1. 为什么STM32F1至今仍是入门嵌入式的首选
如果你在电子论坛或者技术群里问一句“新手学单片机选什么”，十个人里至少有六个会告诉你从STM32F1系列开始。这个答案放在十年前成立，放在今天依然成立，而且理由比当年更充分。STM32F1是意法半导体基于ARM Cortex-M3内核推出的32位微控制器家族，最经典的型号如STM32F103C8T6，也就是大家常说的“蓝板”或“最小系统板”，几十块钱就能买到一块，配套的教程、例程、开源项目多到看不完。它解决的核心问题是：让没有太多嵌入式基础的人，能够用较低的成本和较短的时间，理解32位MCU的完整开发流程——从时钟配置、GPIO操作、中断管理，到定时器、串口、ADC、I2C、SPI等外设的驱动编写。
我之所以在2025年还愿意花时间写这篇东西，是因为最近帮几个朋友处理STM32F1相关的项目时发现，网上资料虽然多，但要么太老（还在用标准外设库），要么太碎（只讲某个外设的配置代码，不讲为什么这样配），要么直接跳到HAL库但没讲清楚底层逻辑。更麻烦的是，很多人拿到DHT11温湿度传感器这类常见模块后，不知道该怎么和STM32F1配合使用，要么时序调不通，要么读出来的数据全是0或者255。所以这篇内容我会围绕STM32F1这个平台，把开发环境搭建、时钟系统理解、GPIO与定时器配合、DHT11单总线驱动实现、常见调试手段这几个核心环节串起来讲，既有原理层面的解释，也有可以直接复现的代码和操作步骤。适合刚接触STM32F1的初学者，也适合已经用过但想重新梳理底层逻辑的开发者。
2. 开发环境选型与工程模板搭建
2.1 标准库、HAL库与LL库的选择逻辑
STM32F1系列的开发方式主要有三种：标准外设库（Standard Peripheral Library）、HAL库（Hardware Abstraction Layer）和LL库（Low Layer）。标准库是ST早期推出的，直接操作寄存器，代码效率高，资料最丰富，但ST已经停止维护。HAL库是现在ST主推的，跨系列兼容性好，配合STM32CubeMX可以快速生成初始化代码，但代码体积大，执行效率相对低。LL库可以看作是HAL库的底层补充，直接操作寄存器，效率接近标准库，但API没有标准库那么直观。
我的建议是：如果你刚入门，先用标准库把STM32F1的基本外设跑一遍，理解寄存器的操作逻辑；等熟悉之后，再转到HAL库配合CubeMX做项目，提高开发效率。对于DHT11这种对时序要求比较严格的单总线设备，标准库或者LL库反而更容易调通，因为你可以精确控制延时。下面我以标准库为例，讲一下工程模板的搭建。
2.2 手动搭建标准库工程的关键步骤
很多人用Keil MDK新建工程时，直接选STM32F103C8器件，然后添加启动文件就完事了，结果编译报一堆错。问题出在缺少库文件和头文件路径配置。正确的做法是：
- 从ST官网下载STM32F10x标准外设库（版本3.5.0），解压后找到
Libraries文件夹，里面包含CMSIS和STM32F10x_StdPeriph_Driver两个目录。 - 在工程目录下新建
Startup、Library、User、CMSIS四个文件夹。把启动文件startup_stm32f10x_md.s（根据芯片容量选择，C8T6是中容量）放到Startup；把stm32f10x.h、system_stm32f10x.c/h放到CMSIS；把inc和src里的外设驱动文件放到Library；自己的main.c、stm32f10x_conf.h、stm32f10x_it.c/h放到User。 - 在Keil的Options for Target里，C/C++选项卡的Define栏填入
USE_STDPERIPH_DRIVER, STM32F10X_MD，Include Paths里添加上述四个文件夹的路径。 - 在
stm32f10x_conf.h里取消需要的外设头文件注释，比如#include "stm32f10x_gpio.h"、#include "stm32f10x_rcc.h"、#include "stm32f10x_tim.h"等。
注意：启动文件的选择非常关键。STM32F103C8T6的Flash是64KB，属于中容量产品，必须用
startup_stm32f10x_md.s。如果错选成hd（大容量）或ld（小容量），程序可能跑不起来或者中断向量表错位。
2.3 用CubeMX生成HAL库工程的注意事项
如果你决定用HAL库，STM32CubeMX确实能省很多事。但有几个坑我踩过：第一，CubeMX默认把系统时钟配置成内部HSI，精度不够，做串口通信容易出波特率误差，一定要在Clock Configuration里切换到HSE外部晶振，并把PLL倍频到72MHz。第二，生成工程时如果选MDK-ARM，注意勾选“Copy only necessary library files”，否则工程文件夹会非常大。第三，HAL库的延时函数HAL_Delay()依赖SysTick中断，如果在中断服务函数里调用它，会导致死锁，这一点在写DHT11驱动时要特别注意。
3. 时钟树与GPIO的底层逻辑：从寄存器到实际配置
3.1 STM32F1时钟系统的核心脉络
STM32F1的时钟系统比8位单片机复杂得多，但理解之后会发现它的设计很灵活。核心时钟源有四个：HSI（内部8MHz RC振荡器）、HSE（外部4-16MHz晶振）、LSI（内部40kHz RC，用于看门狗）、LSE（外部32.768kHz晶振，用于RTC）。这些时钟源经过PLL倍频、分频后，分配给AHB总线、APB1总线（低速，最高36MHz）、APB2总线（高速，最高72MHz）以及各个外设。
以最常见的STM32F103C8T6为例，外部接8MHz晶振，经过PLL 9倍频得到72MHz作为系统时钟SYSCLK。AHB预分频器设为1，所以HCLK=72MHz。APB1预分频器设为2，所以PCLK1=36MHz，挂载在APB1上的外设（如TIM2、TIM3、USART2、I2C1）时钟为36MHz。APB2预分频器设为1，所以PCLK2=72MHz，挂载在APB2上的外设（如GPIOA、USART1、SPI1、ADC1）时钟为72MHz。
为什么要搞清楚这些？因为后面配置定时器计算延时、配置串口计算波特率、配置DHT11的微秒级延时，都依赖准确的时钟频率。如果你用CubeMX生成了代码但没注意时钟配置，很可能实际运行频率和预期不一致，导致延时不准、通信失败。
3.2 GPIO八种工作模式的适用场景
STM32F1的每个GPIO引脚都可以配置成八种模式之一：输入浮空、输入上拉、输入下拉、模拟输入、开漏输出、推挽输出、开漏复用输出、推挽复用输出。很多人写代码时随便选一个推挽输出就完事了，但在实际项目中，模式选错会导致电平异常、功耗增加甚至损坏器件。
- 推挽输出：最常用，可以输出强高低电平，驱动LED、继电器等。输出速度根据需求选2MHz、10MHz或50MHz，速度越高功耗和EMI越大，不要无脑选50MHz。
- 开漏输出：输出端没有上拉，需要外部接上拉电阻，适合I2C总线、电平转换等场景。多个开漏引脚可以线与在一起，实现总线仲裁。
- 复用推挽输出：当引脚被用作外设功能（如USART_TX、SPI_SCK）时使用，由外设控制输出。
- 模拟输入：用于ADC采集，此时施密特触发器关闭，引脚直接连接到ADC模块。
- 输入上拉/下拉：用于按键检测，省去外部电阻。但要注意，STM32F1的内部上拉电阻约40kΩ，如果干扰严重，还是建议用外部4.7kΩ-10kΩ上拉。
配置GPIO的代码通常长这样：
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);提示：在配置GPIO之前，必须先使能对应端口的时钟。忘记使能时钟是新手最常见的错误之一，表现是引脚完全没反应，但代码编译没问题。
3.3 用定时器实现微秒级延时的两种方案
DHT11的通信协议要求微秒级延时，比如主机拉低总线至少18ms，然后拉高20-40us，再读取从机的响应。如果用HAL_Delay()或者循环空转，精度根本不够。我试过两种方案：
方案一：用SysTick定时器做微秒延时。SysTick是Cortex-M3内核自带的24位递减计数器，配置成1us中断一次，然后在中断里对一个全局变量累加。但这种方法在中断里累加，如果延时期间被其他高优先级中断打断，精度会受影响。
方案二：用通用定时器TIM做微秒延时。以TIM4为例，挂载在APB1上，时钟36MHz。设置预分频器PSC=35，则计数频率为1MHz，即每计数一次1us。设置自动重装载值ARR=65535，然后通过读取当前计数值来计算延时。这种方法的精度取决于定时器时钟的准确性，比SysTick更稳定。
我最终采用的是方案二的变体：不开启定时器中断，直接启动定时器，在循环里读取计数值，达到目标延时后关闭定时器。代码片段如下：
void delay_us(uint16_t us) { TIM_SetCounter(TIM4, 0); TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); while (TIM_GetCounter(TIM4) < us); TIM_Cmd(TIM4, DISABLE); }这个函数在72MHz系统时钟、APB1=36MHz、PSC=35的条件下，实测延时误差在1us以内，足够DHT11使用。
4. DHT11单总线驱动的完整实现与调试
4.1 DHT11的通信协议拆解
DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，内部由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，通过单总线与MCU通信。一次完整的通信过程包括：主机发送起始信号、从机响应、从机发送40位数据、主机读取数据。
具体时序如下：
- 主机拉低总线至少18ms，然后拉高20-40us，等待从机响应。
- 从机检测到起始信号后，拉低总线80us，再拉高80us，表示准备发送数据。
- 从机依次发送40位数据，每一位以50us低电平开始，随后高电平持续26-28us表示“0”，持续70us表示“1”。
- 最后一位数据发送完毕后，从机拉低总线50us，然后释放总线，进入空闲状态。
40位数据的格式是：8位湿度整数 + 8位湿度小数 + 8位温度整数 + 8位温度小数 + 8位校验和。校验和等于前四个字节之和的低8位。DHT11的湿度小数和温度小数通常为0，因为它的分辨率是1%RH和1℃。
4.2 GPIO模式切换与代码实现
DHT11的数据线需要双向通信，所以GPIO要在输出和输入模式之间切换。我把它接在PB12上，配置代码如下：
#define DHT11_GPIO_PORT GPIOB #define DHT11_GPIO_PIN GPIO_Pin_12 #define DHT11_RCC RCC_APB2Periph_GPIOB void DHT11_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(DHT11_RCC, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_GPIO_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(DHT11_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); GPIO_SetBits(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN); } void DHT11_SetOutput(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_GPIO_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(DHT11_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); } void DHT11_SetInput(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = DHT11_GPIO_PIN; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; GPIO_Init(DHT11_GPIO_PORT, &GPIO_InitStructure); }读取数据的核心函数如下：
uint8_t DHT11_ReadByte(void) { uint8_t i, byte = 0; for (i = 0; i < 8; i++) { while (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN) == 0); delay_us(40); byte <<= 1; if (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN) == 1) { byte |= 1; while (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN) == 1); } } return byte; } uint8_t DHT11_ReadData(uint8_t *temp, uint8_t *humi) { uint8_t buf[5], i; DHT11_SetOutput(); GPIO_ResetBits(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN); delay_ms(20); GPIO_SetBits(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN); delay_us(30); DHT11_SetInput(); if (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN) == 0) { while (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN) == 0); while (GPIO_ReadInputDataBit(DHT11_GPIO_PORT, DHT11_GPIO_PIN) == 1); for (i = 0; i < 5; i++) { buf[i] = DHT11_ReadByte(); } if (buf[0] + buf[1] + buf[2] + buf[3] == buf[4]) { *humi = buf[0]; *temp = buf[2]; return 1; } } return 0; }4.3 调试中常见的三个问题与排查方法
问题一：读出来的数据全是0或者255。最常见的原因是延时不准。DHT11对时序非常敏感，尤其是读取每一位数据时，判断高电平持续时间的那个40us延时。如果系统时钟不是72MHz，或者定时器配置有误，这个延时就会偏差很大。我的排查方法是：用示波器或者逻辑分析仪抓一下数据线的波形，看起始信号、响应信号、数据位的高低电平时间是否符合手册要求。如果没有仪器，可以临时把延时函数改成循环空转，通过调整循环次数来逼近正确时序。
问题二：第一次读取成功，第二次失败。这种情况通常是总线没有正确释放。DHT11在通信结束后会释放总线，但如果你在读取完数据后没有把GPIO切回输出模式并拉高，下一次通信时主机拉低总线的动作可能无效。我的做法是在每次读取失败后，重新初始化GPIO为推挽输出并拉高，等待至少1秒再重试。DHT11的采样周期建议不低于1秒，频繁读取会导致传感器发热，湿度读数偏高。
问题三：湿度值一直偏高或偏低。这通常不是驱动问题，而是传感器放置位置的问题。DHT11对安装环境有要求，不要把它放在MCU芯片旁边，因为芯片发热会影响温度读数，进而影响湿度计算。也不要把传感器密封在壳子里，要保持空气流通。我在一个项目里把DHT11放在STM32F1板子正上方5mm处，读出来的温度比实际环境高了3℃，后来把传感器用排线引出10cm，数据就正常了。
5. 从裸机到实用：数据滤波、串口输出与低功耗处理
5.1 对DHT11原始数据做滑动平均滤波
DHT11的精度是±2℃和±5%RH，本身就不高，再加上单总线通信容易受干扰，读出来的数据偶尔会跳变。直接显示原始值体验很差，我通常会在MCU端做一个滑动平均滤波。具体做法是：定义一个长度为5的数组，每次读取成功后把新数据存入，然后计算平均值。如果某次读取失败，就用上一次的有效值填充，避免数据断层。
#define FILTER_LEN 5 uint8_t temp_buf[FILTER_LEN] = {0}; uint8_t humi_buf[FILTER_LEN] = {0}; uint8_t buf_index = 0; void Update_Filter(uint8_t temp, uint8_t humi) { temp_buf[buf_index] = temp; humi_buf[buf_index] = humi; buf_index = (buf_index + 1) % FILTER_LEN; } uint8_t Get_Filtered_Temp(void) { uint16_t sum = 0; for (uint8_t i = 0; i < FILTER_LEN; i++) sum += temp_buf[i]; return sum / FILTER_LEN; }这个滤波方法简单有效，代价是响应速度变慢，适合环境变化不剧烈的场景。如果要做快速响应，可以改用中值滤波或者卡尔曼滤波，但计算量会大一些。
5.2 通过串口把温湿度数据发到上位机
STM32F1的USART1挂载在APB2上，时钟72MHz，配置成115200波特率很方便。初始化代码如下：
void USART1_Init(uint32_t bound) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; USART_InitTypeDef USART_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_USART1 | RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_10; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); USART_InitStructure.USART_BaudRate = bound; USART_InitStructure.USART_WordLength = USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits = USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity = USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl = USART_HardwareFlowControl_None; USART_InitStructure.USART_Mode = USART_Mode_Rx | USART_Mode_Tx; USART_Init(USART1, &USART_InitStructure); USART_Cmd(USART1, ENABLE); }发送数据时，用printf重定向会更方便。在Keil里勾选“Use MicroLIB”，然后重写fputc函数：
int fputc(int ch, FILE *f) { while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET); USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); return ch; }这样就能在串口助手里看到格式化的温湿度数据了。我习惯每2秒发送一次，格式为“Temp: 25C, Humi: 60%”，方便用串口绘图工具做趋势图。
5.3 低功耗场景下的DHT11读取策略
如果你的STM32F1项目是电池供电的，比如无线温湿度节点，那就要考虑功耗。DHT11本身工作电流约1mA，不算高，但STM32F1在72MHz全速运行时的电流约30-50mA，这才是耗电大户。我的做法是：让STM32F1在大部分时间进入Stop模式，用RTC闹钟或者外部中断唤醒，醒来后快速读取DHT11，通过串口或无线模块发送数据，然后继续休眠。
具体流程是：配置RTC每2秒产生一次闹钟中断，在中断里退出Stop模式，读取DHT11，发送数据，然后重新进入Stop模式。注意，进入Stop模式前要把GPIO配置成模拟输入或者保持状态，避免悬空引脚漏电。DHT11的数据线在空闲时应该由主机拉高，所以进入Stop模式前要把PB12设置为推挽输出并输出高电平。
实测下来，这种策略可以把平均电流降到2mA左右，用两节AA电池能撑好几个月。当然，如果你对功耗要求更极致，可以考虑用STM32L系列，但那是另一个话题了。
6. 几个容易忽略的硬件细节与个人经验
6.1 电源去耦与复位电路
STM32F1的每个电源引脚旁边都要放一个100nF的陶瓷电容，越靠近引脚越好。我见过有人画PCB时把去耦电容放在板子另一面，结果ADC采集出来的数据跳动很大。另外，NRST引脚上接一个100nF电容到地，可以防止复位引脚受干扰导致MCU意外复位。BOOT0和BOOT1引脚要接10kΩ下拉电阻到地，确保从主Flash启动。
6.2 晶振布局与负载电容
外部8MHz晶振要尽量靠近MCU的OSC_IN和OSC_OUT引脚，走线要短且对称。负载电容通常选20pF，但具体值要根据晶振手册来定。如果晶振不起振，先检查焊接有没有虚焊，再检查负载电容是否匹配。我遇到过一批板子，晶振能起振但频率偏了0.5%，导致串口波特率误差累积，通信偶尔出错，后来把负载电容从20pF换成15pF就正常了。
6.3 SWD调试接口的保留
不管项目多小，我都会把SWD接口（SWDIO、SWCLK、GND、3.3V）引出来，用4Pin的排针。这样调试时可以直接用ST-Link下载和单步调试，比串口打印高效得多。注意SWDIO和SWCLK不要被其他外设占用，如果必须复用，要在初始化时先配置成SWD功能，否则下次下载程序时可能连不上。
6.4 关于DHT11替代方案的思考
DHT11便宜、简单，但精度和响应速度确实一般。如果你做的是需要精确控温的项目，比如孵化器、恒温箱，建议换成DHT22（AM2302）或者SHT30。DHT22的精度是±0.5℃和±2%RH，价格贵一些但值得。SHT30是I2C接口，精度更高，而且有工业级版本。不过对于学习STM32F1的单总线驱动来说，DHT11依然是最好的练手对象，因为它把时序要求推到了极致，调通之后再去看其他单总线设备，会发现思路完全一样。
我在实际项目中用STM32F103C8T6配合DHT11做过一个温室监控节点，连续运行了三个月，中间只出现过两次读取失败，都是因为传感器附近湿度突然变化太大导致的。后来加了滑动平均滤波和失败重试机制，就再没出过问题。这个组合虽然简单，但稳定性足够应付大多数非工业场景。如果你也在用STM32F1和DHT11做东西，希望上面这些代码和经验能帮你少走点弯路。
