【单片机C语言程序设计宝典】：深入浅出，掌握单片机C语言开发秘诀，从入门到精通

# 1. 单片机C语言入门

单片机是一种集成了处理器、存储器和输入/输出接口于一体的微型计算机，广泛应用于各种电子设备中。C语言是一种高级编程语言，具有结构化、可移植性好等特点，非常适合单片机编程。

本入门章节将介绍单片机C语言的基础知识，包括：

- 单片机的基本结构和工作原理
- C语言在单片机中的应用
- 单片机C语言开发环境的搭建

# 2. 单片机C语言基础语法

### 2.1 数据类型与变量

#### 2.1.1 数据类型概述

在单片机C语言中，数据类型定义了变量存储的数据类型。常见的单片机C语言数据类型包括：

| 数据类型 | 范围 | 用途 |
|---|---|---|
| char | -128~127 | 存储字符 |
| unsigned char | 0~255 | 存储无符号字符 |
| int | -32768~32767 | 存储整数 |
| unsigned int | 0~65535 | 存储无符号整数 |
| float | 1.17549435e-38~3.40282347e+38 | 存储浮点数 |
| double | 2.2250738585072014e-308~1.7976931348623157e+308 | 存储双精度浮点数 |

#### 2.1.2 变量定义与初始化

变量是用来存储数据的命名内存空间。在单片机C语言中，变量定义使用以下语法：

数据类型 变量名;

例如：

int num;

变量初始化是指在定义变量时赋予其初始值。在单片机C语言中，变量初始化使用以下语法：

数据类型 变量名 = 初始值;

例如：

int num = 10;

### 2.2 运算符与表达式

#### 2.2.1 算术运算符

算术运算符用于执行算术运算，包括加法（+）、减法（-）、乘法（*）、除法（/）和取余（%）。

| 运算符 | 描述 |
|---|---|
| + | 加法 |
| - | 减法 |
| * | 乘法 |
| / | 除法 |
| % | 取余 |

例如：

int a = 10, b = 5;
int sum = a + b; // sum = 15
int diff = a - b; // diff = 5
int prod = a * b; // prod = 50
int quot = a / b; // quot = 2
int rem = a % b; // rem = 0

#### 2.2.2 逻辑运算符

逻辑运算符用于执行逻辑运算，包括与（&）、或（|）、非（!）和异或（^）。

| 运算符 | 描述 |
|---|---|
| & | 与 |
| | | 或 |
| ! | 非 |
| ^ | 异或 |

例如：

int a = 1, b = 0;
int result = a & b; // result = 0
result = a | b; // result = 1
result = !a; // result = 0
result = a ^ b; // result = 1

### 2.3 控制语句

#### 2.3.1 条件语句

条件语句用于根据条件执行不同的代码块。单片机C语言中常见的条件语句包括 if-else 和 switch-case。

**if-else 语句**

if (条件) {
    // 条件为真执行的代码块
} else {
    // 条件为假执行的代码块
}

例如：

int num = 10;
if (num > 5) {
    // num 大于 5 执行的代码块
} else {
    // num 小于或等于 5 执行的代码块
}

**switch-case 语句**

switch (表达式) {
    case 值1:
        // 表达式等于值 1 执行的代码块
        break;
    case 值2:
        // 表达式等于值 2 执行的代码块
        break;
    ...
    default:
        // 表达式不等于任何值执行的代码块
}

例如：

int num = 3;
switch (num) {
    case 1:
        // num 等于 1 执行的代码块
        break;
    case 2:
        // num 等于 2 执行的代码块
        break;
    case 3:
        // num 等于 3 执行的代码块
        break;
    default:
        // num 不等于 1、2 或 3 执行的代码块
}

#### 2.3.2 循环语句

循环语句用于重复执行一段代码块。单片机C语言中常见的循环语句包括 for、while 和 do-while。

**for 循环**

for (初始化; 条件; 更新) {
    // 循环体
}

例如：

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // 执行循环体 10 次
}

**while 循环**

while (条件) {
    // 循环体
}

例如：

int i = 0;
while (i < 10) {
    // 执行循环体直到 i 等于或大于 10
    i++;
}

**do-while 循环**

do {
    // 循环体
} while (条件);

例如：

int i = 0;
do {
    // 执行循环体至少一次，然后检查条件
    i++;
} while (i < 10);

# 3.1 函数与数组

#### 3.1.1 函数定义与调用

**函数定义**

函数是将代码块封装成一个独立单元，可以被其他代码调用。函数定义的语法如下：

returnType functionName(parameterList) {
  // 函数体
}

* `returnType`：函数的返回值类型，可以是`void`（无返回值）或其他数据类型。
* `functionName`：函数的名称。
* `parameterList`：函数的参数列表，可以为空。

**函数调用**

函数调用通过函数名和参数列表来实现。调用函数的语法如下：

functionName(argumentList);

* `argumentList`：调用函数时传入的参数列表。

**示例**

// 定义一个求和函数
int sum(int a, int b) {
  return a + b;
}

// 调用求和函数
int result = sum(10, 20);

#### 3.1.2 数组定义与使用

**数组定义**

数组是一种数据结构，用于存储相同数据类型的多个元素。数组定义的语法如下：

dataType arrayName[size];

* `dataType`：数组元素的数据类型。
* `arrayName`：数组的名称。
* `size`：数组的大小，即元素的个数。

**数组使用**

数组元素可以通过索引来访问。数组索引从 0 开始，最大索引为`size - 1`。访问数组元素的语法如下：

arrayName[index];

**示例**

// 定义一个存储 5 个整数的数组
int numbers[5];

// 访问数组的第一个元素
int firstNumber = numbers[0];

**数组遍历**

可以使用循环来遍历数组中的所有元素。遍历数组的代码如下：

for (int i = 0; i < size; i++) {
  // 访问数组的第 i 个元素
  int element = numbers[i];
}

# 4. 单片机C语言硬件操作

### 4.1 I/O端口操作

#### 4.1.1 I/O端口的定义与配置

单片机中的I/O端口是与外部设备进行数据交互的接口。在C语言中，可以通过寄存器来访问和配置I/O端口。

// 定义一个名为PORTA的I/O端口
#define PORTA 0x00

// 设置PORTA的第3位为输出模式
PORTA |= (1 << 3);

**代码逻辑分析：**

* `PORTA |= (1 << 3);`语句使用位运算符将PORTA的第3位设置为1，从而将其配置为输出模式。

#### 4.1.2 I/O端口的读写操作

配置好I/O端口后，就可以通过寄存器对端口进行读写操作。

// 读取PORTA的第3位
uint8_t data = PORTA & (1 << 3);

// 向PORTA的第3位写入数据
PORTA &= ~(1 << 3);

**代码逻辑分析：**

* `PORTA & (1 << 3);`语句使用位运算符读取PORTA的第3位，并将结果存储在`data`变量中。
* `PORTA &= ~(1 << 3);`语句使用位运算符将PORTA的第3位清零，从而向端口写入0。

### 4.2 中断与定时器

#### 4.2.1 中断的概念与配置

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，可以暂停正在执行的程序，并跳转到一个指定的处理函数中。

// 中断服务函数
void interrupt_handler() {
  // 中断处理代码
}

// 配置中断
void enable_interrupt() {
  // 配置中断寄存器，允许中断发生
}

**代码逻辑分析：**

* `interrupt_handler()`函数是中断服务函数，当中断发生时，程序将跳转到此函数中执行。
* `enable_interrupt()`函数配置中断寄存器，允许中断发生。

#### 4.2.2 定时器的使用与配置

定时器是一种硬件模块，可以产生精确的时间间隔。

// 定义一个名为TIMER0的定时器
#define TIMER0 0x00

// 配置TIMER0为1ms中断模式
void configure_timer0() {
  // 配置定时器寄存器，设置中断时间间隔
}

// 启动TIMER0
void start_timer0() {
  // 启动定时器，开始产生中断
}

**代码逻辑分析：**

* `configure_timer0()`函数配置TIMER0为1ms中断模式，即每1ms产生一次中断。
* `start_timer0()`函数启动TIMER0，开始产生中断。

**Mermaid流程图：**

sequenceDiagram
participant User
participant Single-chip microcomputer
User->Single-chip microcomputer: Write I/O port configuration
Single-chip microcomputer: Configure I/O port
User->Single-chip microcomputer: Read I/O port data
Single-chip microcomputer: Read I/O port data
User->Single-chip microcomputer: Write I/O port data
Single-chip microcomputer: Write I/O port data
User->Single-chip microcomputer: Enable interrupt
Single-chip microcomputer: Enable interrupt
User->Single-chip microcomputer: Configure timer
Single-chip microcomputer: Configure timer
User->Single-chip microcomputer: Start timer
Single-chip microcomputer: Start timer
User->Single-chip microcomputer: Interrupt occurs
Single-chip microcomputer: Execute interrupt service routine

**表格：**

| I/O端口操作 | 中断操作 | 定时器操作 |
|---|---|---|
| 读写I/O端口 | 配置中断 | 配置定时器 |
| 设置I/O端口模式 | 启用中断 | 启动定时器 |
| 清除I/O端口位 | 中断服务函数 | 定时器中断 |

# 5. 单片机C语言应用开发

本章节将介绍单片机C语言在实际应用中的开发技巧，包括LED控制和键盘扫描等基础应用。

### 5.1 LED控制

#### 5.1.1 LED的硬件连接

LED（发光二极管）是一种常用的电子元件，可以用来指示状态或显示信息。在单片机系统中，LED通常通过一个限流电阻连接到单片机的I/O端口上。限流电阻的作用是限制流过LED的电流，防止LED烧毁。

LED的硬件连接示意图如下：

graph LR
subgraph LED
    A[单片机I/O端口] --> B[限流电阻] --> C[LED]
end

#### 5.1.2 LED的软件控制

在单片机系统中，可以通过设置I/O端口的输出电平来控制LED的亮灭。当I/O端口输出高电平时，LED点亮；当I/O端口输出低电平时，LED熄灭。

以下代码演示了如何通过单片机C语言控制LED：

// 定义LED连接的I/O端口
#define LED_PORT PORTB
#define LED_PIN  5

void main() {
    // 设置LED_PORT的LED_PIN为输出模式
    DDRB |= (1 << LED_PIN);

    while (1) {
        // 点亮LED
        PORTB |= (1 << LED_PIN);

        // 延时1秒
        _delay_ms(1000);

        // 熄灭LED
        PORTB &= ~(1 << LED_PIN);

        // 延时1秒
        _delay_ms(1000);
    }
}

### 5.2 键盘扫描

#### 5.2.1 键盘的硬件连接

键盘是一种常见的输入设备，可以用来输入字符、数字和符号。在单片机系统中，键盘通常通过一个电阻矩阵连接到单片机的I/O端口上。电阻矩阵的作用是将键盘上的按键与单片机的I/O端口对应起来。

键盘的硬件连接示意图如下：

graph LR
subgraph 键盘
    A[行1] --> B[列1]
    A[行1] --> B[列2]
    A[行2] --> B[列1]
    A[行2] --> B[列2]
    ...
end

#### 5.2.2 键盘的软件扫描

在单片机系统中，可以通过扫描电阻矩阵来检测键盘上的按键。扫描过程包括以下步骤：

1. 将所有行的I/O端口设置为输入模式，并将所有列的I/O端口设置为输出模式。
2. 依次将每一列的I/O端口输出高电平，其他列的I/O端口输出低电平。
3. 检测所有行的I/O端口的状态，如果某行的I/O端口为低电平，则表示该行上的某个按键被按下。
4. 通过行列对应关系确定被按下的按键。

以下代码演示了如何通过单片机C语言扫描键盘：

// 定义键盘连接的I/O端口
#define KEYBOARD_PORT PORTC
#define KEYBOARD_ROW_PINS  0b11110000
#define KEYBOARD_COL_PINS  0b00001111

char keyboard_scan() {
    uint8_t row, col;

    // 设置所有行的I/O端口为输入模式
    KEYBOARD_PORT &= ~KEYBOARD_ROW_PINS;
    // 设置所有列的I/O端口为输出模式
    KEYBOARD_PORT |= KEYBOARD_COL_PINS;

    // 扫描每一列
    for (col = 0; col < 4; col++) {
        // 将当前列的I/O端口输出高电平
        KEYBOARD_PORT |= (1 << (col + 4));

        // 扫描每一行
        for (row = 0; row < 4; row++) {
            // 如果当前行的I/O端口为低电平，则表示该行上的某个按键被按下
            if ((KEYBOARD_PORT & (1 << row)) == 0) {
                // 通过行列对应关系确定被按下的按键
                return (row * 4 + col) + '0';
            }
        }

        // 将当前列的I/O端口输出低电平
        KEYBOARD_PORT &= ~(1 << (col + 4));
    }

    // 没有按键被按下
    return 0;
}

# 6. 单片机C语言项目实战

### 6.1 数码管显示

#### 6.1.1 数码管的硬件连接

数码管是一种常见的显示器件，它由多个发光二极管（LED）组成，每个发光二极管代表一个数字。数码管的硬件连接非常简单，只需要将数码管的正极连接到单片机的I/O端口，负极连接到地线即可。

|---------------------------------------------------|
|                                                   |
|              +----------------+                   |
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|              |                |                   |
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|              |                |                   |
|              |                |                   |
|              +----------------+                   |
|                                                   |
|---------------------------------------------------|

其中，每个方框代表一个发光二极管，正极用“+”表示，负极用“-”表示。

#### 6.1.2 数码管的软件显示

数码管的软件显示需要使用单片机的I/O端口进行控制。每个发光二极管对应一个I/O端口，通过对I/O端口的输出电平进行控制，可以控制发光二极管的亮灭状态。

// 定义数码管的I/O端口
#define SEG_A    P1_0
#define SEG_B    P1_1
#define SEG_C    P1_2
#define SEG_D    P1_3
#define SEG_E    P1_4
#define SEG_F    P1_5
#define SEG_G    P1_6

// 数码管显示数字
void display_num(uint8_t num)
{
    switch (num) {
        case 0:
            SEG_A = 1;
            SEG_B = 1;
            SEG_C = 1;
            SEG_D = 1;
            SEG_E = 1;
            SEG_F = 1;
            SEG_G = 0;
            break;
        case 1:
            SEG_A = 0;
            SEG_B = 1;
            SEG_C = 1;
            SEG_D = 0;
            SEG_E = 0;
            SEG_F = 0;
            SEG_G = 0;
            break;
        // ...
        default:
            SEG_A = 0;
            SEG_B = 0;
            SEG_C = 0;
            SEG_D = 0;
            SEG_E = 0;
            SEG_F = 0;
            SEG_G = 0;
            break;
    }
}

在上面的代码中，`display_num()`函数根据传入的数字参数，控制数码管的各个发光二极管的亮灭状态，从而显示出相应的数字。