【单片机实验：从小白到大师】：循序渐进解锁单片机开发秘诀

# 1. 单片机基础理论**

单片机是一种集成在单一芯片上的微型计算机，它包含了中央处理器、存储器、输入/输出接口和其他外围设备。单片机具有体积小、功耗低、成本低等优点，广泛应用于各种电子设备中。

单片机的基本架构包括：

- **中央处理器（CPU）：**负责执行指令和处理数据。
- **存储器：**存储程序和数据，包括程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）。
- **输入/输出接口（I/O）：**与外部设备进行数据交换，包括GPIO、定时器、串口等。
- **外围设备：**提供特定功能，如看门狗定时器、ADC、DAC等。

# 2. 单片机编程技巧

### 2.1 C语言基础语法

#### 2.1.1 数据类型和变量

C语言中提供了多种数据类型来表示不同类型的变量，如：

- 整数：int、short、long
- 浮点数：float、double
- 字符：char
- 字符串：char[]

变量用于存储数据，其类型决定了变量可以存储的值的范围和精度。例如：

int age = 25;  // 存储一个整数
float pi = 3.14;  // 存储一个浮点数
char letter = 'A';  // 存储一个字符

#### 2.1.2 运算符和表达式

运算符用于对变量和常量进行操作，如：

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

表达式是由变量、常量和运算符组合而成的，用于计算或比较值。例如：

int sum = a + b;  // 两个整数的和
float average = (a + b) / 2.0;  // 两个浮点数的平均值
bool isTrue = (a > 0) && (b < 10);  // 两个关系表达式的逻辑与

### 2.2 单片机外设编程

#### 2.2.1 GPIO编程

GPIO（通用输入输出）是单片机上用于与外部设备通信的引脚。GPIO编程涉及配置引脚的方向（输入或输出）和读写引脚上的数据。

// 将 GPIOA 引脚 0 配置为输出
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);

// 输出高电平到 GPIOA 引脚 0
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);

#### 2.2.2 定时器编程

定时器是单片机上用于生成定时中断或测量时间间隔的模块。定时器编程涉及配置定时器的时钟源、分频器和比较值。

// 初始化 TIM2 定时器为向上计数模式
TIM_HandleTypeDef htim2;
htim2.Instance = TIM2;
htim2.Init.Prescaler = 1000;
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
htim2.Init.Period = 10000;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);

// 启动 TIM2 定时器
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);

### 2.3 单片机中断编程

#### 2.3.1 中断的概念和类型

中断是一种硬件机制，当特定事件发生时，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。单片机支持多种中断类型，如：

- 外部中断：由外部设备触发
- 定时器中断：由定时器溢出触发
- 串口中断：由串口数据接收或发送触发

#### 2.3.2 中断服务程序

中断服务程序是响应特定中断事件的函数。它必须快速执行，以避免影响程序的正常流程。中断服务程序通常包含以下步骤：

1. 保存当前程序上下文
2. 处理中断事件
3. 清除中断标志
4. 恢复程序上下文

// 外部中断 0 的中断服务程序
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
  // 保存当前程序上下文

  // 处理中断事件

  // 清除中断标志

  // 恢复程序上下文
}

# 3. 单片机实践应用

### 3.1 LED灯控制

#### 3.1.1 GPIO配置和输出

**代码块：**

// 定义LED引脚
#define LED_PIN GPIO_PIN_0

// 初始化GPIO
void gpio_init(void)
{
    // 设置LED引脚为输出模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.Pin = LED_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 控制LED灯
void led_control(uint8_t state)
{
    // 根据状态设置LED引脚电平
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, LED_PIN, state);
}

**逻辑分析：**

- `gpio_init()`函数初始化GPIO引脚，将其配置为输出模式。
- `led_control()`函数根据给定的状态参数控制LED灯，当`state`为1时打开LED灯，为0时关闭LED灯。

#### 3.1.2 延时函数实现

**代码块：**

// 延时函数
void delay_ms(uint32_t ms)
{
    // 计算时钟周期数
    uint32_t ticks = HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 1000 * ms;

    // 循环等待
    while (ticks--)
    {
        // 空循环
    }
}

**逻辑分析：**

- `delay_ms()`函数通过计算时钟周期数来实现延时，单位为毫秒。
- 循环等待直到时钟周期数减为0，从而实现延时效果。

### 3.2 按键检测

#### 3.2.1 GPIO配置和输入

**代码块：**

// 定义按键引脚
#define KEY_PIN GPIO_PIN_1

// 初始化GPIO
void gpio_init(void)
{
    // 设置按键引脚为输入模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
    GPIO_InitStruct.Pin = KEY_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
}

// 获取按键状态
uint8_t key_get_state(void)
{
    // 读取按键引脚电平
    return HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, KEY_PIN);
}

**逻辑分析：**

- `gpio_init()`函数初始化GPIO引脚，将其配置为输入模式，并上拉。
- `key_get_state()`函数读取按键引脚电平，当按键按下时返回0，未按下时返回1。

#### 3.2.2 中断处理和按键消抖

**代码块：**

// 定义按键中断服务函数
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    // 按键消抖
    if (GPIO_Pin == KEY_PIN)
    {
        HAL_Delay(10);
        if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, KEY_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
        {
            // 按键按下处理
        }
    }
}

// 初始化外部中断
void exti_init(void)
{
    // 配置外部中断
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStruct;
    EXTI_InitStruct.Line = EXTI_LINE_1;
    EXTI_InitStruct.Mode = EXTI_MODE_IT_FALLING;
    EXTI_InitStruct.Trigger = EXTI_TRIGGER_RISING;
    EXTI_InitStruct.GPIOSel = EXTI_GPIO_PORTA;
    EXTI_InitStruct.GPIOPin = KEY_PIN;
    HAL_EXTI_Init(&EXTI_InitStruct);

    // 启用外部中断
    HAL_EXTI_Start(&EXTI_InitStruct);
}

**逻辑分析：**

- `HAL_GPIO_EXTI_Callback()`函数是按键中断服务函数，用于处理按键按下中断。
- `exti_init()`函数初始化外部中断，配置为下降沿触发，并在中断服务函数中进行按键消抖处理，防止按键抖动导致误触发。

### 3.3 串口通信

#### 3.3.1 串口配置和收发数据

**代码块：**

// 定义串口句柄
UART_HandleTypeDef huart;

// 初始化串口
void uart_init(void)
{
    // 配置串口参数
    huart.Instance = USART1;
    huart.Init.BaudRate = 115200;
    huart.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
    huart.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
    huart.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
    huart.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
    huart.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
    HAL_UART_Init(&huart);
}

// 发送数据
void uart_send(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 发送数据
    HAL_UART_Transmit(&huart, data, len, HAL_MAX_DELAY);
}

// 接收数据
void uart_receive(uint8_t *data, uint16_t len)
{
    // 接收数据
    HAL_UART_Receive(&huart, data, len, HAL_MAX_DELAY);
}

**逻辑分析：**

- `uart_init()`函数初始化串口，配置串口参数，如波特率、数据位、停止位等。
- `uart_send()`函数发送数据，通过`HAL_UART_Transmit()`函数发送数据到串口。
- `uart_receive()`函数接收数据，通过`HAL_UART_Receive()`函数接收数据从串口。

#### 3.3.2 数据传输协议

**代码块：**

// 定义数据帧结构
typedef struct
{
    uint8_t header;
    uint8_t data[10];
    uint8_t checksum;
} data_frame_t;

// 发送数据帧
void send_data_frame(data_frame_t *frame)
{
    // 计算校验和
    frame->checksum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < sizeof(frame->data); i++)
    {
        frame->checksum += frame->data[i];
    }

    // 发送数据帧
    uart_send((uint8_t *)frame, sizeof(*frame));
}

// 接收数据帧
void receive_data_frame(data_frame_t *frame)
{
    // 接收数据帧
    uart_receive((uint8_t *)frame, sizeof(*frame));

    // 校验校验和
    uint8_t checksum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < sizeof(frame->data); i++)
    {
        checksum += frame->data[i];
    }

    if (checksum != frame->checksum)
    {
        // 校验和错误
    }
}

**逻辑分析：**

- 定义了数据帧结构，包括帧头、数据和校验和。
- `send_data_frame()`函数发送数据帧，并计算校验和。
- `receive_data_frame()`函数接收数据帧，并校验校验和。

# 4. 单片机进阶应用

### 4.1 嵌入式操作系统

#### 4.1.1 实时操作系统简介

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

- **确定性：** RTOS可以保证任务在指定的时间内执行，从而满足嵌入式系统的实时性要求。
- **低开销：** RTOS具有较小的内存占用和执行开销，适合资源受限的嵌入式系统。
- **多任务处理：** RTOS允许多个任务同时运行，提高系统的并发性和响应能力。

#### 4.1.2 FreeRTOS移植和使用

FreeRTOS是一个开源的RTOS，因其小巧、高效和免费而受到广泛使用。移植FreeRTOS到单片机系统需要以下步骤：

1. **配置内核：** 根据系统需求配置内核参数，如任务数量、堆栈大小等。
2. **创建任务：** 创建任务并定义其执行函数和优先级。
3. **创建同步机制：** 使用信号量、互斥锁等同步机制协调任务之间的资源访问。
4. **启动调度器：** 启动调度器，它负责任务的调度和执行。

**代码块：**

#include "FreeRTOS.h"
#include "task.h"

// 任务函数
void task1(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 任务逻辑
    }
}

// 任务函数
void task2(void *pvParameters) {
    while (1) {
        // 任务逻辑
    }
}

// 主函数
int main() {
    // 创建任务
    xTaskCreate(task1, "Task 1", 128, NULL, 1, NULL);
    xTaskCreate(task2, "Task 2", 128, NULL, 2, NULL);

    // 启动调度器
    vTaskStartScheduler();

    return 0;
}

**逻辑分析：**

- 任务1和任务2被创建，优先级分别为1和2。
- 主函数启动调度器，开始任务的调度和执行。
- 任务1和任务2在循环中执行各自的逻辑。

### 4.2 单片机网络编程

#### 4.2.1 TCP/IP协议栈简介

TCP/IP协议栈是实现网络通信的基础，它包含以下协议：

- **IP协议：**负责数据包的寻址和路由。
- **TCP协议：**提供可靠、面向连接的传输服务。
- **UDP协议：**提供无连接、不可靠的数据报传输服务。

#### 4.2.2 网络通信示例

**代码块：**

#include "lwip/tcp.h"

// TCP服务器任务
void tcp_server_task(void *pvParameters) {
    struct tcp_pcb *pcb;
    err_t err;

    // 创建TCP服务器
    pcb = tcp_new();
    if (pcb == NULL) {
        // 处理错误
    }

    // 绑定端口
    err = tcp_bind(pcb, IP_ADDR_ANY, 80);
    if (err != ERR_OK) {
        // 处理错误
    }

    // 监听端口
    tcp_listen(pcb);

    while (1) {
        // 等待客户端连接
        struct tcp_pcb *newpcb = tcp_accept(pcb);
        if (newpcb != NULL) {
            // 处理客户端连接
        }
    }
}

// TCP客户端任务
void tcp_client_task(void *pvParameters) {
    struct tcp_pcb *pcb;
    err_t err;

    // 创建TCP客户端
    pcb = tcp_new();
    if (pcb == NULL) {
        // 处理错误
    }

    // 连接到服务器
    err = tcp_connect(pcb, IP_ADDR_ANY, 80, NULL);
    if (err != ERR_OK) {
        // 处理错误
    }

    // 发送数据
    tcp_write(pcb, "Hello, world!", 12, 1);

    // 关闭连接
    tcp_close(pcb);
}

**逻辑分析：**

- TCP服务器任务创建TCP服务器并监听端口80。
- TCP客户端任务创建TCP客户端并连接到服务器。
- 服务器接受客户端连接并处理数据。
- 客户端发送数据到服务器并关闭连接。

### 4.3 单片机图形界面

#### 4.3.1 LCD显示屏驱动

LCD显示屏驱动程序负责控制LCD显示屏的显示内容。它包含以下功能：

- **初始化：** 配置LCD显示屏的寄存器和时序。
- **写数据：** 将数据写入LCD显示屏的显存。
- **写命令：** 发送命令到LCD显示屏，如设置光标位置、清除屏幕等。

#### 4.3.2 图形库使用

图形库提供了一系列函数，简化了在LCD显示屏上绘制图形和文本的操作。它包含以下功能：

- **绘制线段：** 绘制直线或曲线。
- **绘制矩形：** 绘制矩形或圆形。
- **绘制文本：** 绘制文本字符串。
- **填充区域：** 填充指定区域的颜色。

**代码块：**

#include "lcd.h"
#include "graphics.h"

// 初始化LCD显示屏
lcd_init();

// 设置画笔颜色
set_pen_color(COLOR_RED);

// 绘制一个矩形
draw_rectangle(10, 10, 100, 100);

// 设置画笔颜色
set_pen_color(COLOR_GREEN);

// 绘制一个圆形
draw_circle(50, 50, 25);

// 设置画笔颜色
set_pen_color(COLOR_BLUE);

// 绘制一个文本
draw_text("Hello, world!", 10, 10);

**逻辑分析：**

- 初始化LCD显示屏。
- 设置画笔颜色为红色。
- 绘制一个矩形。
- 设置画笔颜色为绿色。
- 绘制一个圆形。
- 设置画笔颜色为蓝色。
- 绘制文本"Hello, world!"。

# 5.1 智能家居控制

智能家居控制系统是利用单片机技术，通过传感器采集环境信息，并通过无线通信将数据传输到远程控制端，实现对家居设备的远程控制和管理。

### 5.1.1 传感器数据采集

**传感器类型：**

- 温度传感器：监测室内温度
- 湿度传感器：监测室内湿度
- 光照传感器：监测室内光照强度
- 运动传感器：检测人体移动

**数据采集流程：**

1. 单片机初始化传感器，配置测量参数。
2. 定时触发传感器采集数据。
3. 单片机读取传感器数据，并存储在内部存储器中。

### 5.1.2 无线通信和远程控制

**无线通信协议：**

- Wi-Fi：适用于室内环境，传输距离较短
- 蓝牙：适用于近距离通信，功耗较低
- Zigbee：适用于大范围网络，功耗较低

**远程控制方式：**

- 手机APP：通过手机APP发送控制指令
- 网页端：通过网页端发送控制指令
- 语音助手：通过语音助手发送控制指令

**数据传输流程：**

1. 单片机将传感器数据打包成数据帧。
2. 单片机通过无线通信模块将数据帧发送到远程控制端。
3. 远程控制端接收数据帧，并解析数据。
4. 远程控制端根据解析的数据，执行相应的控制操作。