单片机C语言程序设计：100个经典案例解析，助你快速掌握核心技能

# 1. 单片机C语言程序设计概述

单片机是一种集成了CPU、存储器、输入/输出接口和定时器/计数器等外围设备于一体的微型计算机。它具有体积小、功耗低、成本低等特点，广泛应用于工业控制、医疗器械、智能家居等领域。

单片机C语言程序设计是利用C语言对单片机进行编程，充分发挥单片机的功能，实现各种控制和处理任务。C语言是一种通用高级编程语言，具有结构化、模块化、可移植性等优点，非常适合单片机编程。

本章将介绍单片机C语言程序设计的概述，包括单片机的特点、C语言在单片机编程中的应用，以及单片机C语言程序设计的开发流程和工具。

# 2. C语言基础语法与数据结构

### 2.1 C语言基础语法

#### 2.1.1 数据类型和变量

C语言中，数据类型定义了变量存储数据的类型和范围。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
- 布尔类型：_Bool

变量用于存储数据，其声明格式为：

数据类型 变量名;

例如：

int num;
float temp;
char letter;

#### 2.1.2 运算符和表达式

运算符用于对数据进行操作，表达式由运算符和操作数组成。

- 算术运算符：+、-、*、/、%
- 关系运算符：==、!=、>、<、>=、<=
- 逻辑运算符：&&、||、!
- 位运算符：&、|、^、<<、>>

表达式求值遵循运算符优先级，括号可改变求值顺序。

### 2.2 C语言数据结构

#### 2.2.1 数组

数组是一种数据结构，用于存储相同类型元素的集合。数组元素通过下标访问。

数据类型 数组名[大小];

例如：

int arr[5];

#### 2.2.2 结构体

结构体是一种数据结构，用于存储不同类型数据的集合。结构体成员通过`.`访问。

struct 结构体名 {
  数据类型 成员名;
  ...
};

例如：

struct person {
  char name[20];
  int age;
};

#### 2.2.3 指针

指针是一种数据结构，用于存储变量的地址。指针变量通过 `*` 解引用访问指向的变量。

数据类型 *指针名;

例如：

int *ptr;
ptr = #

**代码块：指针的使用**

#include <stdio.h>

int main() {
  int num = 10;
  int *ptr;

  ptr = &num;

  printf("num 的值：%d\n", num);
  printf("num 的地址：%p\n", &num);
  printf("ptr 指向的地址：%p\n", ptr);
  printf("ptr 指向的值：%d\n", *ptr);

  return 0;
}

**逻辑分析：**

- 变量 `num` 被声明为一个整型变量，并初始化为 10。
- 变量 `ptr` 被声明为一个指向整型的指针。
- `ptr` 被赋值为 `num` 的地址，即 `&num`。
- 打印 `num` 的值、地址、`ptr` 指向的地址和 `ptr` 指向的值。

**参数说明：**

- `printf()` 函数用于格式化输出。
- `%d` 格式说明符表示整型变量。
- `%p` 格式说明符表示指针变量。

# 3.1 单片机硬件基础

#### 3.1.1 单片机结构和组成

单片机是一种将处理器、存储器和输入/输出接口集成在同一芯片上的微型计算机。其基本结构通常包括：

- **中央处理器单元 (CPU)**：执行程序指令，进行数据处理和控制。
- **存储器**：存储程序和数据。包括程序存储器（ROM/Flash）和数据存储器（RAM）。
- **输入/输出接口**：与外部设备进行通信，如 I/O 端口、定时器/计数器和中断系统。

#### 3.1.2 单片机存储器和总线

**存储器**

单片机存储器主要分为以下类型：

- **程序存储器 (ROM/Flash)**：存储程序代码，不可修改。
- **数据存储器 (RAM)**：存储数据和变量，可读写。
- **EEPROM**：可擦除和可编程只读存储器，用于存储非易失性数据。

**总线**

总线是连接单片机各个部件的数据通路，包括：

- **地址总线**：指定存储器或 I/O 设备的地址。
- **数据总线**：传输数据。
- **控制总线**：传输控制信号，如读/写信号和时钟信号。

### 3.2 单片机接口技术

#### 3.2.1 I/O 端口

I/O 端口是单片机与外部设备通信的接口。它可以配置为输入或输出模式，用于读取外部设备的状态或向其发送数据。

#### 3.2.2 定时器/计数器

定时器/计数器是用于产生定时信号或计数外部事件的硬件模块。它可以配置为不同的模式，如定时器模式、计数器模式和脉宽调制 (PWM) 模式。

#### 3.2.3 中断系统

中断系统允许外部事件或内部条件中断正在执行的程序。它可以提高系统的响应速度和实时性。

**中断处理流程**

1. 外部事件或内部条件触发中断请求。
2. CPU 暂停当前执行的程序。
3. CPU 跳转到中断服务程序。
4. 中断服务程序执行。
5. CPU 返回到中断前的程序继续执行。

**中断优先级**

不同的中断请求可以具有不同的优先级。当多个中断同时发生时，优先级较高的中断将得到优先处理。

# 4. 单片机C语言程序设计实践

### 4.1 基本输入输出操作

#### 4.1.1 串口通信

串口通信是单片机与外部设备进行数据交换的重要方式。在单片机C语言程序设计中，可以使用`stdio.h`头文件中的`printf()`和`scanf()`函数进行串口通信。

#include <stdio.h>

int main() {
    // 初始化串口
    // ...

    // 发送数据
    printf("Hello, world!\n");

    // 接收数据
    char buffer[100];
    scanf("%s", buffer);

    // ...
}

代码逻辑：

1. 初始化串口，配置波特率、数据位、停止位等参数。
2. 使用`printf()`函数发送数据到串口。
3. 使用`scanf()`函数从串口接收数据并存储到缓冲区`buffer`中。

#### 4.1.2 按键和显示

按键和显示是单片机与用户交互的重要手段。在单片机C语言程序设计中，可以使用`key.h`和`display.h`头文件中的函数进行按键和显示操作。

#include <key.h>
#include <display.h>

int main() {
    // 初始化按键和显示
    // ...

    // 检测按键按下
    if (key_pressed()) {
        // ...
    }

    // 显示数据
    display_string("Hello, world!");

    // ...
}

代码逻辑：

1. 初始化按键和显示，配置引脚、中断等参数。
2. 使用`key_pressed()`函数检测按键是否按下。
3. 使用`display_string()`函数显示字符串到显示器上。

### 4.2 外围设备驱动

#### 4.2.1 LED驱动

LED驱动是单片机控制外围设备的基本应用。在单片机C语言程序设计中，可以使用`led.h`头文件中的函数进行LED驱动。

#include <led.h>

int main() {
    // 初始化LED
    // ...

    // 点亮LED
    led_on();

    // 熄灭LED
    led_off();

    // ...
}

代码逻辑：

1. 初始化LED，配置引脚、方向等参数。
2. 使用`led_on()`函数点亮LED。
3. 使用`led_off()`函数熄灭LED。

#### 4.2.2 蜂鸣器驱动

蜂鸣器驱动是单片机发出声音的常用方法。在单片机C语言程序设计中，可以使用`buzzer.h`头文件中的函数进行蜂鸣器驱动。

#include <buzzer.h>

int main() {
    // 初始化蜂鸣器
    // ...

    // 鸣响蜂鸣器
    buzzer_on();

    // 停止蜂鸣器
    buzzer_off();

    // ...
}

代码逻辑：

1. 初始化蜂鸣器，配置引脚、频率等参数。
2. 使用`buzzer_on()`函数鸣响蜂鸣器。
3. 使用`buzzer_off()`函数停止蜂鸣器。

#### 4.2.3 液晶显示驱动

液晶显示驱动是单片机显示文本和图形的重要手段。在单片机C语言程序设计中，可以使用`lcd.h`头文件中的函数进行液晶显示驱动。

#include <lcd.h>

int main() {
    // 初始化液晶显示器
    // ...

    // 清除屏幕
    lcd_clear();

    // 显示字符串
    lcd_string("Hello, world!");

    // ...
}

代码逻辑：

1. 初始化液晶显示器，配置引脚、时序等参数。
2. 使用`lcd_clear()`函数清除屏幕。
3. 使用`lcd_string()`函数显示字符串到液晶显示器上。

# 5.1 嵌入式实时操作系统

### 5.1.1 实时操作系统的概念和特点

**概念：**

嵌入式实时操作系统（RTOS）是一种专门为嵌入式系统设计的操作系统，它具有以下特点：

- **实时性：**能够对外部事件做出快速响应，保证系统在限定的时间内完成任务。
- **确定性：**系统行为可预测，任务执行时间和资源分配都有明确的保证。
- **并发性：**支持多个任务同时执行，并协调任务之间的资源共享。
- **嵌入性：**与嵌入式硬件紧密集成，提供对底层硬件的直接访问。

### 5.1.2 uCOS-II操作系统的使用

uCOS-II是一款流行的嵌入式RTOS，它提供了以下功能：

- **任务管理：**创建、删除、挂起、恢复任务。
- **时间管理：**创建、删除、启动定时器。
- **内存管理：**分配、释放内存块。
- **信号量：**用于任务间同步和互斥。
- **邮箱：**用于任务间通信。

**使用步骤：**

1. **初始化RTOS：**调用OSInit()函数。
2. **创建任务：**使用OSTaskCreate()函数创建任务。
3. **启动任务：**使用OSTaskStart()函数启动任务。
4. **同步和互斥：**使用信号量或邮箱进行任务间同步和互斥。
5. **退出任务：**使用OSTaskDel()函数退出任务。

**示例代码：**

#include "ucos_ii.h"

void Task1(void *p_arg) {
  while (1) {
    // 执行任务1的代码
  }
}

void Task2(void *p_arg) {
  while (1) {
    // 执行任务2的代码
  }
}

int main() {
  OSInit();
  OSTaskCreate(Task1, NULL, NULL, 1);
  OSTaskCreate(Task2, NULL, NULL, 2);
  OSStart();
}