STM32实战手记：定时器中断与PWM呼吸灯 (基于HAL库+CubeMX)

前言

为深入了解STM32定时器原理，掌握脉宽调制pwm生成方法，本文将以STM32F103C8T6，搭配 STM32CubeMX 和 Keil MDK5实现两个基础的趣味实验：定时器中断控制LED闪烁 与 PWM输出实现呼吸灯（使用keil虚拟示波器观察pwm波形）。

一、软硬件准备

• 硬件板卡：STM32F103C8T6 最小系统核心板（Blue Pill）

• 调试工具：ST-Link V2 下载器

• 测试引脚：选择 PA1（对应 TIM2 的通道 2）连接 LED

• 开发软件：STM32CubeMX、Keil MDK5 (使用 HAL 库)

二、定时器与PWM原理解析

（一）定时器

1.什么是定时器

单片机里的定时器其实就是一个硬件的计数器，工作时就像我们自己数数一样，从1开始累加下去。定时器是在晶振（时钟信号）的驱动下，按照固定的节拍不断累加计数。当计数达到我们想要的目标值时，他就会触发一个命令或者执行一个动作，达到我们想要的情况。

2. 核心运作参数

• 输入时钟 (Clock)：实验中配置的72MHz。
• 预分频器：如果把 PSC 设为 7199，那么实际给计数器的时钟频率就是 72MHz / (7199+1) = 10kHz（1秒钟跳1万次）。
• 自动重装载寄存器：就是实验中配置的Counter Period，它是定时器的“目标值”。当计数器从 0 数到 ARR 设置的值（比如 9999）时，就会发生溢出，产生中断，并重新回到 0 开始下一轮数数。

（二）PWM

1.什么是PWM

单片机的引脚只能输出数字信号：要么是 3.3V（纯高电平，全亮），要么是 0V（纯低电平，全灭）。那怎么让 LED 呈现出“半亮”或者“渐亮”的效果呢？
这就是PWM发挥作用的地方。它通过极其快速地不断开关引脚，利用人眼的视觉暂留效应（或者电容电感的平滑作用），让我们“感觉”到电压被降低了。

• 如果 1 秒内，开关各占一半时间，LED 看起来就是 50% 的亮度。

• 如果 1 秒内，90% 的时间开，10% 的时间关，LED 看起来就是 90% 的亮度。

2.核心概念

• 频率： 1 秒钟内开关循环的次数。频率太低，LED 就会闪烁（肉眼能看出来）；频率足够高（比如 1kHz），人眼就只能感觉到亮度的变化。PWM 的频率由定时器的 ARR 决定。

• 占空比： 在一个周期内，高电平（开）持续的时间占总时间的比例。占空比直接决定了等效输出电压的大小，也就是 LED 的亮度。

3.机制

STM32 的定时器内部还有一个非常重要的寄存器：捕获/比较寄存器 (Compare Register, 简称CCR)。定时器产生PWM时，计数器CNT与寄存器CCR开始工作：

• 假设 ARR = 999，CCR = 300。
• 当计数器 CNT 开始从 0 往上数，只要 CNT < 300，引脚输出高电平。
• 当 CNT 继续数，变成 300 到 999 之间时，引脚自动切换为低电平。
• 数到 999 溢出后，一切重来。

这样，占空比就是 300 / 1000 = 30%。在呼吸灯实验中，我们在 while(1) 循环里不断改变的，正是这个 CCR 的值！通过让 CCR 慢慢变大再慢慢变小，占空比跟着变化，就实现了优美的呼吸效果。

三、定时器控制LED灯

1.STM32CubeMX 配置

打开cubeMX，选择我们的STM32F103C8Tx，然后分别操作

• System Core -> RCC：高速时钟 (HSE) 选择 Crystal/Ceramic Resonator。

• System Core -> SYS：Debug 选择 Serial Wire。

在右侧的引脚图中，选择pa1引脚，设置为GPIO_Output。然后左侧菜单进入 Timers -> TIM2，Clock Source 选择 Internal Clock。
Prescaler (预分频) 设为 7199，Counter Period (重装载值) 设为 9999

切换到 Clock Configuration，HCLK 输入 72 并回车。
Project Manager 中设置工程名，IDE 选择 MDK-ARM，点击 GENERATE CODE。

2.添加核心代码

打开 Keil 工程，在 main.c 中添加以下代码：
在 /* USER CODE BEGIN 2 */ 中开启定时器中断：

/* USER CODE BEGIN 2 */HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);/* USER CODE END 2 */

在文件末尾 /* USER CODE BEGIN 4 */ 中重写中断回调函数：

/* USER CODE BEGIN 4 */voidHAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef*htim){if(htim->Instance==TIM2){HAL_GPIO_TogglePin(GPIOA,GPIO_PIN_1);}}/* USER CODE END 4 */

此时编译并下载到stm32，即可实现LED2秒周期闪烁。

3.实验效果视频

四、PWM模式实现呼吸灯

1.STM32CubeMX 重新配置

更改引脚复用功能：
在右侧芯片图中，左键点击 PA1，必须将模式从 GPIO_Output 更改为 TIM2_CH2。

定时器 PWM 设置：

• 进入 Timers -> TIM2。
• Channel2 选择 PWM Generation CH2。
• 修改参数以产生适合呼吸灯的 PWM 频率（如 1kHz）：
  Prescaler 设为 71 (此时定时器频率为 72M/72 = 1MHz)
  Counter Period (ARR) 设为 999 (PWM频率 = 1M/1000 = 1kHz)
  Pulse 保持 0。
  最后重新生成代码并覆盖原工程。

2.核心代码编写

在 main.c 中添加控制占空比动态变化的逻辑：

定义全局变量 (在 /* USER CODE BEGIN 1 */ 中)：

/* USER CODE BEGIN 1 */uint16_tpwm_val=0;// 记录当前占空比uint8_tdir=1;// 呼吸方向：1为渐亮，0为渐灭/* USER CODE END 1 */

开启 PWM 输出 (在 /* USER CODE BEGIN 2 */ 中)：

/* USER CODE BEGIN 2 */HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_2);/* USER CODE END 2 */

主循环逻辑 (放在 while(1) 内部)：

/* Infinite loop *//* USER CODE BEGIN WHILE */while(1){/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */if(dir==1){pwm_val+=5;}else{pwm_val-=5;}// 阈值判断，ARR设定的是999，最大占空比限制在1000以内if(pwm_val>=1000){dir=0;pwm_val=1000;}elseif(pwm_val==0){dir=1;}// 修改比较寄存器 CCR2 的值，动态改变占空比__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_2,pwm_val);// 延时调节呼吸速度 (每次增减5，一个完整周期约需 400步 * 4ms = 1.6秒)HAL_Delay(4);}/* USER CODE END 3 */

3.配置步骤

切换为软件仿真模式：

• 点击魔术棒 Options for Target -> Debug。

• 勾选左侧的 Use Simulator。

• 确保左下角 Dialog DLL 为 DARMSTM.DLL，Parameter 为 -pSTM32F103C8。

设置逻辑分析仪：

• 点击 Debug 图标 (红色的 d) 进入调试界面。

• 菜单栏选择 View -> Analysis Windows -> Logic Analyzer。

• 点击左上角 Setup，新建信号输入 PORTA.1 并按回车。

• 选中 PORTA.1，将下方的 Display Type 修改为 Bit，点击 Close。
  

4.实验效果视频

五、总结

本次实验通过 STM32CubeMX 和 Keil MDK5 平台，成功完成了基于 STM32F103C8T6 的定时器中断控制 LED 闪烁与 PWM 呼吸灯的两个核心项目。