51单片机C语言程序设计：从入门到精通，掌握嵌入式开发核心技术

# 1. 51单片机C语言简介

51单片机C语言是专门为51系列单片机设计的编程语言，它融合了C语言的简洁性和单片机编程的灵活性，是51单片机开发中的主流语言。

C语言是一种结构化编程语言，具有代码可读性高、可移植性强、易于维护等优点。51单片机C语言在C语言的基础上，针对51单片机的特点进行了优化，使其更加适合单片机开发。

51单片机C语言具有以下特点：

* **紧凑高效：**51单片机C语言代码体积小，运行速度快，非常适合资源受限的单片机系统。
* **易于学习：**51单片机C语言语法简洁，易于学习和掌握，即使是初学者也能快速上手。
* **广泛应用：**51单片机C语言广泛应用于各种电子产品和工业控制系统中，具有广泛的应用前景。

# 2. 51单片机C语言基础语法

51单片机C语言基础语法是学习51单片机C语言编程的基础，本章节将介绍51单片机C语言的数据类型、变量、运算符、表达式、流程控制等基础语法知识。

### 2.1 数据类型和变量

#### 2.1.1 数据类型概述

数据类型定义了变量可以存储的数据类型，51单片机C语言支持多种数据类型，包括：

| 数据类型 | 占用字节数 | 取值范围 |
|---|---|---|
| char | 1 | -128~127 |
| unsigned char | 1 | 0~255 |
| int | 2 | -32768~32767 |
| unsigned int | 2 | 0~65535 |
| long | 4 | -2147483648~2147483647 |
| unsigned long | 4 | 0~4294967295 |
| float | 4 | ±1.175494351E-38~±3.402823466E+38 |
| double | 8 | ±2.2250738585072014E-308~±1.7976931348623157E+308 |

#### 2.1.2 变量的定义和使用

变量用于存储数据，变量的定义语法如下：

数据类型 变量名;

例如：

int num;

定义了一个名为`num`的整型变量。

变量的使用语法如下：

变量名 = 表达式;

例如：

num = 10;

将变量`num`赋值为10。

### 2.2 运算符和表达式

#### 2.2.1 算术运算符

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

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

#### 2.2.2 逻辑运算符

逻辑运算符用于进行逻辑运算，包括与（&）、或（|）、非（!）。

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

### 2.3 流程控制

#### 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，语法如下：

if (条件) {
    // 条件为真时执行的代码
} else {
    // 条件为假时执行的代码
}

例如：

if (num > 0) {
    // num大于0时执行的代码
} else {
    // num小于或等于0时执行的代码
}

#### 2.3.2 循环语句

循环语句用于重复执行一段代码，语法如下：

while (条件) {
    // 条件为真时执行的代码
}

do {
    // 条件为真时执行的代码
} while (条件);

for (初始化; 条件; 递增/递减) {
    // 条件为真时执行的代码
}

例如：

while (num > 0) {
    // num大于0时执行的代码
    num--;
}

# 3.1 指针和数组

#### 3.1.1 指针的基本概念

指针是一种数据类型，它存储另一个变量的地址。通过指针，我们可以间接访问和修改其他变量的值。指针变量的声明语法如下：

数据类型 *指针变量名;

例如：

int *ptr;

声明了一个指向整型变量的指针变量 `ptr`。

#### 3.1.2 数组的定义和使用

数组是一种数据结构，它存储一组相同类型的数据元素。数组的声明语法如下：

数据类型 数组名[数组大小];

例如：

int arr[10];

声明了一个包含 10 个整型元素的数组 `arr`。

指针和数组之间存在着密切的关系。数组名本身就是一个常量指针，它指向数组中第一个元素的地址。因此，我们可以使用指针来访问和修改数组中的元素。

int *ptr = arr;  // ptr 指向 arr[0]
*ptr = 10;  // 修改 arr[0] 的值

### 3.2 函数和结构体

#### 3.2.1 函数的定义和调用

函数是一种代码块，它可以执行特定任务。函数的定义语法如下：

返回类型 函数名(参数列表) {
    函数体
}

例如：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

声明了一个名为 `add` 的函数，它接收两个整型参数并返回它们的和。

函数的调用语法如下：

函数名(实参列表);

例如：

int result = add(1, 2);  // result 为 3

调用 `add` 函数并将其返回值存储在变量 `result` 中。

#### 3.2.2 结构体的定义和使用

结构体是一种数据类型，它允许我们将不同类型的数据元素组合在一起。结构体的定义语法如下：

struct 结构体名 {
    数据类型 成员名;
    ...
};

例如：

struct Person {
    char name[20];
    int age;
    float height;
};

声明了一个名为 `Person` 的结构体，它包含三个成员：`name`、`age` 和 `height`。

我们可以使用结构体变量来存储和访问结构体中的数据元素。

struct Person person;
strcpy(person.name, "John Doe");
person.age = 30;
person.height = 1.8;

### 3.3 汇编语言与C语言混合编程

#### 3.3.1 汇编语言简介

汇编语言是一种低级编程语言，它直接操作计算机的硬件指令。汇编语言的指令集与计算机的指令集密切相关。

#### 3.3.2 汇编语言与C语言的混合编程

在某些情况下，我们需要在 C 程序中使用汇编语言代码。这可以通过以下步骤实现：

1. 使用 `asm` 关键字声明汇编语言代码块。
2. 在汇编语言代码块中使用汇编语言指令。
3. 使用 `endasm` 关键字结束汇编语言代码块。

例如：

asm
    mov ax, 0x1234
    int 0x80
endasm

这段代码将寄存器 `ax` 的值设置为 0x1234，然后触发中断 0x80。

# 4. 51单片机C语言实践应用

### 4.1 输入/输出端口编程

#### 4.1.1 输入/输出端口的定义和操作

51单片机提供了丰富的输入/输出端口，用于与外部设备进行数据交互。这些端口可以被定义为输入端口、输出端口或双向端口。

**输入端口：**

P1 = 0xFF; // 将P1端口定义为输入端口

**输出端口：**

P2 = 0x00; // 将P2端口定义为输出端口

**双向端口：**

P3 = 0x55; // 将P3端口定义为双向端口，高4位为输入，低4位为输出

**端口操作：**

输入/输出端口可以通过以下方式进行操作：

* **读端口：**读取端口当前的状态，并将值存储在变量中。
* **写端口：**将指定的值写入端口，从而控制外部设备。

uint8_t port_value = P1; // 读取P1端口的状态
P2 = 0x55; // 将0x55写入P2端口

#### 4.1.2 中断和定时器编程

**中断：**

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，可以暂停当前程序的执行，并跳转到一个指定的函数（中断服务程序）中。51单片机支持多种中断源，包括外部中断、定时器中断等。

**定时器：**

定时器是一种硬件模块，可以产生精确的时间间隔。51单片机提供了两个16位定时器（T0和T1），可以用于产生定时中断、脉冲宽度调制（PWM）等功能。

**中断和定时器编程示例：**

void timer0_interrupt_handler() interrupt 1 {
    // 定时器0中断服务程序
}

void main() {
    // 初始化定时器0
    TMOD = 0x01; // 设置定时器0为16位定时器
    TH0 = 0xFF; // 设置定时器0的重载值
    TL0 = 0xFF; // 设置定时器0的当前值
    // 启用定时器0中断
    ET0 = 1;
    // 全局中断使能
    EA = 1;

    // 主循环
    while (1) {
        // ...
    }
}

### 4.2 串口通信编程

#### 4.2.1 串口通信的基本原理

串口通信是一种异步通信方式，通过一对发送线和接收线进行数据传输。51单片机提供了两个串口（UART0和UART1），可以用于与外部设备进行串口通信。

**串口通信的基本流程：**

1. **数据准备：**将要发送的数据存储在发送缓冲区中。
2. **发送数据：**启动串口发送过程，将数据从发送缓冲区发送到串口输出线。
3. **接收数据：**当串口输入线上检测到数据时，将数据存储在接收缓冲区中。
4. **读取数据：**从接收缓冲区中读取接收到的数据。

#### 4.2.2 串口通信编程实例

void uart0_init() {
    // 初始化UART0
    SCON = 0x50; // 设置串口0为8位数据、1个停止位、无奇偶校验
    TMOD = 0x20; // 设置定时器1为8位自动重载模式
    TH1 = 0xFD; // 设置定时器1的重载值（波特率为9600）
    TR1 = 1; // 启动定时器1
}

void uart0_send_byte(uint8_t data) {
    // 发送一个字节
    while (!TI); // 等待发送缓冲区为空
    TI = 0; // 清除发送中断标志位
    SBUF = data; // 将数据写入发送缓冲区
}

uint8_t uart0_receive_byte() {
    // 接收一个字节
    while (!RI); // 等待接收缓冲区有数据
    RI = 0; // 清除接收中断标志位
    return SBUF; // 返回接收到的数据
}

### 4.3 液晶显示编程

#### 4.3.1 液晶显示的原理和接口

液晶显示（LCD）是一种常见的显示器件，广泛应用于电子设备中。51单片机可以通过并行或串行接口与LCD进行通信。

**并行接口：**

并行接口使用8个数据线（D0-D7）和3个控制线（RS、RW、E）与LCD通信。

**串行接口：**

串行接口使用一条数据线（SDA）和一条时钟线（SCL）与LCD通信。

#### 4.3.2 液晶显示编程实例

**并行接口编程：**

void lcd_init() {
    // 初始化LCD
    P2 = 0x38; // 设置LCD为8位数据、2行显示、5x8点阵
    P2 = 0x0E; // 打开显示、关闭光标
    P2 = 0x01; // 清除显示屏
}

void lcd_write_char(uint8_t data) {
    // 写入一个字符
    P2 = 0x06; // 设置RS为1（数据模式）
    P2 = data; // 写入数据
}

**串行接口编程：**

void i2c_init() {
    // 初始化I2C接口
    P2 = 0x01; // 设置SCL为输出
    P2 = 0x02; // 设置SDA为输出
}

void lcd_write_char(uint8_t data) {
    // 写入一个字符
    i2c_start(); // 发送起始信号
    i2c_send_byte(0x38); // 发送LCD地址
    i2c_send_byte(0x06); // 设置RS为1（数据模式）
    i2c_send_byte(data); // 写入数据
    i2c_stop(); // 发送停止信号
}

# 5.1 温湿度检测系统

### 5.1.1 系统需求分析

温湿度检测系统主要用于实时监测环境中的温度和湿度，并通过显示屏或其他方式将数据显示出来。系统需求如下：

- 温度测量范围：-20℃~80℃
- 湿度测量范围：0%~100%
- 测量精度：温度±1℃，湿度±5%
- 数据显示：显示屏或其他方式
- 供电方式：电池或外部电源

### 5.1.2 系统设计和实现

系统设计采用模块化结构，主要包括以下模块：

- 传感器模块：负责采集温度和湿度数据
- 处理模块：负责处理传感器数据，并计算温度和湿度
- 显示模块：负责将处理后的数据显示出来
- 供电模块：负责为系统供电

系统实现流程如下：

1. 传感器模块采集温度和湿度数据
2. 处理模块对数据进行处理和计算
3. 显示模块将处理后的数据显示出来
4. 供电模块为系统供电

系统采用51单片机作为核心控制器，通过ADC模块采集传感器数据，并通过LCD模块显示数据。系统框图如下：

graph LR
subgraph 传感器模块
    A[温度传感器]
    B[湿度传感器]
end
subgraph 处理模块
    C[51单片机]
end
subgraph 显示模块
    D[LCD显示屏]
end
subgraph 供电模块
    E[电池/外部电源]
end
A --> C
B --> C
C --> D
E --> C

系统代码如下：

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>

#define TEMP_SENSOR P1_0
#define HUMI_SENSOR P1_1
#define LCD_DATA P2

void main() {
    // 初始化ADC模块
    ADC_Init();

    // 初始化LCD模块
    LCD_Init();

    while (1) {
        // 采集温度和湿度数据
        unsigned char temp = ADC_Read(TEMP_SENSOR);
        unsigned char humi = ADC_Read(HUMI_SENSOR);

        // 计算温度和湿度
        float temp_value = temp * 0.0625;
        float humi_value = humi * 0.0488;

        // 显示温度和湿度数据
        LCD_Write("温度：");
        LCD_WriteFloat(temp_value);
        LCD_Write("℃");
        LCD_Write("湿度：");
        LCD_WriteFloat(humi_value);
        LCD_Write("%");
    }
}