掌握单片机C语言编程：通过100个实训案例提升技能

# 1. 单片机C语言编程基础

单片机是一种将CPU、存储器、输入/输出接口等功能集成在一块芯片上的微型计算机。它具有体积小、功耗低、成本低等特点，广泛应用于工业控制、消费电子、汽车电子等领域。

C语言是一种结构化、高级的通用编程语言，具有语法简单、可移植性好、执行效率高等优点。它广泛应用于嵌入式系统、操作系统、网络编程等领域。

单片机C语言编程就是利用C语言对单片机进行编程，实现各种控制和处理功能。它需要掌握单片机硬件结构、C语言语法、单片机外围设备编程等方面的知识。

# 2. 单片机C语言编程数据类型和变量

### 2.1 基本数据类型

单片机C语言中定义了多种基本数据类型，用于表示不同类型的数值和字符。基本数据类型包括：

| 数据类型 | 大小（字节） | 取值范围 |
|---|---|---|
| char | 1 | -128~127 |
| short int | 2 | -32768~32767 |
| int | 2 | -32768~32767 |
| long int | 4 | -2147483648~2147483647 |
| float | 4 | 1.175494351e-38~3.402823466e+38 |
| double | 8 | 2.2250738585072014e-308~1.7976931348623157e+308 |

### 2.2 指针变量

指针变量是指向其他变量地址的变量，它允许间接访问其他变量。指针变量的类型必须与它指向的变量类型一致。

**指针变量的声明：**

int *ptr; // 指向int型变量的指针

**指针变量的使用：**

* **取值：**使用*运算符获取指针指向的变量值。

int value = *ptr;

* **赋值：**使用*运算符给指针指向的变量赋值。

*ptr = 10;

### 2.3 结构体和联合体

**结构体**

结构体是一种数据类型，用于将不同类型的数据成员组织在一起。结构体成员可以是基本数据类型或其他结构体。

**结构体的声明：**

struct student {
    int id;
    char name[20];
    float score;
};

**结构体的使用：**

* **声明结构体变量：**

struct student stu;

* **访问结构体成员：**使用.运算符访问结构体成员。

stu.id = 1;

**联合体**

联合体是一种数据类型，用于存储不同类型的数据，但同一时刻只能存储其中一种类型的数据。

**联合体的声明：**

union data {
    int i;
    float f;
    char c;
};

**联合体的使用：**

* **声明联合体变量：**

union data data1;

* **访问联合体成员：**使用.运算符访问联合体成员。

data1.i = 10;

**结构体和联合体的区别：**

* 结构体可以同时存储多个不同类型的数据，而联合体只能同时存储一种类型的数据。
* 结构体中的成员占据连续的内存空间，而联合体中的成员共享同一块内存空间。

# 3. 单片机C语言编程流程控制

### 3.1 顺序结构

顺序结构是C语言中最基本的控制结构，它按照代码的顺序依次执行语句。在顺序结构中，代码的执行顺序是自上而下的，没有分支或循环。

### 3.2 选择结构

选择结构允许程序根据条件选择不同的执行路径。C语言中提供了两种选择结构：`if-else`语句和`switch-case`语句。

**3.2.1 if-else语句**

`if-else`语句用于根据一个或多个条件执行不同的代码块。其语法如下：

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

**3.2.2 switch-case语句**

`switch-case`语句用于根据一个变量的值选择不同的执行路径。其语法如下：

switch (变量) {
  case 值1:
    // 变量等于值1时执行的代码
    break;
  case 值2:
    // 变量等于值2时执行的代码
    break;
  // ...
  default:
    // 其他情况执行的代码
    break;
}

### 3.3 循环结构

循环结构允许程序重复执行一段代码，直到满足某个条件。C语言中提供了三种循环结构：`while`循环、`do-while`循环和`for`循环。

**3.3.1 while循环**

`while`循环在条件为真时重复执行一段代码。其语法如下：

while (条件) {
  // 条件为真时执行的代码
}

**3.3.2 do-while循环**

`do-while`循环先执行一段代码，然后再检查条件。其语法如下：

do {
  // 先执行的代码
} while (条件);

**3.3.3 for循环**

`for`循环使用一个初始化语句、一个条件表达式和一个递增/递减语句来控制循环。其语法如下：

for (初始化语句; 条件表达式; 递增/递减语句) {
  // 循环体
}

# 4. 单片机C语言编程函数和数组

### 4.1 函数的基本概念

#### 函数的定义

函数是将代码块封装成一个独立的单元，以便在程序中重复使用。函数由函数名、参数列表和函数体组成。

// 函数定义
void function_name(参数列表) {
  // 函数体
}

#### 函数的调用

函数通过调用来执行。调用函数时，需要指定函数名和实际参数。

// 函数调用
function_name(实际参数);

### 4.2 函数的调用与参数传递

#### 参数传递方式

单片机C语言中支持两种参数传递方式：

- **值传递：**将实际参数的值复制到函数中。
- **地址传递：**将实际参数的地址复制到函数中。

#### 参数传递示例

**值传递示例：**

void swap(int a, int b) {
  int temp = a;
  a = b;
  b = temp;
}

int main() {
  int x = 10;
  int y = 20;
  swap(x, y); // 值传递
  printf("x = %d, y = %d\n", x, y); // 输出：x = 10, y = 20
}

**地址传递示例：**

void swap(int *a, int *b) {
  int temp = *a;
  *a = *b;
  *b = temp;
}

int main() {
  int x = 10;
  int y = 20;
  swap(&x, &y); // 地址传递
  printf("x = %d, y = %d\n", x, y); // 输出：x = 20, y = 10
}

### 4.3 数组的概念和应用

#### 数组定义

数组是一种数据结构，用于存储相同类型的数据元素。数组由一个连续的内存区域组成，每个元素都有一个索引。

// 数组定义
int array_name[size];

#### 数组元素访问

数组元素可以通过索引访问。

// 数组元素访问
array_name[index];

#### 数组应用

数组在单片机C语言编程中广泛应用，例如：

- 存储传感器数据
- 保存配置参数
- 实现查找表

#### 数组示例

int temperature_array[10]; // 存储 10 个温度值

// 访问数组元素
temperature_array[0] = 25; // 将 25 存储在第一个元素中

// 遍历数组
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  printf("Temperature at index %d: %d\n", i, temperature_array[i]);
}

# 5.1 指针的基本概念

### 指针的定义

指针是一种特殊类型的变量，它存储的是另一个变量的地址。换句话说，指针指向另一个变量。指针变量的类型是它所指向变量的类型加上一个星号（*）。例如，如果一个指针指向一个整数变量，那么它的类型就是 `int *`。

### 指针的声明和初始化

要声明一个指针，需要使用以下语法：

<数据类型> *<指针名>;

例如，要声明一个指向整数的指针，可以使用以下代码：

int *ptr;

要初始化一个指针，可以给它赋值另一个变量的地址。例如，要将 `ptr` 指向整数变量 `num`，可以使用以下代码：

ptr = #

符号 `&` 是取地址运算符，它返回一个变量的地址。

### 指针的解引用

要访问指针指向的变量，需要使用解引用运算符（*）。例如，要访问指针 `ptr` 指向的整数，可以使用以下代码：

*ptr

### 指针的优点

指针有以下优点：

* **节省内存：**指针只存储一个地址，而不是整个变量的值，因此可以节省内存。
* **提高效率：**通过指针直接访问变量的值，可以提高效率，因为不需要复制整个变量。
* **动态内存管理：**指针可以用于动态分配和释放内存，这提供了更大的灵活性。

### 指针的缺点

指针也有以下缺点：

* **容易出错：**如果指针指向一个无效的地址，可能会导致程序崩溃。
* **难以理解：**指针代码可能难以理解，因为它涉及到间接寻址。
* **容易产生内存泄漏：**如果指针指向的内存没有被释放，可能会导致内存泄漏。

# 6. 单片机C语言编程实训案例

### 6.1 LED灯控制

**目标：**通过单片机控制LED灯的亮灭。

**材料：**

* 单片机开发板
* LED灯
* 电阻

**原理：**

* 单片机通过GPIO口输出高电平，LED灯亮；输出低电平，LED灯灭。
* GPIO口输出高低电平可以通过寄存器操作实现。

**代码：**

#include <reg51.h>

void main()
{
    P1 = 0x00; // 初始化P1口为全低电平
    while (1)
    {
        P1 = 0xFF; // 输出高电平，LED灯亮
        delay(1000); // 延时1s
        P1 = 0x00; // 输出低电平，LED灯灭
        delay(1000); // 延时1s
    }
}

**解释：**

* `P1 = 0x00`：初始化P1口为全低电平，即所有LED灯灭。
* `P1 = 0xFF`：输出高电平，即所有LED灯亮。
* `delay(1000)`：延时1s。

### 6.2 按键输入

**目标：**通过单片机检测按键输入。

**材料：**

* 单片机开发板
* 按键
* 电阻

**原理：**

* 单片机通过GPIO口检测按键输入。
* 按键按下时，GPIO口输入低电平；按键松开时，GPIO口输入高电平。
* GPIO口输入电平可以通过寄存器操作检测。

**代码：**

#include <reg51.h>

void main()
{
    P1 = 0xFF; // 初始化P1口为全高电平
    while (1)
    {
        if (P1 & 0x01) // 检测P1.0口是否为高电平
        {
            // 按键松开
        }
        else
        {
            // 按键按下
        }
    }
}

**解释：**

* `P1 = 0xFF`：初始化P1口为全高电平，即所有按键松开。
* `P1 & 0x01`：检测P1.0口是否为高电平。如果为高电平，说明按键松开；否则，说明按键按下。