单片机C语言数组与结构体：12个掌握数据存储与组织的实战案例

# 1. 单片机C语言数据存储基础**

在单片机C语言中，数据存储是程序设计的基础。单片机具有有限的存储空间，因此高效管理数据至关重要。本章将介绍单片机C语言中数据存储的基础知识，包括变量类型、存储区域和数据组织。

* 变量类型：单片机C语言支持多种数据类型，包括整型、浮点型、字符型和指针型。选择合适的类型可以优化存储空间和程序效率。
* 存储区域：单片机C语言将数据存储在不同的存储区域中，包括寄存器、RAM和ROM。寄存器用于存储临时数据，RAM用于存储可读写的变量，而ROM用于存储固件代码。

# 2. 数组在单片机C语言中的应用

### 2.1 数组的定义和初始化

#### 2.1.1 一维数组

一维数组是一种线性数据结构，其中元素按顺序存储在内存中。在单片机C语言中，可以使用以下语法定义一维数组：

数据类型 数组名[数组大小];

例如，定义一个包含 10 个整数元素的一维数组：

int array[10];

数组元素可以通过下标访问，下标从 0 开始。例如，访问数组 array 的第一个元素：

array[0]

数组可以初始化为特定值，使用大括号 {} 指定初始值：

int array[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

#### 2.1.2 多维数组

多维数组是具有多个维度的数组。例如，二维数组可以表示一个表格，其中元素按行和列组织。在单片机C语言中，可以使用以下语法定义二维数组：

数据类型 数组名[维度1大小][维度2大小] ...;

例如，定义一个包含 3 行 4 列的二维数组：

int array[3][4];

多维数组元素可以通过嵌套下标访问。例如，访问二维数组 array 的第一行第二列元素：

array[0][1]

多维数组也可以初始化为特定值，使用嵌套大括号 {} 指定初始值：

int array[3][4] = {
    {1, 2, 3, 4},
    {5, 6, 7, 8},
    {9, 10, 11, 12}
};

### 2.2 数组的访问和操作

#### 2.2.1 数组元素的访问

数组元素可以通过下标访问，下标从 0 开始。例如，访问数组 array 的第一个元素：

array[0]

数组元素也可以通过指针访问。数组名是一个指向数组第一个元素的指针。例如，访问数组 array 的第一个元素：

*array

#### 2.2.2 数组的遍历

遍历数组是指逐个访问数组中的所有元素。可以使用 for 循环遍历数组：

for (int i = 0; i < 数组大小; i++) {
    // 访问数组元素 array[i]
}

### 2.3 数组的实战案例

#### 2.3.1 LED灯闪烁控制

数组可以用于控制 LED 灯的闪烁。例如，以下代码使用数组来控制 8 个 LED 灯的闪烁：

// 定义 LED 灯的 GPIO 端口
const uint8_t led_ports[] = {GPIOA, GPIOB, GPIOC, GPIOD, GPIOE, GPIOF, GPIOG, GPIOH};

// 定义 LED 灯的 GPIO 引脚
const uint8_t led_pins[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7};

// 定义 LED 灯的闪烁时间
const uint16_t led_times[] = {500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000};

// 初始化 LED 灯
void led_init() {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 设置 LED 灯的 GPIO 端口和引脚为输出模式
        GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
        GPIO_InitStruct.Pin = led_pins[i];
        GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
        GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
        GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
        HAL_GPIO_Init(led_ports[i], &GPIO_InitStruct);
    }
}

// 控制 LED 灯闪烁
void led_blink() {
    while (1) {
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            // 打开 LED 灯
            HAL_GPIO_WritePin(led_ports[i], led_pins[i], GPIO_PIN_SET);
            // 延时
            HAL_Delay(led_times[i]);
            // 关闭 LED 灯
            HAL_GPIO_WritePin(led_ports[i], led_pins[i], GPIO_PIN_RESET);
        }
    }
}

#### 2.3.2 温度传感器数据采集

数组可以用于采集温度传感器的数据。例如，以下代码使用数组来采集 8 个温度传感器的温度数据：

// 定义温度传感器的 I2C 地址
const uint8_t sensor_addresses[] = {0x40, 0x41, 0x42, 0x43, 0x44, 0x45, 0x46, 0x47};

// 定义温度传感器的寄存器地址
const uint8_t sensor_registers[] = {0x00, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06, 0x07};

// 定义温度传感器的温度数据缓冲区
float temperatures[8];

// 初始化温度传感器
void sensor_init() {
    // 初始化 I2C 总线
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;
    I2C_InitStruct.ClockSpeed = 100000;
    I2C_InitStruct.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;
    I2C_InitStruct.OwnAddress1 = 0x00;
    I2C_InitStruct.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;
    HAL_I2C_Init(&hi2c1, &I2C_InitStruct);
}

// 采集温度传感器的数据
void sensor_read() {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 读取温度传感器的数据
        uint8_t data[2];
        HAL_I2C_Mem_Read(&hi2c1, sensor_addresses[i], sensor_registers[i], I2C_MEMADD_SIZE_8BIT, data, 2, 100);
        // 计算温度值
        temperatures[i] = (float)((int16_t)(data[0] << 8 | data[1])) / 100.0f;
    }
}

# 3. 结构体在单片机C语言中的应用

### 3.1 结构体的定义和初始化

#### 3.1.1 结构体的定义

结构体是一种数据类型，它允许我们将不同类型的数据组合在一起，形成一个整体。在单片机C语言中，结构体的定义语法如下：

struct 结构体名称 {
    数据类型 成员1;
    数据类型 成员2;
    ...
};

例如，定义一个名为 `student` 的结构体，其中包含三个成员：`name`（字符串）、`age`（整数）和 `score`（浮点数）：

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

#### 3.1.2 结构体的初始化

结构体变量可以在定义时初始化，也可以在定义后通过赋值语句初始化。结构体的初始化语法如下：

struct 结构体名称 变量名 = {
    成员1 初始值,
    成员2 初始值,
    ...
};

例如，初始化一个名为 `student1` 的 `student` 结构体变量：

struct student student1 = {
    "John Doe",
    20,
    85.5
};

### 3.2 结构体的访问和操作

#### 3.2.1 结构体成员的访问

结构体成员可以通过点运算符（`.`）访问。例如，访问 `student1` 结构体的 `name` 成员：

char *name = student1.name;

#### 3.2.2 结构体的赋值和比较

结构体可以整体赋值或比较。结构体的赋值语法如下：

结构体变量1 = 结构体变量2;

结构体的比较语法如下：

if (结构体变量1 == 结构体变量2) {
    // ...
}

结构体的比较会比较结构体中所有成员的值是否相等。

### 3.3 结构体的实战案例

#### 3.3.1 学生信息管理

结构体在学生信息管理系统中可以用来存储每个学生的信息，例如姓名、年龄、成绩等。通过使用结构体，我们可以轻松地管理和访问学生信息。

#### 3.3.2 遥控器按键处理

结构体在遥控器按键处理中可以用来存储按键信息，例如按键代码、按键状态等。通过使用结构体，我们可以方便地处理遥控器按键事件。

# 4.1 数组中包含结构体

### 4.1.1 定义数组中包含结构体的变量

在数组中包含结构体时，需要先定义一个结构体类型，然后使用该结构体类型来定义数组。语法如下：

struct 结构体名 {
    // 结构体成员定义
};

struct 结构体名 数组名[数组大小];

例如，定义一个包含两个成员（姓名和年龄）的结构体，并定义一个包含 5 个该结构体的数组：

struct student {
    char name[20];
    int age;
};

struct student students[5];

### 4.1.2 访问和操作数组中包含结构体的元素

访问和操作数组中包含结构体的元素时，需要使用数组下标和结构体成员访问运算符（`.`）。语法如下：

数组名[数组下标].结构体成员名

例如，访问数组 `students` 中第一个元素的姓名成员：

students[0].name

修改数组 `students` 中第三个元素的年龄成员：

students[2].age = 20;

**代码块：**

#include <stdio.h>

struct student {
    char name[20];
    int age;
};

int main() {
    struct student students[5];

    // 初始化数组中的元素
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        sprintf(students[i].name, "Student %d", i + 1);
        students[i].age = 18 + i;
    }

    // 访问和操作数组中的元素
    printf("第一个学生的姓名：%s\n", students[0].name);
    printf("第三个学生的年龄：%d\n", students[2].age);

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 定义一个包含姓名和年龄成员的结构体 `student`。
2. 定义一个包含 5 个 `student` 结构体的数组 `students`。
3. 使用循环初始化数组中的元素，为每个元素设置姓名和年龄。
4. 使用数组下标和结构体成员访问运算符访问和操作数组中的元素，打印第一个学生的姓名和第三个学生的年龄。

## 4.2 结构体中包含数组

### 4.2.1 定义结构体中包含数组的变量

在结构体中包含数组时，需要先定义一个数组类型，然后使用该数组类型来定义结构体。语法如下：

typedef 数组类型 数组名[数组大小];

struct 结构体名 {
    // 其他结构体成员定义
    数组名 数组成员名;
};

例如，定义一个包含 10 个整型数组的结构体：

typedef int int_array[10];

struct data {
    int_array array;
};

### 4.2.2 访问和操作结构体中包含数组的成员

访问和操作结构体中包含数组的成员时，需要使用结构体成员访问运算符（`.`）和数组下标。语法如下：

结构体名.数组成员名[数组下标]

例如，访问结构体 `data` 中数组成员 `array` 的第一个元素：

data.array[0]

修改结构体 `data` 中数组成员 `array` 的第五个元素：

data.array[4] = 10;

**代码块：**

#include <stdio.h>

typedef int int_array[10];

struct data {
    int_array array;
};

int main() {
    struct data data;

    // 初始化结构体中的数组
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        data.array[i] = i * i;
    }

    // 访问和操作结构体中的数组
    printf("数组的第一个元素：%d\n", data.array[0]);
    printf("数组的第五个元素：%d\n", data.array[4]);

    return 0;
}

**代码逻辑分析：**

1. 定义一个包含 10 个整型数组的结构体 `data`。
2. 使用循环初始化结构体中的数组，为每个元素设置值。
3. 使用结构体成员访问运算符和数组下标访问和操作结构体中的数组，打印数组的第一个元素和第五个元素。

# 5. 单片机C语言数据存储与组织的综合应用

### 5.1 数据存储与组织的原则

**5.1.1 数据类型选择**

* 根据数据范围和精度选择合适的类型（如 int、float、double）
* 考虑存储空间和计算效率的平衡
* 避免使用不必要的大类型，如 long long

**5.1.2 数据结构设计**

* 采用合适的结构（如数组、结构体、链表）组织数据
* 考虑数据访问和操作的效率
* 优化数据结构以减少内存占用和提高处理速度

### 5.2 数据存储与组织的实战案例

**5.2.1 实时时钟系统**

* **数据存储：**
* 使用结构体存储时间信息（时、分、秒）
* 采用数组存储多个时间点
* **数据组织：**
* 数组元素按时间顺序排列
* 结构体成员便于时间信息的访问和操作

**5.2.2 数据记录仪**

* **数据存储：**
* 使用数组存储传感器数据（温度、湿度等）
* 采用结构体存储记录时间和传感器数据
* **数据组织：**
* 数组元素按时间顺序排列
* 结构体成员便于数据记录的访问和分析