【单片机程序设计100例】：从入门到精通，掌握单片机编程实战技巧

# 1. 单片机程序设计入门

单片机是一种微型的计算机，它将处理器、存储器和输入/输出接口集成在一个芯片上。单片机广泛应用于各种电子设备中，如家电、汽车和工业控制系统。

学习单片机编程是掌握嵌入式系统开发的基础。本入门章节将介绍单片机的基本概念、硬件架构和编程语言，为读者提供单片机程序设计的坚实基础。

通过本章节的学习，读者将了解单片机的组成、工作原理和编程方法，为后续的单片机编程实战和应用奠定基础。

# 2. 单片机编程基础

### 2.1 单片机硬件架构和原理

**单片机硬件架构**

单片机是一种集成了CPU、存储器、输入/输出接口和各种外围设备于一体的微型计算机。其硬件架构通常包括以下模块：

- **CPU（中央处理单元）**：负责执行程序指令，控制整个单片机的运行。
- **存储器**：分为程序存储器（ROM/Flash）和数据存储器（RAM）。ROM/Flash存储程序代码，RAM存储数据和变量。
- **输入/输出接口**：允许单片机与外部设备进行数据交换。常见接口包括并行端口、串行端口和模拟/数字转换器。
- **外围设备**：包括定时器、中断控制器、看门狗定时器和各种通信接口，扩展单片机的功能。

**单片机工作原理**

单片机的工作原理遵循冯·诺依曼结构：

1. **取指**：CPU从程序存储器中读取指令。
2. **译码**：CPU解码指令，确定要执行的操作。
3. **执行**：CPU执行指令，对数据进行操作。
4. **写回**：将结果写入数据存储器或外部设备。

### 2.2 单片机编程语言

**汇编语言**

汇编语言是一种低级编程语言，直接操作单片机的硬件指令。它具有以下特点：

- **接近硬件**：汇编语言指令与单片机指令集一一对应，可以充分利用单片机的硬件资源。
- **执行效率高**：汇编语言程序执行效率高，因为不需要经过编译器或解释器。
- **开发难度大**：汇编语言语法复杂，需要对单片机指令集有深入了解。

**C语言**

C语言是一种高级编程语言，具有以下优点：

- **可移植性强**：C语言代码可以在不同的单片机平台上移植，无需修改。
- **易于学习**：C语言语法相对简单，易于学习和使用。
- **丰富的库函数**：C语言提供了丰富的库函数，简化了开发过程。

**汇编语言与C语言的比较**

| 特征 | 汇编语言 | C语言 |
|---|---|---|
| 执行效率 | 高 | 中 |
| 开发难度 | 大 | 小 |
| 可移植性 | 差 | 好 |
| 扩展性 | 弱 | 强 |

**选择单片机编程语言**

选择单片机编程语言取决于具体应用需求：

- **需要高执行效率和硬件控制**：选择汇编语言。
- **需要快速开发和可移植性**：选择C语言。
- **需要平衡性能和开发效率**：可以考虑使用混合编程，即在关键部分使用汇编语言，在其他部分使用C语言。

# 3.1 输入输出端口编程

#### 3.1.1 I/O端口的配置和操作

**I/O端口概述**

单片机的I/O端口是连接单片机与外部设备的通道，可以实现数据的输入和输出。单片机通常有多个I/O端口，每个端口包含多个引脚，每个引脚可以配置为输入或输出。

**I/O端口配置**

I/O端口的配置通常通过寄存器进行。寄存器是一个存储器单元，用于存储I/O端口的配置信息，如引脚方向、上拉/下拉电阻等。通过对寄存器的读写操作，可以配置I/O端口的各种参数。

**I/O端口操作**

配置好I/O端口后，就可以进行数据读写操作。对于输入端口，可以通过读取寄存器获取外部设备输入的数据；对于输出端口，可以通过向寄存器写入数据控制外部设备。

#### 3.1.2 中断和定时器编程

**中断**

中断是一种硬件机制，当发生特定事件时，会暂停当前正在执行的程序，转而执行中断服务程序。中断可以提高程序的响应速度，及时处理外部事件。

**定时器**

定时器是一种硬件模块，可以产生周期性的时钟信号。通过对定时器的配置，可以实现延时、定时、频率测量等功能。

**中断和定时器编程示例**

// 中断服务程序
void ISR_Timer0() interrupt 1 {
    // 定时器0中断处理代码
}

// 主程序
void main() {
    // 配置定时器0
    T0CON = 0x01; // 定时器0开启
    T0CON |= 0x10; // 定时器0中断使能

    // 进入死循环
    while(1);
}

**代码逻辑分析**

* 主程序中配置定时器0，开启定时器和中断。
* 当定时器0产生中断时，会执行中断服务程序ISR_Timer0()。
* 中断服务程序中可以处理定时器0中断事件，如更新变量、控制设备等。

**参数说明**

* `T0CON`：定时器0控制寄存器
* `0x01`：开启定时器0
* `0x10`：使能定时器0中断

# 4. 单片机应用实例

### 4.1 LED控制与显示

#### 4.1.1 单个LED控制

**硬件连接：**

* 将LED正极连接到单片机输出端口
* 将LED负极连接到地线

**软件实现：**

// 设置LED输出端口为高电平，点亮LED
PORTB |= (1 << PB0);

// 设置LED输出端口为低电平，熄灭LED
PORTB &= ~(1 << PB0);

**逻辑分析：**

* `PORTB |= (1 << PB0)`：使用按位或运算符将输出端口PB0位置1，点亮LED。
* `PORTB &= ~(1 << PB0)`：使用按位与运算符将输出端口PB0位置0，熄灭LED。

#### 4.1.2 多个LED显示

**硬件连接：**

* 将多个LED正极分别连接到不同的单片机输出端口
* 将所有LED负极连接到地线

**软件实现：**

// 点亮所有LED
for (int i = 0; i < 8; i++) {
    PORTB |= (1 << i);
}

// 熄灭所有LED
for (int i = 0; i < 8; i++) {
    PORTB &= ~(1 << i);
}

// 点亮指定LED
PORTB |= (1 << 3);

**逻辑分析：**

* 使用循环逐个点亮所有LED。
* 使用循环逐个熄灭所有LED。
* 通过设置特定输出端口为高电平来点亮指定LED。

### 4.2 按键与开关

#### 4.2.1 按键输入检测

**硬件连接：**

* 将按键一端连接到单片机输入端口
* 将按键另一端连接到地线或电源（取决于按键类型）

**软件实现：**

// 检测按键是否按下
if (PINB & (1 << PB0)) {
    // 按键按下
} else {
    // 按键未按下
}

**逻辑分析：**

* 使用按位与运算符检查输入端口PB0是否为高电平，如果为高电平则表示按键按下。

#### 4.2.2 开关状态控制

**硬件连接：**

* 将开关一端连接到单片机输入端口
* 将开关另一端连接到电源或地线（取决于开关类型）

**软件实现：**

// 检测开关状态
switch (PIND & 0x0F) {
    case 0x01:
        // 开关1打开
        break;
    case 0x02:
        // 开关2打开
        break;
    case 0x04:
        // 开关3打开
        break;
    default:
        // 所有开关关闭
        break;
}

**逻辑分析：**

* 使用按位与运算符检查输入端口PIND的低四位，根据不同的值判断哪个开关打开。

# 5.1 通信接口编程

在单片机应用中，通信接口是实现单片机与外界设备或其他单片机之间进行数据交换的重要手段。常见的通信接口包括串口通信和I2C通信。

### 5.1.1 串口通信

串口通信是一种异步通信方式，数据以串行方式一位一位地发送和接收。串口通信需要两个串口设备，一个作为发送方，另一个作为接收方。

**硬件连接**

串口通信需要使用UART（通用异步收发传输器）芯片或单片机内部集成的UART模块。UART芯片负责串口数据的收发，并提供与单片机之间的接口。

**数据格式**

串口通信的数据格式通常为8位数据位、1位起始位和1位停止位。数据位用于传输数据，起始位用于标记数据开始，停止位用于标记数据结束。

**通信流程**

串口通信的流程如下：

1. 发送方将数据写入UART的发送寄存器。
2. UART将数据转换为串行数据并发送到串口线上。
3. 接收方UART接收串行数据并将其转换为并行数据。
4. 接收方将数据读出UART的接收寄存器。

**代码示例**

以下代码示例演示了单片机使用串口发送和接收数据的过程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 初始化串口
    UART_Init();

    // 发送数据
    char data[] = "Hello world!";
    UART_Send(data, strlen(data));

    // 接收数据
    char buffer[100];
    UART_Receive(buffer, 100);

    // 打印接收到的数据
    printf("Received data: %s\n", buffer);

    return 0;
}

### 5.1.2 I2C通信

I2C（Inter-Integrated Circuit）通信是一种同步通信方式，数据以串行方式双向传输。I2C通信需要两个或多个I2C设备，一个作为主设备，其他作为从设备。

**硬件连接**

I2C通信需要使用I2C总线，总线由两条线组成：数据线（SDA）和时钟线（SCL）。主设备负责产生时钟信号，从设备根据时钟信号进行数据收发。

**数据格式**

I2C通信的数据格式通常为8位数据位，数据传输时带有起始位和停止位。起始位用于标记数据开始，停止位用于标记数据结束。

**通信流程**

I2C通信的流程如下：

1. 主设备发送起始位。
2. 主设备发送从设备地址。
3. 从设备响应。
4. 主设备发送数据或接收数据。
5. 主设备发送停止位。

**代码示例**

以下代码示例演示了单片机使用I2C发送和接收数据的过程：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main()
{
    // 初始化I2C总线
    I2C_Init();

    // 发送数据
    char data[] = "Hello world!";
    I2C_Send(data, strlen(data));

    // 接收数据
    char buffer[100];
    I2C_Receive(buffer, 100);

    // 打印接收到的数据
    printf("Received data: %s\n", buffer);

    return 0;
}

# 6.1 温度测量与显示

### 硬件准备

- 单片机（如STM32F103）
- 温度传感器（如LM35）
- 液晶显示器（如1602）
- 电阻器、电容、连接线等

### 软件开发

#### 温度传感器接口配置

// 初始化温度传感器
void temp_sensor_init(void) {
    // ...
}

// 读取温度值
float temp_sensor_read(void) {
    // ...
}

#### 液晶显示器接口配置

// 初始化液晶显示器
void lcd_init(void) {
    // ...
}

// 显示温度值
void lcd_display_temp(float temp) {
    // ...
}

#### 主程序流程

int main(void) {
    // 初始化硬件
    temp_sensor_init();
    lcd_init();

    while (1) {
        // 读取温度值
        float temp = temp_sensor_read();

        // 显示温度值
        lcd_display_temp(temp);
    }
}

### 优化建议

- 使用中断方式读取温度值，提高响应速度。
- 优化液晶显示器驱动程序，减少功耗。
- 添加数据平滑算法，消除温度波动。

### 扩展应用

- 远程温度监控：通过串口或无线通信将温度值发送到其他设备。
- 温度控制：根据温度值控制风扇或加热器。
- 数据记录：将温度值存储到EEPROM或SD卡中。