3.3 GPIO输入

2025年2月14日大约 6 分钟

一、硬件电路

1.1 按键

简介：常见的输入设备，按下导通，松手断开。

抖动问题：由于按键内部使用的是机械式弹簧片来进行通断的，按下和松手瞬间，信号在高低电平转换时会多次抖动，抖动时间通常在 5 - 10ms。虽人眼难以察觉，但对高速运行的单片机可能导致误判。常用解决方法是在程序中添加延时，避开抖动时间。

硬件电路接法：

一共有四种接法，分上接和下接两种方式，下接方式更为常用。

下接：
- 左侧电路
  GPIO 配置为上拉输入模式。按键按下时，PA0 被下拉至地，读取电压为低电平；按键松开时，PA0 为上拉状态，呈高电平。
- 右侧电路
  GPIO 可配置为上拉输入或浮空模式。按键按下时，PA0 被下拉至地，读取电压为低电平；按键松开时，PA0 为上拉或浮空状态，均呈高电平。
上接：

1.2 传感器模块

模块概述：以下为光敏电阻、热敏电阻、对射式红外和反射式红外四种传感器模块。它们电路结构和工作原理相似，均利用传感器元件（如光敏电阻、热敏电阻、红外接收管等），其电阻随外界模拟量变化而改变，如光线越强，光敏电阻阻值越小。

电路原理：

由于电阻变化不易观察，通常将传感器元件与定值电阻串联分压，获取模拟电压输出。还可以通过电压比较器对模拟电压进行二值化处理，得到数字电压输出。

见下方图片中间部分，N1 代表随外界环境变化的可变电阻，R1 是用于分压的定值电阻，AO 端输出模拟电压，C2 为滤波电容。根据分压原理不难看出，当 N1 阻值增大时，AO 端电压减小，反之增大。

见下方图片左侧部分，数字电压输出是通过 LM393 电压比较器实现的，IN+ 电压大于 IN- 时，输出端 DO 接 VCC，反之接 GND。

基本数据类型：C 语言基本数据类型包括 char、short、int、long、float、double 等。在不同单片机系统中，数据类型所占位数有差异。如在 51 单片机中，int 占 16 位，在 STM32 中占 32 位。若需使用 16 位数据，在 STM32 中用 short 表示。此外，还有无符号类型，如 unsigned char、unsigned short 等，取值范围与有符号类型不同。

数据类型重命名：由于 C 语言部分数据类型名字较长，且 int 位数因系统而异，名字有时不能准确反映含义，C 语言和标准库提供了新名字。引入 stdint.h 头文件，可使用新类型定义，如 int8_t、uint8_t、int16_t、uint16_t 等，更直观体现数据位数和有无符号属性。

注意

标准库中曾使用 u8、u16 等定义，虽新版本库函数仍支持，但从兼容性和规范性考虑，建议使用新的官方定义，即 stdint 关键字。

关键字	位数	表示范围	stdint关键字	ST关键字
`char`	8	-128~127	int8_t	s8
`unsigned char`	8	0~255	uint8_t	u8
`short`	16	-32768~32767	int16_t	s16
`unsigned short`	16	0~65535	uint16_t	u16
`int`	32	-2147483648~2147483647	int32_t	s32
`unsigned int`	32	0~4294967295	uint32_t	u32
`long`	32	-2147483648~2147483647
`unsigned long`	32	0~4294967295
`long long`	64	-(2^64)/2~(2^64)/2-1	int64_t
`unsigned long long`	64	0~(2^64)-1	uint64_t
`float`	32	-3.4e38~3.4e38
`double`	64	-1.7e308~1.7e308

2.2 宏定义

用途：宏定义关键字为 #define，主要有两个用途。一是用有意义的字符串代替数字，增强代码可读性，防止出错，如用 HIGH_LEVEL 代表高电平 1，LOW_LEVEL 代表低电平 0。二是提取程序中频繁出现的参数，便于集中修改，若程序多处使用同一参数，通过宏定义只需在一处修改。

定义与引用：
在 STM32 程序中，宏定义常用于表示 GPIO 口编号，使代码更简洁清晰。

#define ABC 12345  //宏定义，表示用 ABC 替代 12345

int a = ABC;  //等效于int a = 12345;

2.3 typedef

用途：typedef 关键字用于将较长的变量类型重命名，简化代码书写。如：

typedef unsigned char uint8_t;  //定义typedef

uint8_t a;	//等效于unsigned char a;

与宏定义的区别：宏定义新名字在左边，无需分号，可对任意名字替换；typedef 新名字在右边，后面必须加分号，只能用于变量类型重命名。因此，对变量类型重命名时，typedef 更安全，会对命名进行检查，确保合法。

2.4 结构体

用途：结构体是 C 语言的组合数据类型，用于组合不同类型的数据。在复杂程序中，结构体有助于数据管理与传递，增强代码逻辑可读性。如描述学生信息时，可用结构体将姓名、年龄、成绩等整合，方便统一管理。

定义与引用：定义结构体时，使用 struct 关键字，后跟结构体名称和花括号，花括号内列出成员变量及其类型，如：

struct Student {
    char name[20];
    int age;
    float score;
};

引用结构体成员时，可用结构体变量名加点运算符，如：

struct Student stu;
stu.age = 20;

由于结构体在函数间数据传递通常采用地址传递，还可使用结构体指针加 -> 运算符引用成员，如：

stu.name = 'May';
stu.age = 20;
stu.score = 3.67;
pstu.name->x = 'May';  //pstu为结构体的地址	
pstu.age->y = 20;
pstu.score->z = 1.23;

2.5 枚举

用途：枚举关键字为 enum，是一种数据类型，用于定义取值受限的整型变量，限制变量取值范围。枚举是宏定义的集合。

定义与引用：
定义枚举时，用 enum 关键字，后跟枚举类型名和花括号，花括号内列出取值。引用枚举变量时，只能赋枚举中定义的值。

因为枚举变量类型较长，所以通常用typedef更改变量类型名，如定义枚举变量表示一周的天数：

typedef enum {
    Monday = 1,
    Tuesday = 2,
    Wednesday = 3,
    Thursday = 4,
    Friday = 5,
    Saturday = 6,
    Sunday = 7
} Week_t;

enum Week_t week;
week = Monday;     //等同于 week = 1;
week = Tuesday;    //等同于 week = 2;
week = (Week_t)3;  //如果想要赋具体的值，需要强制类型转换

若赋未定义的值，编译器会发出警告。

枚举也有类似于宏定义的功能，可以随意定义变量，把枚举值赋给变量，如：

int day = Monday;  //等同于 int day = 1;