【单片机程序设计入门指南】：零基础快速上手，轻松入门单片机世界

# 1.1 单片机的概念和组成

单片机是一种集成在单一芯片上的微型计算机系统，它包含了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出（I/O）接口和各种外围设备。单片机具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高和易于使用等优点，广泛应用于工业控制、消费电子、医疗设备和汽车电子等领域。

单片机的基本组成包括：

- **CPU：**负责执行指令和处理数据。
- **存储器：**用于存储程序和数据。包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
- **I/O 接口：**用于与外部设备进行数据交换。包括通用输入/输出端口（GPIO）、串口和并口。
- **外围设备：**包括定时器/计数器、中断控制器、看门狗定时器和模数转换器等。

# 2. 单片机编程语言

### 2.1 C语言基础

#### 2.1.1 数据类型和变量

C语言中提供了丰富的**数据类型**，用于表示不同类型的数值和数据结构。基本数据类型包括：

- 整数类型：char、short、int、long
- 浮点数类型：float、double
- 字符类型：char

**变量**用于存储数据，其类型决定了存储数据的类型和大小。变量声明语法如下：

数据类型 变量名;

例如：

int age;

声明了一个名为`age`的整数变量。

#### 2.1.2 运算符和表达式

**运算符**用于对数据进行操作，包括算术运算符、关系运算符、逻辑运算符等。

**表达式**由运算符和操作数组成，用于计算或比较值。例如：

x + y

是一个加法表达式，计算`x`和`y`的和。

### 2.2 单片机C语言扩展

#### 2.2.1 特殊函数库

单片机C语言提供了**特殊函数库**，包含了单片机外设相关的函数。例如：

- GPIO配置函数：`GPIO_Init()`
- 定时器配置函数：`TIM_Init()`
- 串口通信函数：`UART_Init()`

使用这些函数可以方便地配置和操作单片机外设。

#### 2.2.2 位操作和寄存器访问

单片机C语言支持**位操作**，可以对单个位进行操作。位操作符包括：

- 按位与：&
- 按位或：|
- 按位异或：^

**寄存器**是单片机内部的存储单元，用于控制外设和系统配置。通过寄存器访问函数可以访问和修改寄存器值。例如：

GPIOA->ODR |= (1 << 5); // 设置 GPIOA 第 5 位输出高电平

代码中，`GPIOA->ODR`是 GPIOA 输出数据寄存器地址，`|=`是按位或运算符，`1 << 5`将 1 左移 5 位，表示设置第 5 位为 1。

**代码块示例：**

// 定义一个名为 counter 的变量
int counter = 0;

// 使用 while 循环递增 counter
while (1) {
    counter++;
    // 判断 counter 是否大于 10
    if (counter > 10) {
        // 如果大于 10，输出 counter 的值
        printf("Counter value: %d\n", counter);
        // 重置 counter 为 0
        counter = 0;
    }
}

**逻辑分析：**

这段代码定义了一个名为`counter`的整数变量，并将其初始化为 0。然后，它使用一个无限`while`循环来递增`counter`。在每次循环中，它检查`counter`是否大于 10。如果大于 10，它会打印`counter`的值，然后将其重置为 0。

**参数说明：**

- `counter`：要递增的变量
- `10`：比较值

**表格示例：**

| 运算符 | 描述 |
|---|---|
| + | 加法 |
| - | 减法 |
| * | 乘法 |
| / | 除法 |
| % | 取余 |
| == | 等于 |
| != | 不等于 |
| < | 小于 |
| > | 大于 |
| <= | 小于或等于 |
| >= | 大于或等于 |

**Mermaid流程图示例：**

sequenceDiagram
participant User
participant System

User->System: Send request
System->User: Process request
System->User: Send response

该流程图描述了用户向系统发送请求，系统处理请求并发送响应的过程。

# 3. 单片机硬件接口

**3.1 输入/输出端口**

### 3.1.1 GPIO配置和操作

**GPIO（General Purpose Input/Output）**是单片机上用于与外部设备进行数据交互的通用输入/输出端口。GPIO可以被配置为输入或输出模式，并且可以通过软件来控制其电平。

**GPIO配置**

// 配置GPIOA0为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

* **Pin：**指定要配置的GPIO引脚。
* **Mode：**指定GPIO的模式，可以是输入、输出或模拟模式。
* **Pull：**指定GPIO的上下拉电阻，可以是上拉、下拉或无。

**GPIO操作**

// 设置GPIOA0为高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);

// 读取GPIOA0的电平
uint8_t state = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_0);

* **HAL_GPIO_WritePin：**设置指定GPIO引脚的电平。
* **HAL_GPIO_ReadPin：**读取指定GPIO引脚的电平。

### 3.1.2 中断处理

**中断**是一种硬件机制，当外部事件发生时，可以暂停当前正在执行的程序并跳转到特定的中断服务程序（ISR）中。GPIO可以配置为在电平变化时触发中断。

**中断配置**

// 配置GPIOA0为中断模式
HAL_NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 0, 0);
HAL_NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn);

* **HAL_NVIC_SetPriority：**设置中断优先级。
* **HAL_NVIC_EnableIRQ：**使能中断。

**中断服务程序**

void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    // 中断处理代码
}

**3.2 定时器/计数器**

### 3.2.1 定时器模式和配置

**定时器/计数器**是一种用于生成精确时间间隔或计数外部事件的硬件模块。单片机通常有多个定时器/计数器，每个定时器/计数器可以配置为不同的模式。

**定时器模式**

* **向上计数模式：**定时器从0开始计数，直到达到指定的计数值。
* **向下计数模式：**定时器从指定的计数值开始计数，直到达到0。
* **捕获模式：**定时器捕获外部事件发生的时刻。
* **比较模式：**定时器在达到指定的比较值时产生中断。

**定时器配置**

// 配置TIM2为向上计数模式
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 1000;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 10000;
HAL_TIM_Init(&htim2);

* **Instance：**指定要配置的定时器。
* **Prescaler：**分频系数，用于降低定时器的计数频率。
* **CounterMode：**指定定时器的计数模式。
* **Period：**指定定时器的计数周期。

### 3.2.2 计数器应用

**计数器**可以用于计数外部事件的发生次数。例如，可以使用计数器来统计按钮的按下次数。

// 使用TIM3计数外部按钮按下次数
TIM_HandleTypeDef htim3;
uint32_t button_count = 0;

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if (htim->Instance == TIM3) {
        button_count++;
    }
}

* **HAL_TIM_IC_CaptureCallback：**定时器捕获中断回调函数。
* **button_count：**记录按钮按下次数的变量。

# 4. 单片机外围设备**

**4.1 串口通信**

**4.1.1 UART配置和操作**

UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）是一种异步串行通信接口，用于单片机与其他设备之间的通信。在单片机中，UART通常通过寄存器进行配置和操作。

**寄存器配置：**

* **UART_CR1：**控制寄存器，用于配置波特率、数据位、停止位和奇偶校验等参数。
* **UART_BRR：**波特率寄存器，用于设置UART的波特率。
* **UART_SR：**状态寄存器，用于指示UART的状态，如发送缓冲区是否为空、接收缓冲区是否已满等。
* **UART_DR：**数据寄存器，用于发送和接收数据。

**操作流程：**

1. 配置UART寄存器，设置通信参数。
2. 启用UART。
3. 发送数据：将数据写入UART_DR寄存器。
4. 接收数据：从UART_DR寄存器读取数据。
5. 中断处理：UART提供中断机制，当发送或接收缓冲区为空/满时触发中断。

**代码示例：**

// 初始化UART
void UART_Init(uint32_t baudrate) {
  // 配置UART_CR1寄存器
  UART_CR1 = (8 << UART_CR1_M_Pos) | (1 << UART_CR1_PCE_Pos) | (1 << UART_CR1_TE_Pos) | (1 << UART_CR1_RE_Pos);

  // 配置UART_BRR寄存器
  UART_BRR = SystemCoreClock / baudrate;

  // 启用UART
  UART_CR1 |= (1 << UART_CR1_UE_Pos);
}

// 发送数据
void UART_Send(uint8_t data) {
  // 等待发送缓冲区为空
  while (!(UART_SR & (1 << UART_SR_TXE_Pos)));

  // 将数据写入UART_DR寄存器
  UART_DR = data;
}

// 接收数据
uint8_t UART_Receive(void) {
  // 等待接收缓冲区已满
  while (!(UART_SR & (1 << UART_SR_RXNE_Pos)));

  // 从UART_DR寄存器读取数据
  return UART_DR;
}

**4.1.2 数据传输和协议**

串口通信中，数据传输以字节为单位，每个字节包含8位数据。为了确保数据的可靠传输，通常采用一些协议来规范数据格式和传输过程。

常见的串口通信协议包括：

* **ASCII：**美国信息交换标准码，用于表示文本数据。
* **Modbus：**工业自动化领域的通信协议。
* **RS-232：**一种物理层串口通信标准。

**4.2 液晶显示器**

**4.2.1 LCD原理和接口**

液晶显示器（LCD）是一种薄型显示器，由液晶材料制成。液晶材料在电场作用下会改变其光学性质，从而实现显示图像。

单片机与LCD通常通过并行或串行接口连接。

* **并行接口：**使用多个数据线同时传输数据，速度较快。
* **串行接口：**使用单条数据线逐位传输数据，成本较低。

**4.2.2 字符和图形显示**

LCD可以显示字符和图形。字符显示通常使用点阵方式，每个字符由多个像素点组成。图形显示则需要将图像数据转换为点阵数据，然后逐行显示。

**代码示例：**

// 初始化LCD
void LCD_Init(void) {
  // 初始化LCD控制器
  // ...

  // 设置LCD显示模式
  LCD_SetDisplayMode(LCD_DISPLAY_MODE_NORMAL);

  // 清除LCD屏幕
  LCD_ClearScreen();
}

// 显示字符
void LCD_DisplayChar(char ch) {
  // 将字符数据写入LCD控制器
  // ...
}

// 显示字符串
void LCD_DisplayString(const char *str) {
  while (*str) {
    LCD_DisplayChar(*str++);
  }
}

# 5. 单片机应用实例

### 5.1 LED控制

#### 5.1.1 GPIO控制LED

**代码块：**

/* GPIO控制LED */
#include <stm32f10x.h>

int main(void)
{
    // 初始化GPIO
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13;
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

    // 输出低电平点亮LED
    GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BR13;

    while (1) {
        // 延时1s
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            asm("nop");
        }

        // 输出高电平熄灭LED
        GPIOA->BSRR = GPIO_BSRR_BS13;
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化GPIOA的第13引脚为输出模式。
* 输出低电平点亮LED。
* 延时1s。
* 输出高电平熄灭LED。

#### 5.1.2 定时器控制LED闪烁

**代码块：**

/* 定时器控制LED闪烁 */
#include <stm32f10x.h>

int main(void)
{
    // 初始化GPIO
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    GPIOA->CRH &= ~GPIO_CRH_MODE13;
    GPIOA->CRH |= GPIO_CRH_MODE13_0;

    // 初始化定时器2
    RCC->APB1ENR |= RCC_APB1ENR_TIM2EN;
    TIM2->CR1 = 0;
    TIM2->PSC = 7200 - 1; // 分频系数为7200
    TIM2->ARR = 1000 - 1; // 自动重载值为1000
    TIM2->CCMR1 = TIM_CCMR1_OC1PE; // 输出比较1使能
    TIM2->CCR1 = 500; // 输出比较1值为500
    TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1E; // 输出比较1输出使能

    // 启动定时器2
    TIM2->CR1 |= TIM_CR1_CEN;

    while (1) {
        // 无需操作
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化GPIOA的第13引脚为输出模式。
* 初始化定时器2，设置分频系数为7200，自动重载值为1000。
* 使能输出比较1，并设置输出比较1值为500。
* 启动定时器2。

### 5.2 温度测量

#### 5.2.1 传感器接口

**代码块：**

/* 传感器接口 */
#include <stm32f10x.h>

int main(void)
{
    // 初始化GPIO
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_IOPAEN;
    GPIOA->CRL &= ~GPIO_CRL_MODE0;
    GPIOA->CRL |= GPIO_CRL_MODE0_0;

    // 初始化ADC
    RCC->APB2ENR |= RCC_APB2ENR_ADC1EN;
    ADC1->CR2 = 0;
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_ADON; // 开启ADC
    ADC1->SQR1 = 0;
    ADC1->SQR1 |= ADC_SQR1_L_0; // 转换通道0

    // 启动ADC转换
    ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

    while (1) {
        // 等待转换完成
        while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));

        // 读取转换结果
        uint16_t adc_value = ADC1->DR;
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 初始化GPIOA的第0引脚为模拟输入模式。
* 初始化ADC1，开启ADC，设置转换通道为通道0。
* 启动ADC转换。
* 等待转换完成。
* 读取转换结果。

#### 5.2.2 数据采集和处理

**代码块：**

/* 数据采集和处理 */
#include <stm32f10x.h>

int main(void)
{
    // 初始化传感器接口
    // ...

    while (1) {
        // 启动ADC转换
        ADC1->CR2 |= ADC_CR2_SWSTART;

        // 等待转换完成
        while (!(ADC1->SR & ADC_SR_EOC));

        // 读取转换结果
        uint16_t adc_value = ADC1->DR;

        // 温度计算公式：温度 = (adc_value - 2048) / 4
        float temperature = (float)(adc_value - 2048) / 4;

        // 输出温度
        printf("温度：%.2f℃\n", temperature);
    }
}

**代码逻辑分析：**

* 启动ADC转换。
* 等待转换完成。
* 读取转换结果。
* 根据温度计算公式计算温度。
* 输出温度。

# 6. 单片机项目实战**

### 6.1 数字时钟

**6.1.1 时钟电路设计**

数字时钟的核心是时钟电路，它负责提供稳定的时钟信号。常用的时钟电路有：

- **晶体振荡器：**使用石英晶体产生高精度时钟信号。
- **RC振荡器：**使用电阻和电容产生时钟信号，精度较低。

本项目采用晶体振荡器，其电路图如下：

+-------+
|       |
|  MCU  |
|       |
+-------+
    |
    |
    V
    |
    |
    +------+
    | 晶体 |
    +------+

**6.1.2 软件实现**

时钟软件主要负责以下功能：

- 初始化时钟电路
- 配置定时器/计数器
- 更新时钟显示

初始化时钟电路的代码如下：

// 初始化时钟电路
void clock_init() {
    // ... 初始化晶体振荡器 ...
}

配置定时器/计数器的代码如下：

// 配置定时器/计数器
void timer_init() {
    // ... 配置定时器/计数器 ...
}

更新时钟显示的代码如下：

// 更新时钟显示
void update_clock() {
    // ... 获取当前时间 ...
    // ... 更新显示 ...
}

**6.2 智能家居控制**

**6.2.1 硬件设计**

智能家居控制系统通常包括以下硬件：

- **单片机：**控制系统的核心
- **传感器：**收集环境数据
- **执行器：**控制电器设备

本项目采用以下硬件：

- **单片机：**STM32F103C8T6
- **传感器：**温湿度传感器、光照传感器
- **执行器：**继电器、LED灯

**6.2.2 软件开发**

智能家居控制软件主要负责以下功能：

- 初始化传感器和执行器
- 采集环境数据
- 控制电器设备

初始化传感器和执行器的代码如下：

// 初始化传感器和执行器
void init_peripherals() {
    // ... 初始化传感器 ...
    // ... 初始化执行器 ...
}

采集环境数据的代码如下：

// 采集环境数据
void collect_data() {
    // ... 读取传感器数据 ...
}

控制电器设备的代码如下：

// 控制电器设备
void control_devices() {
    // ... 根据环境数据控制电器设备 ...
}