 串口发送：打开串口调试助手，选择对应串口（如COM3），波特率115200，点击“打开串口”，每隔5秒接收一次“hello windows！”

第二部分：定时器PWM实现呼吸灯

步骤一：在原有工程上配置PWM

1. 返回STM32CubeMX工程（.ioc文件）。
   
   
   

2.配置TIM4的Channel1产生PWM：

• 找到 Timers > TIM4。
• 将 Channel1 设置为 PWM Generation CH1。这会将 PB6 引脚自动配置为复用功能。
• 在 Parameter Settings 选项卡下配置PWM参数：
  • Prescaler: 71
  • Counter Period: 499
  • Pulse: 初始为0，代码中动态修改。
  • CH Polarity: 保持 High

计算原理：

• TIM4时钟为72MHz。
• 分频：72MHz / (71 + 1) = 1 MHz。
• 周期：(499 + 1) / 1 MHz = 500 us -> PWM频率 = 2 kHz（频率足够高，人眼看不到闪烁）。
• Pulse 值即为比较寄存器(CCR)的值，它决定了占空比。占空比 = Pulse / (Period + 1)。

3.配置TIM3的Channel1产生PWM（用于板载LED）：

• 注意：第一部分我们用了TIM3做2秒定时，现在需要修改。
• 找到 TIM3，将其 Clock Source 改为 Internal Clock。
• 将 Channel1 设置为 PWM Generation CH1。这会将 PA6 引脚自动配置。
• 配置参数与TIM4完全相同：
  • Prescaler: 71
  • Counter Period: 499
  • Pulse: 0

步骤二：重新生成代码

1. 点击 GENERATE CODE，选择“Yes”覆盖之前的工程。

步骤三：在Keil中修改代码

1. 打开Keil工程。

2. 在 main.c 的 /* USER CODE BEGIN 2 */ 部分，启动两个PWM通道。

   /* USER CODE BEGIN 2 */
   // 启动TIM3和TIM4的PWM通道1
   HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);
   HAL_TIM_PWM_Start(&htim4, TIM_CHANNEL_1);
   /* USER CODE END 2 */
   

3. 在 main 函数的 while(1) 循环中，编写呼吸灯逻辑。

   /* USER CODE BEGIN WHILE */
   uint8_t pwmDirection = 0; // 0: 增加亮度， 1: 减小亮度
   uint16_t pwmValue1 = 0;   // 用于TIM3 (板载LED) 的Pulse值
   uint16_t pwmValue2 = 0;   // 用于TIM4 (外接LED) 的Pulse值
   
   while (1)
   {
     // 更新TIM3 (板载LED) 的占空比
     __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pwmValue1);
     // 更新TIM4 (外接LED) 的占空比，可以设置一个不同的初始值让效果错开
     __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim4, TIM_CHANNEL_1, pwmValue2);
   
     // 使用HAL_Delay控制变化速度
     HAL_Delay(10);
   
     // 呼吸灯逻辑：先增后减
     if(pwmDirection == 0)
     {
       // 增加亮度
       pwmValue1 += 5;
       pwmValue2 += 5;
       if(pwmValue1 >= 500) // Period是499，所以最大值是500
       {
         pwmValue1 = 500;
         pwmValue2 = 500;
         pwmDirection = 1; // 切换为减小
       }
     }
     else
     {
       // 减小亮度
       pwmValue1 -= 5;
       pwmValue2 -= 5;
       if(pwmValue1 <= 0)
       {
         pwmValue1 = 0;
         pwmValue2 = 0;
         pwmDirection = 0; // 切换为增加
       }
     }
     /* USER CODE END WHILE */
     /* USER CODE BEGIN 3 */
   }
   /* USER CODE END 3 */
   

步骤四：硬件连接与测试

1. 外接LED：将LED正极通过一个220Ω电阻连接到 PB6，负极连接GND。

   • 板载LED已在PC13，但注意其是反向的（高电平熄灭，低电平点亮）。我们的PWM输出在PA6，所以需要用杜邦线将 PA6 连接到板载LED所在的 PC13 引脚上（或者飞线），或者修改代码逻辑。最简单的方法是：不接PC13，将两个外接LED分别接在PA6(TIM3_CH1)和PB6(TIM4_CH1)上。

2. 重新编译并下载程序到开发板。

3. 观察现象：两个LED均应呈现平滑的呼吸灯效果。

三、总结

1. 本次实验成功通过定时器中断实现了5秒串口定时发送和2秒LED闪烁，验证了定时器在多任务并发中的优势——精准定时且不占用CPU空闲资源。
2. 通过定时器PWM模式实现了2个LED的呼吸灯效果，理解了PWM占空比与LED亮度的关系，掌握了PWM参数（周期、占空比）的配置方法。
3. 对比定时器与非定时器方法可知，定时器是实现精准、高效多周期性任务的核心组件，非定时器方法仅适用于对精度要求低、无其他高优先级任务的场景。

三、总结

1. 本次实验成功通过定时器中断实现了5秒串口定时发送和2秒LED闪烁，验证了定时器在多任务并发中的优势——精准定时且不占用CPU空闲资源。
2. 通过定时器PWM模式实现了2个LED的呼吸灯效果，理解了PWM占空比与LED亮度的关系，掌握了PWM参数（周期、占空比）的配置方法。
3. 对比定时器与非定时器方法可知，定时器是实现精准、高效多周期性任务的核心组件，非定时器方法仅适用于对精度要求低、无其他高优先级任务的场景。