PIC单片机程序设计：C语言编程实战，解锁高效开发

# 1. PIC单片机简介和开发环境搭建**

PIC单片机是一种微控制器，广泛应用于嵌入式系统中。它具有低功耗、高性能和易于编程的特点。

要开始使用PIC单片机，需要搭建一个开发环境。通常使用集成开发环境（IDE），如MPLAB X，它提供了一个图形界面，用于编写、编译和调试代码。此外，还需要一个编译器，如XC8，将C语言代码编译成PIC单片机可以执行的机器代码。

# 2. C语言基础

### 2.1 数据类型和变量

#### 2.1.1 数据类型概述

C语言中提供了多种数据类型，用于表示不同类型的变量。常见的整数类型包括：

- `char`：8位有符号字符型
- `short`：16位有符号短整型
- `int`：32位有符号整型
- `long`：64位有符号长整型

浮点类型用于表示实数，包括：

- `float`：32位单精度浮点型
- `double`：64位双精度浮点型

其他数据类型包括：

- `void`：表示没有返回值的函数
- `struct`：结构体，用于将相关数据组织在一起
- `enum`：枚举类型，用于定义一组常量

#### 2.1.2 变量的定义和使用

变量是用来存储数据的内存单元。要定义一个变量，需要指定其数据类型和变量名。例如：

int age;

这将定义一个名为 `age` 的 32 位有符号整型变量。

要使用变量，可以使用其变量名。例如：

age = 25;

这将把值 25 赋值给变量 `age`。

### 2.2 运算符和表达式

#### 2.2.1 算术运算符

算术运算符用于对数值进行算术运算。常见的算术运算符包括：

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

例如：

int sum = 10 + 20; // sum = 30

#### 2.2.2 逻辑运算符

逻辑运算符用于对布尔值进行逻辑运算。常见的逻辑运算符包括：

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| `&&` | 与运算 |
| `||` | 或运算 |
| `!` | 非运算 |

例如：

int isTrue = (age > 18) && (age < 65); // isTrue = true

#### 2.2.3 赋值运算符

赋值运算符用于将值赋值给变量。常见的赋值运算符包括：

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| `=` | 普通赋值 |
| `+=` | 加法赋值 |
| `-=` | 减法赋值 |
| `*=` | 乘法赋值 |
| `/=` | 除法赋值 |

例如：

age += 10; // age = 35

### 2.3 控制语句

#### 2.3.1 if-else语句

`if-else` 语句用于根据条件执行不同的代码块。语法如下：

if (condition) {
  // 代码块 1
} else {
  // 代码块 2
}

例如：

if (age > 18) {
  printf("成年人\n");
} else {
  printf("未成年人\n");
}

#### 2.3.2 switch-case语句

`switch-case` 语句用于根据变量的值执行不同的代码块。语法如下：

switch (variable) {
  case value1:
    // 代码块 1
    break;
  case value2:
    // 代码块 2
    break;
  default:
    // 默认代码块
}

例如：

switch (age) {
  case 18:
    printf("刚成年\n");
    break;
  case 25:
    printf("青年\n");
    break;
  default:
    printf("其他年龄段\n");
}

#### 2.3.3 循环语句

循环语句用于重复执行一段代码块。常见的循环语句包括：

- `for` 循环：用于重复执行一段代码块指定次数。
- `while` 循环：用于重复执行一段代码块，直到条件为假。
- `do-while` 循环：用于重复执行一段代码块，至少执行一次。

例如：

// for 循环
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  printf("%d\n", i);
}

// while 循环
while (age < 18) {
  printf("未成年\n");
  age++;
}

// do-while 循环
do {
  printf("成年人\n");
  age++;
} while (age < 18);

# 3.1 PIC单片机架构和寄存器

#### 3.1.1 PIC单片机内部结构

PIC单片机内部结构主要包括以下几个部分：

- **中央处理单元（CPU）**：负责执行指令和处理数据。
- **存储器**：包括程序存储器（Flash）和数据存储器（RAM）。
- **输入/输出（I/O）端口**：用于与外部设备进行通信。
- **定时器**：用于生成定时中断和测量时间间隔。
- **中断控制器**：用于管理来自外部设备或内部事件的中断请求。

#### 3.1.2 寄存器概述

寄存器是CPU内部的小型存储单元，用于临时存储数据和控制程序执行。PIC单片机具有丰富的寄存器集，包括：

- **通用寄存器**：用于存储数据和地址。
- **特殊功能寄存器（SFR）**：用于控制和配置单片机的各种功能，如I/O端口、定时器和中断。
- **状态寄存器**：用于存储CPU的状态信息，如进位标志和零标志。

### 3.2 I/O端口编程

#### 3.2.1 I/O端口的配置

PIC单片机的I/O端口可以通过寄存器进行配置，以定义其方向（输入或输出）和电气特性（如三态或上拉电阻）。

// 将端口A的第3位配置为输出
TRISA3 = 0;

#### 3.2.2 I/O端口的读写操作

I/O端口的读写操作可以通过寄存器进行，分别使用`PORTA`寄存器和`LATA`寄存器。

// 读取端口A的第3位
uint8_t value = PORTA3;

// 将值写入端口A的第3位
PORTA3 = 0;

### 3.3 定时器编程

#### 3.3.1 定时器的类型和功能

PIC单片机具有多种类型的定时器，包括：

- **定时器0**：8位定时器，用于生成定时中断和测量时间间隔。
- **定时器1**：16位定时器，具有更长的计数范围和更多的功能。
- **定时器2**：32位定时器，用于高精度计时和测量。

#### 3.3.2 定时器的配置和使用

定时器的配置和使用需要对寄存器进行设置，包括：

- **控制寄存器**：用于配置定时器的模式、时钟源和中断使能。
- **计数寄存器**：用于存储定时器的当前计数值。
- **比较寄存器**：用于设置定时器中断的触发点。

// 配置定时器0为8位模式，时钟源为内部时钟
T0CON = 0x01;

// 设置定时器0的计数值为100
TMR0 = 100;

// 启用定时器0中断
INTCONbits.TMR0IE = 1;

# 4. PIC单片机C语言实战

### 4.1 LED闪烁程序

#### 4.1.1 程序设计

// LED闪烁程序

// 宏定义LED端口
#define LED_PORT PORTB
// 宏定义LED位
#define LED_BIT 0

// 主函数
void main() {
    // 设置LED端口为输出模式
    TRISB &= ~(1 << LED_BIT);

    // 无限循环
    while (1) {
        // LED点亮
        LED_PORT |= (1 << LED_BIT);
        // 延时1s
        __delay_ms(1000);

        // LED熄灭
        LED_PORT &= ~(1 << LED_BIT);
        // 延时1s
        __delay_ms(1000);
    }
}

#### 4.1.2 程序编译和下载

1. 打开MPLAB X IDE，新建一个项目。
2. 选择PIC单片机型号，如PIC16F887。
3. 将上述程序代码复制到源文件中。
4. 编译程序，确保没有错误。
5. 将程序下载到单片机中。
6. 运行程序，观察LED闪烁效果。

### 4.2 按键检测程序

#### 4.2.1 程序设计

// 按键检测程序

// 宏定义按键端口
#define KEY_PORT PORTB
// 宏定义按键位
#define KEY_BIT 1

// 主函数
void main() {
    // 设置按键端口为输入模式
    TRISB |= (1 << KEY_BIT);

    // 无限循环
    while (1) {
        // 检测按键是否按下
        if ((KEY_PORT & (1 << KEY_BIT)) == 0) {
            // 按键按下，执行相应操作
            // ...
        }
    }
}

#### 4.2.2 程序编译和下载

1. 打开MPLAB X IDE，新建一个项目。
2. 选择PIC单片机型号，如PIC16F887。
3. 将上述程序代码复制到源文件中。
4. 编译程序，确保没有错误。
5. 将程序下载到单片机中。
6. 运行程序，按下按键，观察程序执行相应操作。

### 4.3 串口通信程序

#### 4.3.1 程序设计

// 串口通信程序

// 宏定义波特率
#define BAUD_RATE 9600

// 主函数
void main() {
    // 初始化串口
    UART_Init(BAUD_RATE);

    // 无限循环
    while (1) {
        // 发送数据
        UART_Write("Hello World!\r\n");
        // 延时1s
        __delay_ms(1000);
    }
}

#### 4.3.2 程序编译和下载

1. 打开MPLAB X IDE，新建一个项目。
2. 选择PIC单片机型号，如PIC16F887。
3. 将上述程序代码复制到源文件中。
4. 编译程序，确保没有错误。
5. 将程序下载到单片机中。
6. 运行程序，使用串口调试工具观察发送的数据。

# 5.1 中断编程

### 5.1.1 中断的概念和类型

**中断**是一种硬件或软件事件，它会暂停当前正在执行的程序，并跳转到一个称为**中断服务程序 (ISR)** 的特殊函数。ISR 执行完成后，程序将从中断发生处继续执行。

PIC 单片机支持多种中断源，包括：

* 外部中断：由外部设备或信号触发
* 内部中断：由内部模块或事件触发，如定时器溢出或 ADC 转换完成

### 5.1.2 中断的配置和使用

要使用中断，需要执行以下步骤：

1. **配置中断源：**设置中断源的优先级、触发方式和使能状态。
2. **编写 ISR：**为每个中断源编写一个 ISR，ISR 中包含要执行的中断处理代码。
3. **使能中断：**在程序中使能全局中断，允许中断发生。

**代码块 5.1：外部中断配置和 ISR**

// 配置外部中断 INT0
INTCONbits.INT0IE = 1; // 使能 INT0 中断
INTCON2bits.INTEDG0 = 0; // 设置 INT0 为下降沿触发

// 外部中断 INT0 的 ISR
void interrupt isr_int0() {
    // 中断处理代码
}

**逻辑分析：**

* `INTCONbits.INT0IE = 1;`：使能 INT0 中断。
* `INTCON2bits.INTEDG0 = 0;`：设置 INT0 为下降沿触发。
* `void interrupt isr_int0()`：外部中断 INT0 的 ISR。

**表格 5.1：PIC 单片机中断类型**

| 中断类型 | 触发方式 |
|---|---|
| 外部中断 | 上升沿、下降沿、变化沿 |
| 定时器中断 | 定时器溢出 |
| ADC 转换中断 | ADC 转换完成 |
| EUSART 中断 | 数据接收、数据发送完成 |

## 5.2 ADC 编程

### 5.2.1 ADC 的基本原理

**模数转换器 (ADC)** 将模拟信号（如电压）转换为数字信号（如二进制数）。PIC 单片机内置 10 位 ADC，可将 0-5V 的模拟电压转换为 0-1023 的数字值。

### 5.2.2 ADC 的配置和使用

要使用 ADC，需要执行以下步骤：

1. **配置 ADC：**设置 ADC 的参考电压、采样时间和转换时钟。
2. **启动转换：**通过软件或硬件触发 ADC 转换。
3. **读取转换结果：**从 ADC 数据寄存器中读取转换结果。

**代码块 5.2：ADC 配置和转换**

// 配置 ADC
ADCON0bits.CHS = 0b0000; // 选择 AN0 引脚作为模拟输入
ADCON0bits.ADON = 1; // 使能 ADC

// 启动 ADC 转换
ADCON0bits.GO_DONE = 1; // 启动 ADC 转换

// 读取转换结果
uint16_t adc_result = ADRESH << 8 | ADRESL; // 读取高 8 位和低 8 位结果

**逻辑分析：**

* `ADCON0bits.CHS = 0b0000;`：选择 AN0 引脚作为模拟输入。
* `ADCON0bits.ADON = 1;`：使能 ADC。
* `ADCON0bits.GO_DONE = 1;`：启动 ADC 转换。
* `uint16_t adc_result = ADRESH << 8 | ADRESL;`：读取高 8 位和低 8 位结果。

## 5.3 EEPROM 编程

### 5.3.1 EEPROM 的特性和功能

**EEPROM (电可擦除可编程只读存储器)** 是一种非易失性存储器，即使在断电后也能保留数据。PIC 单片机内置 EEPROM，可用于存储配置数据、校准值或其他需要长期保存的数据。

### 5.3.2 EEPROM 的读写操作

要使用 EEPROM，需要执行以下步骤：

1. **配置 EEPROM：**设置 EEPROM 的读写时钟和保护机制。
2. **写入 EEPROM：**使用 `EEPGWR` 指令将数据写入 EEPROM。
3. **读取 EEPROM：**使用 `EEPGFR` 指令从 EEPROM 中读取数据。

**代码块 5.3：EEPROM 写入和读取**

// 写入 EEPROM
EECON1bits.WREN = 1; // 使能 EEPROM 写入
EEADR = 0x00; // 设置 EEPROM 地址
EEDATA = 0x55; // 写入数据
EECON1bits.WR = 1; // 执行写入操作

// 读取 EEPROM
EECON1bits.RD = 1; // 执行读取操作
uint8_t eeprom_data = EEDATA; // 读取数据

**逻辑分析：**

* `EECON1bits.WREN = 1;`：使能 EEPROM 写入。
* `EEADR = 0x00;`：设置 EEPROM 地址为 0x00。
* `EEDATA = 0x55;`：写入数据 0x55。
* `EECON1bits.WR = 1;`：执行写入操作。
* `EECON1bits.RD = 1;`：执行读取操作。
* `uint8_t eeprom_data = EEDATA;`：读取数据并存储在变量 `eeprom_data` 中。

# 6. PIC单片机C语言项目实战

### 6.1 数字时钟项目

#### 6.1.1 项目需求分析

数字时钟项目旨在设计一个基于PIC单片机的数字时钟，能够显示时、分、秒，并具有以下功能：

- **时钟显示：**显示当前时间，格式为“hh:mm:ss”。
- **时间设置：**允许用户通过按键设置时、分、秒。
- **闹钟功能：**设置闹钟时间，当时间到达时触发闹铃。

#### 6.1.2 程序设计和实现

**硬件电路设计：**

- PIC单片机
- LED显示器
- 按键
- 实时时钟模块（可选）

**软件程序设计：**

**主程序框架：**

#include <pic.h>

// 定义按键引脚
#define KEY1 PORTBbits.RB0
#define KEY2 PORTBbits.RB1

// 定义LED显示器引脚
#define LED1 PORTCbits.RC0
#define LED2 PORTCbits.RC1
#define LED3 PORTCbits.RC2
#define LED4 PORTCbits.RC3

// 定义闹钟时间
unsigned char alarm_hour = 10;
unsigned char alarm_minute = 30;
unsigned char alarm_second = 0;

// 定义当前时间
unsigned char hour = 0;
unsigned char minute = 0;
unsigned char second = 0;

void main() {
    // 初始化IO口
    TRISB = 0xFF;
    TRISC = 0x00;

    // 初始化实时时钟模块（可选）

    // 主循环
    while (1) {
        // 获取当前时间
        // ...

        // 显示时间
        // ...

        // 检测按键
        // ...

        // 设置时间
        // ...

        // 设置闹钟
        // ...

        // 触发闹铃
        // ...
    }
}

**时间获取：**

void get_time() {
    // 从实时时钟模块获取时间（可选）
    // ...

    // 或者从内部寄存器获取时间
    hour = TMR0;
    minute = TMR1;
    second = TMR2;
}

**时间显示：**

void display_time() {
    // 将时间转换为BCD码
    // ...

    // 显示时
    LED1 = (hour & 0x10) >> 4;
    LED2 = hour & 0x0F;

    // 显示分
    LED3 = (minute & 0x10) >> 4;
    LED4 = minute & 0x0F;

    // 显示秒
    // ...
}

**按键检测：**

void check_key() {
    // 检测按键1
    if (KEY1 == 0) {
        // ...
    }

    // 检测按键2
    if (KEY2 == 0) {
        // ...
    }
}

**时间设置：**

void set_time() {
    // ...
}

**闹钟设置：**

void set_alarm() {
    // ...
}

**闹铃触发：**

void trigger_alarm() {
    // ...
}