【STM32】GPIO(超详细)

🕗 发布于 2024-11-25 10:41 stm32 嵌入式硬件 单片机 51单片机驱动开发

使用的单片机机型为STM32F103C8T6

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文章目录

GPIO基本结构
GPIO模式(重点)
编程实例

GPIO（General Purpose Input/Output）通用输入输出接口，是一种可以在微控制器（MCU）或其他数字电子设备上配置为输入或输出的接口。常用于与外部设备进行通信和控制。

GPIO的基本功能包括：

输入模式（Input）：将GPIO引脚配置为输入模式时，设备可以读取外部设备（如传感器、开关等）的信号。例如，接收温度传感器的输出，或检测按键的状态。
输出模式（Output）：将GPIO引脚配置为输出模式时，设备可以向外部设备发送信号。例如，控制LED灯的开关，或者驱动继电器、蜂鸣器等硬件。

STM32系统结构

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Cortex-M3：CPU核心
DMA1/2：辅助CPU，做一些频繁的数据搬运的工作
APB1/2：外设总线
- APB1：适用于低功耗、低速、低带宽的外设，适合一些控制任务和低速通信任务
- APB2：适用于对时钟频率要求较高的外设，适合需要更高带宽、更高精度的任务

GPIO 就处于 APB2 总线上

GPIO基本结构

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GPIO 总共有 A ~ G，7个外设，每个 GPIO 有一个寄存器和驱动器，因为引脚为16根，所以寄存器为16位，每位控制一个一个引脚。STM32地址为32位，所以寄存器只用到了地址的低16位，高16位没有使用

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输出：当寄存器写入0，通过驱动器输出对应端口低电平；当寄存器写入1，通过驱动器输出对应端口高电平

输入：驱动器将端口的高低电平转化为0/1，写入寄存器，再通过 APB2 总线读取

GPIO模式(重点)

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GPIO内部，由输入输出寄存器，输入输出驱动器，外部引脚组成

I/O引脚及保护电路

首先讲解一些 I/O引脚及其保护电路

输出模式时，I/O引脚由输出驱动器控制，不会有问题。但为输入模式时，I/O引脚由外部控制。若无保护电路，当外部电压过高或过低时，都会对驱动器及寄存器造成损害

保护二极管作用如下：
VDD为电源正极，通常为3.3V；VSS为负极

当电压过高时，电流会导通到VDD
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当电压过低时，电流会导通到外部

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如此就不会损害内部电路

输入模式

输入有四个模式：浮空输入，上拉输入，下拉输入，模拟输入

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数据从 I/O引脚进入输入驱动器，会先经过两个开关和电阻，一个接VDD(正极)为上拉电阻，一个接VSS(负极)位下拉电阻，可通过程序配置哪个开关导通

当上面开关导通，下面开关关闭，为上拉输入模式
可读取引脚电平，若引脚悬空，默认输入高电平
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当上面开关关闭，下面开关打开，为下拉输入模式
可读取引脚电平，若引脚悬空，默认输入低电平

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当上下开关都不导通，为浮空输入模式
可读取引脚电平，当引脚悬空时，电平不确定，极易受外界影响。
使用浮空输入时，需要确保输出源是连续不断的，不能出现浮空的状态

上拉电阻和下拉电阻的阻值都较大，防止影响电路，为弱上/下拉

左侧为施密特触发器(肖特基为翻译错误)，作用是将不稳定的电平转化为稳定的电平。因为电平转化为数字只有0/1，而不稳定的电平会造成不稳定的输入

原理：设定上下阈值，当电平高于上阈值，切换为高电平；当电平低于下阈值，切换为低电平

示例：

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最往左将输入写入输入数据寄存器，可通过APB2总线读出数据

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模拟输入

GPIO无效，引脚直接接入内部ADC，用于AD电模转换。因为读取电平值，所以在施密特触发器前

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复用功能输入

直接接在一个需要输入的外设上，如串口的输入引脚，因为需要的是数据量，所以在施密特触发器后

输出模式

输出有四种模式：开漏输出，推挽输出，复用开漏输出，复用推挽输出

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推挽输出

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首先，通过寄存器写入数据0/1。
当写入数据1时，上面的晶体管导通，连接VDD输出高电平

在这里插入图片描述

当写入数据0时，下面的晶体管导通，连接VSS输出低电平

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推挽输出的高低电平由正负极决定，有较强的电流和驱动能力
典型的应用包括LED驱动、电机控制、PWM信号输出、串行通信、信号发生器、继电器驱动以及高频信号传输等领域。

开漏输出

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开漏输出不使用上面的晶体管，通常还需要外接一颗上拉电阻

当寄存器写入数据0，下面的晶体管导通，输出低电平

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当寄存器写入数据1，下面的晶体管断开，此时为高阻态，不会有电流流过，由上拉电阻接的电源提供高电平

在这里插入图片描述

为什么要这样设计呢？

因为单片机有多机通信的场景，例如 I²C、SPI。
多个设备挂载在一条通信总线上

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如果采用推挽输出，假设一个设备输出高电平，一个设备输出低电平，会出现以下场景

在这里插入图片描述

此时必有一个晶体管会被烧毁
而开漏输出搭配上拉电阻就可以规避这个场景

在这里插入图片描述

高电平由上拉电阻输出
对于每个设备，想输出低电平，就导通N-MOS晶体管；想输出高电平，就关闭N-MOS，由上拉电阻输出高电平

此时，可能场景如下：

两个都输出低电平，导通N-MOS，VDD会导向任意一个，此时输出低电平
两个都输出高电平，都关闭N-MOS，为高阻态，不会有电流流过，由上拉电阻输出高电平
一个输出高电平，一个输出低电平。一个关闭N-MOS，一个开启N-MOS。此时VDD被拉低，输出低电平

尽管无法满足部分设备的输出，但是避免了晶体管烧毁的情况

推挽输出和开漏输出由左侧的数据输出寄存器控制，而复用推挽输出和复用开漏输出由片上外设控制

在这里插入图片描述

编程实例

GPIO闪烁灯

ST封装了GPIO的库函数，步骤如下：

开启指定的GPIO外设时钟使能

//使能时钟
//接在A0端口，属于GPIOA
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

初始化/配置GPIOA

//初始化GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;//A0引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//50MHz速度
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_Mode：GPIO的8种模式
GPIO_Pin：要配置的引脚，共16个

GPIO_All 代表全部16个引脚，多个引脚可以同时配置，使用 |

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2;

GPIO_Speed：I/O口翻转的速度，配置 GPIO 引脚工作速度

在这里插入图片描述

低速（GPIO_Speed_Level_1）：
适用于一些不需要快速响应的简单应用，比如低频信号的数字输入输出（例如按键扫描、开关控制等）
中速（GPIO_Speed_Level_2）：
适合一般用途的 GPIO 引脚，响应速度适中。例如常见的外设接口（如 UART），或者中等速度的信号控制
高速（GPIO_Speed_Level_3）：
用于要求较高数据传输速率的应用，如 SPI、I2C 通信，或者需要频繁切换的数字输出

读/写数据

ST同样提供了数据读写的方法，在stm32f10x_gpio.h 最后可以看到定义

API	参数	返回值	说明
uint8_t GPIO_ReadInputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG GPIO_Pin：指定引脚，0 ~ 15	从指定引脚读到的数据	读取指定GPIO外设的`输入寄存器数据`的某一位
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG	输入寄存器的16位数据	读取指定GPIO外设的16位`输入寄存器数据`
uint8_t GPIO_ReadOutputDataBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG GPIO_Pin：指定引脚，0 ~ 15	从指定引脚读到的数据	读取指定GPIO外设的`输出寄存器数据`的某一位
uint16_t GPIO_ReadOutputData(GPIO_TypeDef* GPIOx);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG	输出寄存器的16位数据	读取指定GPIO外设的16位`输出寄存器数据`
void GPIO_SetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG GPIO_Pin：指定引脚，0 ~ 15	无	将指定GPIO外设的指定引脚`置1`
void GPIO_ResetBits(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG GPIO_Pin：指定引脚，0 ~ 15	无	将指定GPIO外设的指定引脚`置0`
void GPIO_WriteBit(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin, BitAction BitVal);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG GPIO_Pin：指定引脚，0 ~ 15 BitVal：要写入的数据，0/1	无	将BitVal写入GPIO外设的指定引脚
void GPIO_Write(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t PortVal);	GPIOX：指定GPIO外设，GPIOA ~ GPIOG PortVal：要写入的16位数据	无	将PortVal写入GPIO外设

我们通过操作GPIO输出寄存器输出高低电平，高低电平就可以控制LED的亮灭

LED灯的介绍可参看【51单片机】点亮LED

简单来说，引脚输出低电平——灯亮，输出高电平——灯灭

接线图 如下：
我们将LED接在A0端口
在这里插入图片描述

要实现LED闪烁，需要周期控制LED亮灭，此处直接提供 Delay(延迟) 方法

Delay.h

#ifndef __DELAY_H
#define __DELAY_H

void Delay_us(uint32_t us);
void Delay_ms(uint32_t ms);
void Delay_s(uint32_t s);

#endif

Delay.c

#include "stm32f10x.h"

/**
  * @brief  微秒级延时
  * @param  xus 延时时长，范围：0~233015
  * @retval 无
  */
void Delay_us(uint32_t xus)
{
SysTick->LOAD = 72 * xus;//设置定时器重装值
SysTick->VAL = 0x00;//清空当前计数值
SysTick->CTRL = 0x00000005;//设置时钟源为HCLK，启动定时器
while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000));//等待计数到0
SysTick->CTRL = 0x00000004;//关闭定时器
}

/**
  * @brief  毫秒级延时
  * @param  xms 延时时长，范围：0~4294967295
  * @retval 无
  */
void Delay_ms(uint32_t xms)
{
while(xms--)
{
Delay_us(1000);
}
}
 
/**
  * @brief  秒级延时
  * @param  xs 延时时长，范围：0~4294967295
  * @retval 无
  */
void Delay_s(uint32_t xs)
{
while(xs--)
{
Delay_ms(1000);
}
}

周期控制LED亮灭就可以实现闪烁灯效果
代码如下：

/**
  * @briefA0端口LED闪烁，以一定频率
  * @parm无
  * @retval无
  */
void FlashingLED()
{
//使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
//初始化GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;//A0引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//50MHz速度
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

while(1)
{
GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);//低电平，灯亮
Delay_ms(500);
GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_0);//高电平，灯灭
Delay_ms(500);
}
}

流水灯

接线图如下：
在这里插入图片描述

流水灯是在闪烁灯的基础上，周期控制不同灯亮灭

代码如下：

/**
  * @briefA0 ~ A7端口流水灯
  * @parm无
  * @retval无
  */
void WaterfallLED()
{
//使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
//初始化GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_All;//A0 ~ A15
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//50MHz速度
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

while(1)
{
unsigned int LED = 0x0001;
for(int i = 0; i < 8; ++i)
{
GPIO_Write(GPIOA, ~LED);
LED <<= 1;
Delay_ms(300);
}
}
}

引脚输出控制蜂鸣器

蜂鸣器的介绍可参看【51单片机】蜂鸣器演奏天空之城

STM32的蜂鸣器是有源蜂鸣器，不需要我们控制振荡频率，所以发声频率一定。低电平发声，高电平不发声

接线图如下：

在这里插入图片描述

因为蜂鸣器也是低电平导通，本质和LED相同，区别就是我们将I/O口接在了GPIOB的B12引脚
代码如下：

/**
  * @briefB12控制蜂鸣器
  * @parm无
  * @retval无
  */
void Buzzer()
{
//使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//初始化GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;//B12
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//50MHz速度
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

while(1)
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//低电平，蜂鸣器响
Delay_ms(100);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//高电平，蜂鸣器不响
Delay_ms(100);
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//低电平，蜂鸣器响
Delay_ms(100);
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);//低电平，蜂鸣器响
Delay_ms(700);
}
}

按键控制LED

接线图如下
在这里插入图片描述

按键

详细的介绍可参看【51单片机】独立按键

按键：是常见的输入设备，按下导通，松手断开

按键抖动：由于按键内部使用的是机械式弹簧片进行通断，所以在按下和松手的瞬间会伴随一连串的抖动

在这里插入图片描述

规避按键抖动的方法之一就是，检测到按键按下后，延迟10 ~ 20ms，跳过抖动。松开后同样要延迟

因为按键是输入设备，所以配置GPIO时，需要配置为上拉输入或下拉输入

Key.c

/**
  * @brief初始化GPIOB部分引脚服务按键
  * @parmGPIO_Pin：要配置的引脚
  * @retval无
  */
void Key_Init(uint16_t GPIO_Pin)
{
//时钟使能
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//配置GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin;//配置引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//I/O口翻转速度
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

/**
  * @brief获取按键按下，若两个按键先后相近按下，会返回编号靠后的按键
  * @parm无
  * @retval按键按下，根据引脚编号 范围：1 ~ 16
  */
uint8_t Key(void)
{
uint8_t Key = 0;

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 0)
{
Delay_ms(20);//过滤抖动
while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_0) == 0);//等待按键松开
Delay_ms(20);
Key = 1;
}

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_10) == 0)
{
Delay_ms(20);//过滤抖动
while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_10) == 0);//等待按键松开
Delay_ms(20);
Key = 11;
}
return Key;
}

主程序逻辑就是循环检测按键按下，检测有按键按下后，根据按键控制LED

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Delay.h"
#include "LED.h"
#include "Key.h"

int main()
{
LED_Init(GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1);
Key_Init(GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_10);
while(1)
{
uint8_t KeyNum = Key();
if(KeyNum == 1)
LED_Tun(GPIO_Pin_0);
if(KeyNum == 11)
LED_Tun(GPIO_Pin_1);
}
}

完整项目链接：【STM32】按键控制LED

光敏电阻控制蜂鸣器

光敏电阻用于传感器模块

传感器元件（光敏电阻/热敏电阻/红外接收管等）的电阻会随着外界模拟量的变化而变化，通过与定值电阻分压即可得到模拟电压输出，再通过电压比较器进行二值化即可得到数字电压输出

硬件电路如下：

在这里插入图片描述

我们逐步分析

首先，N1为光敏电阻/热敏电阻，与R1进行串联分压。

一旁的C2电容，一端接电路，一端接GND，起到了滤波电容的作用，过滤一些不稳定的电压，使得电压更加平滑

在这里插入图片描述

如此，AO 和 IN+ 随着 N1 阻值的改变就会获得不同的电压。

利用上下拉电阻分析
当 N1 阻值变小，下拉能力增强，AO 电压变小。当 N1 无限小时，相当于AO直接接在GND，输出低电平
当 N1 阻值变大，下拉能力减弱，AO 被 R1 的上拉拉高，AO 电压变大。当 N1 无限大时，相当于断路，AO 与 VCC 相连，输出高电平

左侧的 IN+ 接在电压比较器，用于获得数字电压；AO 接在外部引脚，用于输出模拟电压

在这里插入图片描述

电压比较器

在这里插入图片描述

右侧的 R2 为可调电阻，用于与 IN+ 输入的电压进行比较

左侧的两个电压比较器构成运算放大器，当 IN+ 电压高于 IN-，输出高电平；当 IN+ 电压低于 IN-，输出低电平。如此就实现了二值化，获得了数字电压
DO输入接在DO引脚

在这里插入图片描述

LED1 为电源指示灯，通电即亮

D0引脚用于输入，获取数字电压。AO用于模拟电压输出

LED2为数字电压指示灯，当DO输入为0点亮，输入为1熄灭

R5为上拉电阻，DO默认输入高电平

到此传感器模块就介绍完了

接线图如下：

在这里插入图片描述

根据光敏电阻传感器控制蜂鸣器
当光亮减弱，光敏电阻阻值变大，输出高电平，反之输出低电平

我们设置光亮时蜂鸣器不响，昏暗时蜂鸣器响

Buzzer.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header

/**
  * @brief初始化蜂鸣器相关引脚
  * @parm无
  * @retval无
  */
void Buzzer_Init(void)
{
//使能时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//初始化GPIOB相关引脚
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_12;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
//初始化默认高电平
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
/**
  * @brief蜂鸣器发声
  * @parm无
  * @retval无
  */
void Buzzer_On(void)
{
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}
/**
  * @brief蜂鸣器不发声
  * @parm无
  * @retval无
  */
void Buzzer_Off(void)
{
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}

/**
  * @brief蜂鸣器发声切换
  * @parm无
  * @retval无
  */
void Buzzer_Tun(void)
{
if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_12) == 0)
GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
else
GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_12);
}

LightSensor.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header


/**
* @brief光敏电阻初始化，配置引脚为GPIOB_13
  * @parm无
  * @retval无
  */
void LightSensor_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
//配置GPIO
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;//上拉输入
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;//配置引脚
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;//I/O口翻转速度
GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}

/**
  * @brief获取当前光敏传感器输出的高低电平
  * @parm无
  * @retval光敏传感器输出的高低电平，范围：0/1
  */
uint8_t LightSensor_Get(void)
{
return GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, GPIO_Pin_13);
}

main.c

#include "stm32f10x.h"                  // Device header
#include "Buzzer.h"
#include "LightSensor.h"

int main()
{
Buzzer_Init();
LightSensor_Init();
uint8_t Light;
while(1)
{
Light = LightSensor_Get();
if(Light == 1)
Buzzer_On();
else
Buzzer_Off();
}
}

完整项目链接：【STM32】光敏电阻控制蜂鸣器

以上就是本篇博客的所有内容，感谢你的阅读
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文章目录

GPIO基本结构

GPIO模式(重点)

编程实例

GPIO闪烁灯

流水灯

引脚输出控制蜂鸣器

按键控制LED

光敏电阻控制蜂鸣器

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