STM32是意法半导体公司(ST)推出的基于ARM Cortex-M内核的一系列32位单片机，具有性能强、速度快、功耗低等优点。在该系列单片机中，STM32F0系列采用ARM Cortex-M0内核(功能较少)，STM32F1系列采用ARM Cortex~-M3内核，STM32F4系列采用ARM Cortex-M4内核(功能较多)。

0、引言


        在现有的物联网设备中，多采用STM32F1系列单片机，如图1所示。提示:ARM处理器是目前最有发展潜力的处理器之一，Cortex 系列内核是ARM处理器中最优秀的内核之一。在Cortex系列内核中，Cortex-M系列内核最适合物联网设备的开发。
        图1所示单片机的型号是STM32F103C8T6，其型号含义:字母“ST"表示芯片生产公司的名称，字母“M"表示该芯片是微控制器(Microelectron-ics)，数字“32"表示该芯片是32位单片机;字母“F”"表示通用型，即该单片机在性能、功能、功耗、价格方面较平衡，能满足绝大多数普通应用场合的要求;数字“103"表示子系列(STM32F系列单片机分为STM32F101、STM32F102、STM32F103、STM32F105、STM32F107等子系列)，其主频最高为72MHz， Flash的容量可选范围为16kB~1MB，具有USB和CAN总线功能;字母“C"表示该芯片有48个引脚，数字“8”表示该芯片的Flash的容量是64kB，字母"T”表示该芯片采用LQFP封装形式，数字“6”表示芯片的工作温度范围是-40C~859C(.工业级)。
          提示:若要了解STM32系列单片机的详细参数，可进入意法半导体公司的官方网站www.st.com，先在"产品”分类中找到“微控制器”一项，然后选择具体型号，双击打开即可。
1、开发板简介
           在物联网系统中，控制的核心元件是单片机， 而单片机只有在写入程序并且调试成功后，才能实现整个控制系统的功能。由于物联网系统中的传感器与驱动元件较多，且安装位置分散，不便于检测与调试。为了提高单片机的编程与调试效率，当今最流行的方法是采用开发板模式，即先将单片机(或者单片机最小系统板)安装在开发板上，然后进行编程与调试，待符合设计要求后，再安装到物联网控制板上试验。


           目前， STM32物联网开发板的品牌与型号较多，多由最小系统板与扩展板组成，如图2所示。最小系统板上安装有维持单片机正常工作的基本电路(供电复位、 晶振)，以及编程 串口IED指示灯、按键、蜂鸣器等实现基本功能的元件;扩展板上安装有继电器、温湿度传感器、WIFI模块、蓝牙模块以及各种总线接口等器件，这些元器件集中安装在一块板上，并可通过跳线实现元器件与单片机的连接，以便检测与调试。
           须说明的是，虽然最小系统板通过排针与扩展板相连，但最小系统板可以脱离扩展板而独立工作          提示:开发板( Demo Board )是指用来进行嵌入式系统开发的电路板，由中央处理器、存储器、数据通信电路、输入/输出设备和外部资源接口等硬件组成，主要用于学习或调试嵌入式系统的硬件和软件。
2、最小系统板电路分析
          最小系统板由单片机U4 (STM32F103C8T6)、低压差三端稳压块U1(AMS1117-3.3)、自动下载控制芯片U2(STC15W201S).USB转串口芯片U3(CH340C)、备用电池、晶振(包括主时钟晶振与实时时钟晶振)等元件组成。其中，U1~U3.备用电池与实时时钟晶振( 32.768kHz )等元件安装在板背面，如图3所示。


2、1供电电路
           本款开发板使用Micro USB接口为系统供电，当用连线将最小系统板上的Micro USB接口与电脑的USB口相接时，最小系统板上的U1~U3得到5V供电(S5V)，如图4所示。


          U1将1脚输入的5V电压稳压成3.3V，从2 脚输出(标注为“S3V");U2得电且运行开机指令后，8脚输出低电平信号(JS)，PNP型三极管VT2饱和导通，继电器J1线圈得电，其2、3脚与6、7脚内部的触点闭合，分别输出3.3V和5V电压(其标注分别为“3V"和“5V")，供给U4与扩展电路;U3得到S5V供电后，将5、6脚输入的UD+、UD-信号转变为TTL电平信号，分别通过2脚(TXD)和3脚(RXD)脚与U4的31脚、30脚进行数据交换，从而实现电脑与单片机之间的通信。
           电容C1、C3分别为S5V、S3V电压的滤波电容，C2、C4、C7、C8的作用是滤除高频杂波，以提高电路稳定性。
         U4设有1组模拟电源接口(8、9脚)和3组逻辑电源接口(23、24脚，35、36脚，47，48脚)，输入2V~3.6V的直流电压，其模拟电源供模数转换器(ADC)RC振荡器和PLL倍频等模拟电路，逻辑电源供ARM内核、存储器I/O端口和其他纯数字电路。对于稳定性和精度要求较高的场合，模拟电源与逻辑电源应分开供电，以避免电源间的干扰;对于稳定性和精度要求不高的场合，模拟电源与逻辑电源可合并在一起供电。
          备用电源BT1是一块独立的1.8V~3.6V 电源，多采用3V纽扣电池。在逻辑电源断开后，BT1给实时时钟电路(RTC )供电，以便RTC正常计时，同时给唤醒电路和后备寄存器供电，让它们一直处于工作状态。如果不使用单片机的RTC与唤醒等功能，则可以不接备用电源。
2、2自动下载控制(ASP)电路
          U4的44脚( BOOTO)、20脚( PB2/BOOT1，复用1/O端口)为单片机的启动模式设置端，给这两脚输入不同的电平状态，可让U4启动时进入不同的工作模式:当44脚为低电平时(不论20脚是什么状态)，U4在复位后运行FLASH(闪存)里面的用户程序，此模式称为正常启动模式;当44脚为高电平、20脚为低电平时，U4在复位后运行Boot Loader程序(该程序是在芯片出厂时由ST公司写入的一段程序，是一段ISP下载辅助程序，使用者是不能修改的)，其目的是让单片机与计算机上的ISP软件相互通信，将HEX文件存入单片机的FLASH或SRAM中，此模式称为FLASH-ISP模式;当44脚和20脚均为高电平时，U4在复位后将进入RAM-ISP模式(这个模式多用于开发过程中的程序调试，一般不使用 )。
         ISP下载的操作较复杂，具体流程如下:先让U4的44脚为高电平、20脚为低电平，再按复位键，让U4进入Boot Loader模式，然后单击烧录软件界面上的“编程”按钮，将程序写入FLASH或SRAM中，具体写到哪里取决于使用者对烧录软件相关选项的设置。如果程序下载到FLASH中，待程序下载成功后，须将U4的44脚置于低电平，再按复位键或重新上电，这时U4将运行FLASH中下载的程序;如果程序下载到SRAM中，待程序下载成功后，，须将U4的44脚和20脚都置为高电平，再按复位键或重新.上电，这时U4将运行SRAM中下载的程序。为方便使用者进行ISP下载操作，该款最小系统板设计有自动下载(ASP)控制电路，参见图4。
        U2是STC公司生产的单时钟/机器周期(1T)单片机，采用STC第九代加密技术，主要用于定时控制，具有高速、低功耗、可靠性高等优点，其代码完全兼容传统的8051单片机。U2的6、7脚分别与U4的44、20脚相连，U2的8脚输出开/关信号，控制3V和5V供电是否输出。当单击烧录软件界面上的“编程”按钮时，U2检测到下载指令后，其6~8脚会根据上述ISP下载的流程，自动输出相应的电平信号，从而达到一键下载的目的。
         MODE键与U2的1脚相连，单击MODE键可开/关3V和5V供电，即开/关U4与扩展电路的供电;双击MODE键可打开或关闭ASP功能，长按MODE键可让U2在FLASH-ISP和RAM-ISP两种模式间切换。
2、3晶振与复位电路
          时钟是单片机工作的必备信号，其作用是给单片机提供工作基准频率，时钟频率越高，单片机运行速度就越快。U4的5、6脚外接高速晶体振荡器(HSE)TX1，为内核工作提供时钟;3、4脚外接低速晶体振荡器(LSE )TX2，为芯片内部的RTC电路提供时钟，如图5所示。


         U4的7脚(NRST)为复位端，内接一个电压监控器，外接复位电容c9(在扩展板上，7脚还对地接有一只微动开关K1)。上电后，由于C9两端的电压不能突变，则7脚电压有一个从0V升到3.3V的过程。在此过程中，如果7脚电压低于2V时，监控器让U4复位;当7脚电压不小于2V时，监控器让U4进入工作状态，从而完成上电复位动作。
3、扩展电路分析
3、1继电器驱动电路


          指示灯L2 (红色)为继电器U3的工作指示灯，如图6所示。当U4的16脚(PA6)输出高电平时，三极管Q1截止，L2熄灭，同时U3线圈失电，U3不动作，其公共端3脚(KGB)与常闭触点端1脚(CK)接通;当U4的16脚(PA6)输出低电平时，Q1导通，L2亮，同时U3线圈得电，U3动作，其3脚与常开触点端5脚(CK )接通。
          D1为继电器保护二极管，当Q1截止时，U3线圈中的电流通路突然中断，若未安装D1，这时将在线圈两端产生较高的反向电动势，极性为左+右-，电压值达数百伏，这个电压极易导致Q1过压损坏。安装D1后，线圈产生的反向电动势通过D1放电，从而大幅降低其电压值，有效避免Q1过压损坏。
          提示:在分析单片机应用电路时，既要了解单片机内部电路的特点，还要了解单片机外围扩展电路的组成与工作原理。
3、2温湿度传感器电路
          DHT11是一款输出数字信号的温湿度复合传感器，内置一只电阻式感湿元件和一只NTC测温元件，其外围电路非常简单，如图7所示。


         DHT11的1脚(vcC )为供电端，工作电压范围为3.3V~5.5V;2脚(DQ)为单总线串行数据端，通过跳线P19与U4的20脚(PB2)相连。在实际使用中，若DHT11距离单片机较远，则需在DHT11的2脚上外接-只4.7k的上拉电阻，以确保该端在无数据交换时为高电平。
3、3光敏传感器电路
        本板上的光敏传感器电路实为0V~3.3V的模拟信号输入电路，光敏电阻RG1和可调电阻R11作为模拟信号源，如图8所示。


        3V电压经电阻R7与RG1分压，其分压值送给U4的15脚(PA5);R11一端接3V，另一端接地，其中心抽头通过电阻R9与U4的14脚(PA4)相连。RG1的阻值随光照强度的变化而变化，光照越强，其阻值越低。在无光照射时，实测RG1的阻值约为1.6MΩ，U4的15脚电压约为3.3V;在强光照射时，实测RG1的阻值约为0.5kΩ，U4的15脚电压约为0.1V。
3、4存储器电路

          扩展板上的存储器电路实为SPI[由摩托罗拉(Motorola )公司开发的全双工同步串行总线]通讯测试电路，存储器采用华邦公司推出的一款具有SPI接口的闪存(NOR Flash) 芯片W25Q128(U1)，如图9所示。


          U1的存储空间为128Mbit(即16M字节)，工作电压为2.7V~3.6V，其1脚(CS)为片选信号输入端(低电平有效)，6脚(CLK )为串行时钟输入端，2脚(SO)为数据输出端，5脚(SI)为数据输入端，这4个引脚分别与U4的25~28脚相连。
          U1的3脚(WP#)为写保护输入端，当该脚为低电平时，输入数据无法写入寄存器中;7脚(HOLD)为暂停控制端，当该引脚为低电平时，2脚呈高阻态，U1处于暂停工作状态。
3、5通信电路
          通讯电路是单片机与外部芯片或模块之间的数据交换电路，具体有RS485 CAN、USB、PC等电路，如图10所示。


     P8为MPU6050模块(轴运动处理传感器)的接口，即rC扩展接口，采用PC通信方式:SCL是总线的时钟线，用于主从设备间的计数同步;SDA是总线的数据线，用于收发数据。M1为Micro USB接口，U4的42、43脚通过数据线DATA+ DATA-与USB设备通信。U5(RS485)采用半双工通讯方式(单+5V供电)，其6、7脚为接收和发送的差分信号端，两脚之间接有阻值为1202的匹配电阻R19。当6脚电压高于7脚电压时，代表发送的数据为“1";反之，代表发送的数据为“0”。
           U5的1脚(RO)为接收器的数据输出端，4脚(DI)为驱动器的数据输入端，分别与U4的13脚、12脚相连。U5的2.3 脚分别为接收使能端和发送使能端，当2脚(RE)为低电平时，U5处于接收状态;当3脚(DE )为高电平时，U5处于发送状态。因U5工作在半双工状态，所以U5的2.3脚电平由U4同一脚(29脚)控制。
          U7(TJA1050)是-款应用于CAN协议控制器和物理总线之间的接口芯片，具有为CAN控制器提供差分发送和接收数据的功能，数据传输速率高达1Mbit/s，其6.7脚分别为低电平和高电平总线输入/输出端，与CAN总线接口相连;1脚(TXD)为串行数据发送端，4脚(RXD)为串行数据接收端，分别与U4的46脚、45脚相连。
3、6蓝牙(Blue tooth)电路
           本板的蓝牙电路采用JDY-08型透传模块，如图11所示。该模块采用蓝牙低功耗芯片CC2541，基于蓝牙4.0协议，工作频段为2.4GHz，调制方式为GFSK，最大发射距离为80m。


           本模块的22脚(POO) 为休眠唤醒信号输入端，低电平时被“唤醒”;20脚(P02)、19脚(P01 )分别为串口信号(TL电平)的输入与输出端，分别与U4的12脚、13脚相连。
3.7 WIFI电路
         本板的WIFI电路采用安信可科技公司开发的ESP-12F模块，其核心处理器为ESP8266，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议及完整的TCP/IP协议栈，如图12所示。


          本模块的8脚(vCC)为3.3V供电端，要求供电电流不得小于500mA;1脚(REST)为复位端，3脚为始能端，分别通过电阻R16、R20上拉到3V，10脚(GPI015) 通过下拉电阻R21到地;12脚(GPIO0)为模式控制端，外接.上拉电阻R15与按钮K3，当该脚为高电平时(断开K3)，模块工作在运行模式状态;当该脚为低电平时(闭合K3)，模块工作在下载模式状态;16脚(TXD )为串行数据发送端，15脚(RXD)为串行数据接收端，分别与U4的22脚、21脚相连。