揭秘单片机C语言编程入门秘诀：从小白到大师的进阶之路

# 1. 单片机C语言编程概述

单片机C语言是一种专为单片机设计的编程语言，它结合了C语言的强大功能和单片机的硬件特性，广泛应用于嵌入式系统开发中。

本节将介绍单片机C语言编程的背景、特点和应用领域。通过深入了解单片机C语言，读者将能够为嵌入式系统开发奠定坚实的基础。

# 2. 单片机C语言基础语法

### 2.1 数据类型与变量

#### 2.1.1 数据类型

单片机C语言中，数据类型用于定义变量的存储方式和取值范围。常见的单片机C语言数据类型包括：

| 数据类型 | 占用字节数 | 取值范围 |
|---|---|---|
| char | 1 | -128~127 |
| unsigned char | 1 | 0~255 |
| short | 2 | -32768~32767 |
| unsigned short | 2 | 0~65535 |
| int | 2 | -32768~32767 |
| unsigned int | 2 | 0~65535 |
| long | 4 | -2147483648~2147483647 |
| unsigned long | 4 | 0~4294967295 |
| float | 4 | 3.4e-38~3.4e+38 |
| double | 8 | 1.7e-308~1.7e+308 |

#### 2.1.2 变量

变量是用来存储数据的内存单元，在使用变量之前需要对其进行声明。变量声明的语法格式为：

数据类型 变量名;

例如：

int a;
unsigned char b;

### 2.2 运算符与表达式

#### 2.2.1 运算符

运算符用于对操作数进行运算，单片机C语言中常见的运算符包括：

| 运算符 | 含义 |
|---|---|
| + | 加法 |
| - | 减法 |
| * | 乘法 |
| / | 除法 |
| % | 取模 |
| ++ | 自增 |
| -- | 自减 |
| = | 赋值 |
| == | 等于 |
| != | 不等于 |
| > | 大于 |
| < | 小于 |
| >= | 大于等于 |
| <= | 小于等于 |
| && | 逻辑与 |
| || | 逻辑或 |
| ! | 逻辑非 |

#### 2.2.2 表达式

表达式是由运算符和操作数组合而成的，用于计算结果。表达式的计算遵循一定的运算优先级规则。单片机C语言中运算优先级规则如下：

| 运算符 | 优先级 |
|---|---|
| () | 最高 |
| ++, -- | 高 |
| *, /, % | 中 |
| +, - | 低 |
| = | 最低 |

例如：

int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b * 2; // 计算结果为 50

### 2.3 流程控制

#### 2.3.1 条件语句

条件语句用于根据条件判断执行不同的代码块。单片机C语言中常见的条件语句包括：

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

switch (变量) {
  case 值1:
    // 变量等于值1时执行的代码块
    break;
  case 值2:
    // 变量等于值2时执行的代码块
    break;
  default:
    // 变量不等于任何值时执行的代码块
    break;
}

#### 2.3.2 循环语句

循环语句用于重复执行一段代码块。单片机C语言中常见的循环语句包括：

while (条件) {
  // 条件为真时重复执行的代码块
}

do {
  // 至少执行一次的代码块
} while (条件);

for (初始化; 条件; 递增/递减) {
  // 满足条件时重复执行的代码块
}

# 3.1 函数与数组

#### 3.1.1 函数

**定义和语法**

函数是 C 语言中组织代码的一种结构化方式，它允许将代码块封装成一个可重用的单元。函数的定义语法如下：

return_type function_name(parameter_list) {
  // 函数体
}

其中：

* `return_type`：指定函数返回的值的类型。
* `function_name`：函数的名称。
* `parameter_list`：函数的参数列表，可以为空。
* `函数体`：包含函数要执行的代码。

**函数调用**

函数通过其名称调用，并传递实际参数。函数调用语法如下：

function_name(actual_parameter_list);

其中：

* `function_name`：要调用的函数的名称。
* `actual_parameter_list`：要传递给函数的实际参数列表。

**函数参数传递**

函数参数可以通过值传递或引用传递。

* **值传递**：实际参数的副本传递给函数，函数对参数的修改不会影响实际参数。
* **引用传递**：实际参数的地址传递给函数，函数对参数的修改会影响实际参数。

**函数返回值**

函数可以通过 `return` 语句返回一个值。`return` 语句的语法如下：

return expression;

其中：

* `expression`：要返回的值。

#### 3.1.2 数组

**定义和语法**

数组是一种数据结构，它存储相同数据类型的多个元素。数组的定义语法如下：

data_type array_name[array_size];

其中：

* `data_type`：数组中元素的数据类型。
* `array_name`：数组的名称。
* `array_size`：数组中元素的数量。

**数组元素访问**

数组元素可以通过其索引访问。数组索引从 0 开始。数组元素访问语法如下：

array_name[index];

其中：

* `array_name`：数组的名称。
* `index`：要访问的元素的索引。

**多维数组**

多维数组是包含数组的数组。多维数组的定义语法如下：

data_type array_name[dimension1_size][dimension2_size]...[dimensionn_size];

其中：

* `data_type`：数组中元素的数据类型。
* `array_name`：数组的名称。
* `dimensioni_size`：数组的第 i 维的大小。

**数组应用**

数组广泛应用于各种场景，例如：

* 存储数据集合
* 创建数据结构（如链表、栈）
* 实现算法（如排序、搜索）

# 4. 单片机C语言实战应用

### 4.1 外设编程

#### 4.1.1 GPIO编程

GPIO（通用输入/输出）端口是单片机上用于控制外部设备的通用接口。GPIO编程涉及配置和操作GPIO引脚以实现输入或输出功能。

**配置GPIO引脚**

// 设置GPIO引脚为输出模式
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_13;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);

**参数说明：**

* `GPIO_InitStruct`：GPIO初始化结构体
* `Pin`：要配置的GPIO引脚，此处为PC13
* `Mode`：GPIO模式，此处为推挽输出模式

**操作GPIO引脚**

// 设置GPIO引脚输出高电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);

// 设置GPIO引脚输出低电平
HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);

**逻辑分析：**

* `HAL_GPIO_WritePin()`函数用于设置GPIO引脚的输出电平。
* `GPIO_PIN_SET`和`GPIO_PIN_RESET`分别表示输出高电平和低电平。

#### 4.1.2 定时器编程

定时器是单片机上用于产生精确时间间隔的模块。定时器编程涉及配置和操作定时器以产生中断或输出特定波形。

**配置定时器**

// 配置定时器3为向上计数模式
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
TIM_TimeBaseInitStruct.Period = 10000 - 1; // 计数周期为10000
TIM_TimeBaseInitStruct.Prescaler = 8400 - 1; // 分频系数为8400
HAL_TIM_TimeBaseInit(&htim3, &TIM_TimeBaseInitStruct);

**参数说明：**

* `TIM_TimeBaseInitStruct`：定时器初始化结构体
* `Period`：计数周期
* `Prescaler`：分频系数

**操作定时器**

// 启动定时器3
HAL_TIM_Base_Start(&htim3);

// 停止定时器3
HAL_TIM_Base_Stop(&htim3);

**逻辑分析：**

* `HAL_TIM_TimeBaseInit()`函数用于配置定时器的计数周期和分频系数。
* `HAL_TIM_Base_Start()`和`HAL_TIM_Base_Stop()`函数分别用于启动和停止定时器。

#### 4.1.3 串口编程

串口是单片机上用于与外部设备进行串行通信的模块。串口编程涉及配置和操作串口以发送和接收数据。

**配置串口**

// 配置串口1为8位数据位、无校验位、1个停止位
UART_HandleTypeDef huart1;
huart1.Instance = USART1;
huart1.Init.BaudRate = 115200;
huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
HAL_UART_Init(&huart1);

**参数说明：**

* `huart1`：串口初始化结构体
* `Instance`：串口实例，此处为USART1
* `BaudRate`：波特率
* `WordLength`：数据位长度
* `StopBits`：停止位个数
* `Parity`：校验位类型

**操作串口**

// 发送数据
uint8_t data[] = "Hello World";
HAL_UART_Transmit(&huart1, data, sizeof(data), 1000);

// 接收数据
uint8_t rx_data[100];
HAL_UART_Receive(&huart1, rx_data, 100, 1000);

**逻辑分析：**

* `HAL_UART_Init()`函数用于配置串口的波特率、数据位长度、停止位个数和校验位类型。
* `HAL_UART_Transmit()`和`HAL_UART_Receive()`函数分别用于发送和接收数据。

# 5.1 智能小车项目

### 5.1.1 硬件设计

智能小车项目需要以下硬件组件：

- 单片机（如STM32F103）
- 电机驱动器
- 电机
- 轮子
- 电池
- 传感器（如超声波传感器、红外传感器）

硬件设计主要包括以下步骤：

- **选择单片机：**根据项目需求选择合适的单片机，考虑其性能、外设接口和成本。
- **设计电机驱动电路：**设计电机驱动电路，控制电机的方向和速度。
- **连接传感器：**连接超声波传感器、红外传感器等传感器，用于感知环境信息。
- **组装底盘：**组装底盘，安装电机、轮子、电池和传感器。

### 5.1.2 软件开发

智能小车软件开发主要包括以下模块：

- **初始化模块：**初始化单片机、电机驱动器和传感器。
- **控制模块：**控制小车的运动，包括前进、后退、左转、右转。
- **传感器模块：**读取传感器数据，感知环境信息。
- **决策模块：**根据传感器数据和预设的算法，做出决策，控制小车的行为。

软件开发流程如下：

- **编写初始化代码：**初始化单片机、电机驱动器和传感器。
- **编写控制代码：**编写控制小车运动的代码。
- **编写传感器代码：**编写读取传感器数据的代码。
- **编写决策代码：**编写根据传感器数据做出决策的代码。
- **调试和测试：**调试和测试软件，确保其正确运行。