【单片机C语言程序设计：100个实训案例】：从入门到精通的进阶指南

# 1. 单片机C语言编程基础**

单片机C语言是一种嵌入式系统开发中常用的编程语言，它具有简洁、高效、可移植性好的特点。本章将介绍单片机C语言编程的基础知识，包括数据类型、变量、流程控制、数组和指针等内容。

**1.1 数据类型和变量**

数据类型用于定义变量存储的数据类型，常见的单片机C语言数据类型包括：

- 整数类型：int、short、long
- 浮点数类型：float、double
- 字符类型：char
- 布尔类型：bool

变量用于存储程序中的数据，其定义格式为：

数据类型 变量名；

例如：

int a;
float b;

# 2. 单片机C语言编程技巧

### 2.1 数据类型和变量

#### 2.1.1 数据类型的分类

单片机C语言支持多种数据类型，用于表示不同类型的变量。常见的数据类型包括：

- **整数类型：** char、short int、int、long int，用于存储整数数据。
- **浮点类型：** float、double，用于存储浮点数。
- **字符类型：** char，用于存储单个字符。
- **布尔类型：** bool，用于存储布尔值（true/false）。

#### 2.1.2 变量的定义和使用

变量是存储数据的内存空间。在C语言中，变量必须在使用前进行定义。变量的定义格式为：

数据类型 变量名;

例如：

int num; // 定义一个整型变量num

变量名可以是任意有效的标识符，但不能与关键字或保留字相同。

### 2.2 流程控制

流程控制语句用于控制程序执行的流程。常见的流程控制语句包括：

#### 2.2.1 条件语句

条件语句用于根据条件执行不同的代码块。常见的条件语句包括：

- **if 语句：** 如果条件为真，则执行代码块。
- **if-else 语句：** 如果条件为真，则执行第一个代码块，否则执行第二个代码块。
- **switch-case 语句：** 根据条件执行不同的代码块。

#### 2.2.2 循环语句

循环语句用于重复执行代码块。常见的循环语句包括：

- **for 循环：** 根据给定的条件重复执行代码块。
- **while 循环：** 只要条件为真，就重复执行代码块。
- **do-while 循环：** 至少执行一次代码块，然后根据条件重复执行。

#### 2.2.3 函数和参数

函数是代码的可重用块，用于执行特定任务。函数可以接受参数，并返回一个值。

函数的定义格式为：

数据类型 函数名(参数列表) {
  // 函数体
}

例如：

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

### 2.3 数组和指针

#### 2.3.1 数组的定义和使用

数组是一种数据结构，用于存储相同类型的数据元素。数组的定义格式为：

数据类型 数组名[数组大小];

例如：

int numbers[10]; // 定义一个包含10个整数的数组numbers

数组元素可以通过下标访问。

#### 2.3.2 指针的定义和使用

指针是一种数据类型，用于存储变量的地址。指针的定义格式为：

数据类型* 指针名;

例如：

int* ptr; // 定义一个指向整数的指针ptr

指针可以用来访问和修改变量的值。

# 3.1 输入/输出操作

#### 3.1.1 GPIO编程

GPIO（General Purpose Input/Output）是单片机上一种通用输入/输出接口，它可以配置为输入或输出模式，用于与外部设备进行数据交换。

**GPIO编程步骤：**

1. **配置GPIO引脚：**通过设置GPIO寄存器，将引脚配置为输入或输出模式。
2. **读写GPIO引脚：**通过读写GPIO寄存器，可以读取输入引脚的状态或向输出引脚写入数据。

**代码示例：**

// 配置GPIO引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 向GPIO引脚写入高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_1, GPIO_PIN_SET);

#### 3.1.2 ADC和DAC编程

**ADC（Analog-to-Digital Converter）**将模拟信号转换为数字信号，而**DAC（Digital-to-Analog Converter）**将数字信号转换为模拟信号。

**ADC编程步骤：**

1. **配置ADC：**通过设置ADC寄存器，配置ADC的采样率、分辨率等参数。
2. **启动ADC转换：**通过触发ADC转换，将模拟信号转换为数字信号。
3. **读取ADC转换结果：**通过读取ADC寄存器，获取转换后的数字信号。

**DAC编程步骤：**

1. **配置DAC：**通过设置DAC寄存器，配置DAC的输出电压范围、分辨率等参数。
2. **写入DAC数据：**通过写入DAC寄存器，将数字信号转换为模拟信号。

**代码示例：**

// 配置ADC
ADC_InitTypeDef ADC_InitStruct;
ADC_InitStruct.Resolution = ADC_RESOLUTION_12B;
ADC_InitStruct.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;
ADC_InitStruct.ContinuousConvMode = DISABLE;
HAL_ADC_Init(&hadc1, &ADC_InitStruct);

// 启动ADC转换
HAL_ADC_Start(&hadc1);

// 读取ADC转换结果
uint16_t adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

# 4.1 嵌入式操作系统

### 4.1.1 嵌入式操作系统的概念和分类

**概念：**

嵌入式操作系统（Embedded Operating System，简称EOS）是专门为嵌入式系统设计的操作系统，它具有以下特点：

* **小巧高效：**占用资源少，运行速度快。
* **实时性：**能及时响应外部事件，满足实时控制需求。
* **可靠性：**能稳定运行，不易崩溃。
* **可裁剪性：**可以根据不同应用需求裁剪功能模块。

### 分类：

嵌入式操作系统根据不同的分类标准，可以分为以下几类：

**按功能分类：**

* **实时操作系统（RTOS）：**强调实时性，能保证任务在指定时间内完成。
* **非实时操作系统：**不强调实时性，任务执行时间不确定。

**按内核结构分类：**

* **微内核：**只提供基本内核服务，其他功能通过外部模块实现。
* **宏内核：**将所有功能集成在内核中，体积较大。

**按应用领域分类：**

* **工业控制系统：**用于控制工业设备和自动化系统。
* **消费电子产品：**用于智能手机、平板电脑等设备。
* **医疗设备：**用于医疗仪器和设备。

### 4.1.2 嵌入式操作系统在单片机中的应用

嵌入式操作系统在单片机中的应用非常广泛，主要体现在以下几个方面：

* **任务管理：**管理和调度单片机上的任务，确保任务按时执行。
* **资源管理：**管理单片机上的资源，如内存、外设等。
* **通信管理：**管理单片机与外部设备的通信，如串口、I2C等。
* **实时控制：**实现单片机的实时控制功能，如定时器、中断等。
* **网络连接：**支持单片机连接网络，实现远程控制和数据传输。

**案例：**

* **基于FreeRTOS的单片机智能家居控制系统：**使用FreeRTOS管理任务，控制单片机上的传感器和执行器，实现智能家居功能。
* **基于μC/OS-II的单片机无人驾驶小车：**使用μC/OS-II管理任务，控制单片机上的电机、传感器和通信模块，实现无人驾驶功能。

### 代码示例：

**FreeRTOS任务创建示例：**

TaskHandle_t taskHandle;

xTaskCreate(
    taskFunction,        // 任务函数
    "Task Name",        // 任务名称
    configMINIMAL_STACK_SIZE,    // 任务堆栈大小
    NULL,                // 任务参数
    1,                    // 任务优先级
    &taskHandle);        // 任务句柄

**μC/OS-II任务创建示例：**

OS_TCB taskTCB;

OSTaskCreate(
    taskFunction,        // 任务函数
    NULL,                // 任务参数
    &taskTCB,            // 任务TCB
    1,                    // 任务优先级
    1,                    // 任务堆栈大小
    NULL,                // 任务堆栈
    0,                    // 任务时钟节拍
    0);                   // 任务超时时间

### 逻辑分析：

**FreeRTOS任务创建：**

* `xTaskCreate()`函数用于创建任务，参数包括任务函数、任务名称、任务堆栈大小、任务参数、任务优先级和任务句柄。
* 任务句柄用于管理任务，可以用来挂起、恢复或删除任务。

**μC/OS-II任务创建：**

* `OSTaskCreate()`函数用于创建任务，参数包括任务函数、任务参数、任务TCB、任务优先级、任务堆栈大小、任务堆栈、任务时钟节拍和任务超时时间。
* 任务TCB是任务控制块，存储任务相关信息，如任务状态、堆栈指针等。

# 5. 单片机C语言项目实战

### 5.1 智能家居控制系统

#### 5.1.1 系统设计和硬件选型

智能家居控制系统是一个基于单片机的物联网应用，它可以实现对家居设备的远程控制和自动化管理。系统设计主要包括以下几个方面：

- **硬件选型：**
- 单片机：选择性能较高的单片机，如STM32系列或ESP32系列，以满足系统对计算能力和存储空间的要求。
- 传感器：选择合适的传感器，如温度传感器、湿度传感器、光照传感器等，用于采集家居环境数据。
- 执行器：选择合适的执行器，如继电器、电机等，用于控制家居设备。
- 通信模块：选择合适的通信模块，如Wi-Fi模块、蓝牙模块等，用于实现系统与外部网络的连接。

#### 5.1.2 软件设计和实现

智能家居控制系统的软件设计主要包括以下几个模块：

- **数据采集模块：**负责采集传感器数据并将其存储在单片机中。
- **控制模块：**根据用户指令或环境数据变化，控制执行器对家居设备进行操作。
- **通信模块：**负责与外部网络进行通信，实现远程控制和数据传输。

**代码示例：**

// 数据采集模块
void data_collection() {
  // 采集温度传感器数据
  int temperature = read_temperature_sensor();
  // 采集湿度传感器数据
  int humidity = read_humidity_sensor();
  // 采集光照传感器数据
  int light = read_light_sensor();
  // 将数据存储在单片机中
  store_data(temperature, humidity, light);
}

// 控制模块
void control() {
  // 根据用户指令或环境数据变化，控制执行器
  if (temperature > 25) {
    turn_on_air_conditioner();
  } else if (humidity < 40) {
    turn_on_humidifier();
  } else if (light < 100) {
    turn_on_light();
  }
}

// 通信模块
void communication() {
  // 与外部网络建立连接
  connect_to_network();
  // 发送数据到云端
  send_data_to_cloud();
  // 接收用户指令
  receive_user_command();
}