【嵌入式开发学习】第7天：STM32 串口通信（开发板与电脑双向交互）

核心目标：掌握 UART 串口通信原理，用 HAL 库实现 “开发板→电脑” 数据发送（模拟传感器数据上报）、“电脑→开发板” 指令接收（控制 LED），结合定时器实现定时发送，巩固非阻塞逻辑 —— 串口是嵌入式调试、数据传输的 “必备技能”，后续传感器数据上传、上位机控制都依赖它。

一、串口通信原理：嵌入式的 “双向数据线”（30 分钟）

串口（UART/USART）是 STM32 与外部设备（电脑、传感器、蓝牙模块）通信的常用接口，核心是 “异步通信”（无需时钟线，仅用 Tx 发送线、Rx 接收线），简单可靠。

1. 核心概念（新手必懂）

• UART（通用异步收发传输器）：STM32 的基础串口外设，支持双向通信；
• 波特率：通信速率（常用 9600、115200bps，即每秒传输 9600/115200 位），双方必须一致；
• 数据格式：默认 “8 位数据位 + 1 位停止位 + 无校验位”（嵌入式最常用，CubeIDE 默认配置）；
• 引脚对应（STM32F103C8T6）：USART1 的 Tx=PA9，Rx=PA10（需在 CubeIDE 中配置为串口功能）。

2. 嵌入式场景用途

• 调试：开发板通过串口向电脑发送调试信息（如传感器数据、程序运行状态）；
• 数据传输：接收电脑指令（如 “点亮 LED”“开始采集”），或向电脑上传传感器数据；
• 外设交互：与蓝牙、WiFi 模块通信（如通过蓝牙将温度数据发送到手机）。

3. HAL 库串口核心函数（重点记）

• 阻塞发送：HAL_UART_Transmit(&huart1, 数据缓冲区, 数据长度, 超时时间);（发送时 CPU 等待，适合简单场景）；
• 中断接收：HAL_UART_Receive_IT(&huart1, 接收缓冲区, 接收长度);（接收时不阻塞 CPU，通过中断回调处理数据，推荐用）；
• 中断回调：HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart);（接收完成后自动调用，处理接收到的指令）。

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二、实操 1：开发板→电脑，发送温度数据（40 分钟）

目标：开发板模拟温度传感器采集，通过 USART1 向电脑串口助手发送 “原始数据 + 校准后温度”，每秒发送一次（用定时器定时，巩固非阻塞）。

步骤 1：CubeIDE 配置串口 + 定时器

1. 新建工程 “UART_Send_Data”，选择 STM32F103C8T6；
2. 配置串口（USART1）：
   • 左侧 “Connectivity→USART1”：Mode 选 “Asynchronous”（异步模式）；
   • 参数默认：波特率 9600bps、8 位数据位、1 位停止位、无校验位；
   • 配置引脚：PA9 设为 “USART1_TX”，PA10 设为 “USART1_RX”；
3. 配置定时器（TIM3，定时 1s，复用第六天的配置）：
   • 预分频器 7199、自动重载值 9999（1s 中断一次），使能 TIM3 中断；
4. 生成初始化代码。

步骤 2：编写发送逻辑（全局变量 + 定时器中断 + 串口发送）

1. 打开main.c，定义全局变量（温度数据 + 发送缓冲区）：

   c

   /* USER CODE BEGIN 2 */
   uint32_t timer_count = 0;  // 定时器计数（1s一次）
   int temp_raw = 250;        // 模拟温度原始数据
   float temp_real = 0.0;     // 校准后温度
   uint8_t send_buf[50];      // 发送缓冲区（存储要发送的字符串）
   /* USER CODE END 2 */
   

2. 启动定时器和串口（main函数中）：

   c

   /* USER CODE BEGIN 2 */
   HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);  // 启动TIM3定时中断
   /* USER CODE END 2 */
   

3. 定时器中断回调函数（1s 更新温度并发送）：

   c

   void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
     if (htim->Instance == TIM3) {
       // 1. 更新温度数据（模拟采集，每次+1，范围250-270）
       temp_raw = (temp_raw >= 270) ? 250 : temp_raw + 1;
       temp_real = (temp_raw / 10.0) + 2;  // 校准公式
       
       // 2. 格式化发送数据（将数值转为字符串存入缓冲区）
       sprintf((char*)send_buf, "原始数据：%d，校准温度：%.1f℃\r\n", temp_raw, temp_real);
       
       // 3. 串口发送数据（USART1，缓冲区，数据长度，超时100ms）
       HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
     }
   }
   

步骤 3：电脑端配置串口助手

1. 用 USB-TTL 模块连接开发板与电脑（开发板 PA9→TTL Tx，PA10→TTL Rx，GND→GND）；
2. 打开串口助手（如 SecureCRT、SSCOM），配置：
   • 波特率 9600、数据位 8、停止位 1、无校验位、无流控；
   • 选择对应的 COM 口（设备管理器中查看），打开串口。

步骤 4：下载测试

程序下载后，串口助手会每秒收到一条数据：原始数据：250，校准温度：27.0℃，且原始数据逐次递增（模拟传感器实时采集）。

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三、实操 2：电脑→开发板，指令控制 LED（50 分钟）

目标：电脑通过串口发送指令（“ON”→点亮 LED，“OFF”→熄灭 LED），开发板接收指令后执行操作，同时定时向电脑反馈 LED 状态（结合实操 1 的定时发送）。

步骤 1：重新配置工程（添加 LED 引脚）

1. 新建工程 “UART_Control_LED”，配置 USART1（同实操 1）、TIM3（1s 定时）；
2. 配置 LED 引脚：PC13 设为 GPIO_Output（初始熄灭）；
3. 生成初始化代码。

步骤 2：编写接收逻辑（中断接收 + 指令解析）

1. 定义全局变量（接收缓冲区 + LED 状态）：

   c

   /* USER CODE BEGIN 2 */
   uint32_t timer_count = 0;
   uint8_t recv_buf[10];      // 接收缓冲区（存储电脑发送的指令）
   uint8_t led_state = 0;     // LED状态（0=熄灭，1=点亮）
   uint8_t send_buf[50];      // 发送缓冲区
   /* USER CODE END 2 */
   

2. 启动定时器、串口发送和中断接收（main函数中）：

   c

   /* USER CODE BEGIN 2 */
   HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3);  // 启动定时
   // 启动串口中断接收（接收3个字节，对应“ON\r”“OFF\r”，\r是回车符）
   HAL_UART_Receive_IT(&huart1, recv_buf, 3);
   /* USER CODE END 2 */
   

3. 串口接收完成回调函数（解析指令）：

   c

   /* 串口接收完成回调函数：接收3个字节后自动调用 */
   void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart) {
     if (huart->Instance == USART1) {
       // 解析指令（忽略大小写，电脑发送“ON”“OFF”或“on”“off”都有效）
       if (strcmp((char*)recv_buf, "ON\r") == 0 || strcmp((char*)recv_buf, "on\r") == 0) {
         HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);  // 点亮LED
         led_state = 1;
       } else if (strcmp((char*)recv_buf, "OFF\r") == 0 || strcmp((char*)recv_buf, "off\r") == 0) {
         HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);    // 熄灭LED
         led_state = 0;
       } else {
         // 指令错误，发送提示
         sprintf((char*)send_buf, "指令错误！请发送ON或OFF\r\n");
         HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
       }
       
       // 重新开启中断接收（HAL库中断接收一次后会关闭，需手动重启）
       HAL_UART_Receive_IT(&huart1, recv_buf, 3);
     }
   }
   

4. 定时器中断回调（1s 反馈 LED 状态）：

   c

   void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
     if (htim->Instance == TIM3) {
       // 发送LED状态
       sprintf((char*)send_buf, "LED状态：%s（发送ON点亮，OFF熄灭）\r\n", led_state ? "点亮" : "熄灭");
       HAL_UART_Transmit(&huart1, send_buf, strlen((char*)send_buf), 100);
     }
   }
   

步骤 3：测试双向通信

1. 串口助手配置同实操 1，打开串口；
2. 发送指令 “ON”（回车），开发板 LED 点亮，串口助手收到反馈：LED状态：点亮（发送ON点亮，OFF熄灭）；
3. 发送指令 “OFF”（回车），LED 熄灭，反馈：LED状态：熄灭（发送ON点亮，OFF熄灭）；
4. 发送其他指令（如 “ABC”），开发板反馈：指令错误！请发送ON或OFF。

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四、第七天必掌握的 3 个关键知识点（10 分钟自测）

1. 串口通信核心参数：波特率（双方必须一致）、数据格式（8N1：8 位数据 + 1 位停止 + 无校验）；
2. HAL 库串口函数：HAL_UART_Transmit（阻塞发送）、HAL_UART_Receive_IT（中断接收）、HAL_UART_RxCpltCallback（接收回调）；
3. 中断接收注意：HAL 库中断接收一次后会关闭，需在回调函数中重新调用HAL_UART_Receive_IT开启下一次接收。