单片机学习笔记

整理日期：2026-05-28 作者：个人学习笔记

一、单片机概述

1.1 什么是单片机

单片机（Microcontroller Unit，MCU）是一种将中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口集成在同一芯片上的微型计算机系统。

主要特点：

体积小、功耗低、成本低
集成度高、可靠性强
适用于嵌入式系统
广泛应用于工业控制、智能家电、汽车电子等领域

1.2 主流单片机系列

系列	内核	位数	特点	适用场景
51系列	8051	8位	经典入门、结构简单	教学、小型控制
STM32	ARM Cortex-M	32位	性能强、资源丰富	工业、消费电子
AVR	AVR	8位	高效、RISC架构	智能控制、Arduino
PIC	PIC	8/16/32位	可靠性高	汽车、工业
MSP430	MSP430	16位	超低功耗	电池供电设备

1.3 学习路线图

┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    单片机学习路线                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                         │
│   入门阶段          进阶阶段           高级阶段            │
│   ─────────        ─────────          ─────────          │
│   数字电路基础  →  C语言进阶      →  RTOS系统           │
│   51单片机      →  STM32         →  嵌入式Linux         │
│   基础外设      →  通信协议       →  项目实战           │
│   基础实验      →  中断/DMA       →  优化与调试         │
│                                                         │
└─────────────────────────────────────────────────────────┘

二、51单片机基础

2.1 51单片机简介

51单片机是指基于Intel 8051内核的一系列单片机，是最经典的8位单片机之一。

主要型号：

AT89C51/AT89C52（Atmel）
STC89C52RC（宏晶科技）
STC15系列（增强型）

2.2 硬件结构

2.2.1 引脚分布

40引脚DIP封装：

VCC（40脚）：电源正极（+5V）
GND（20脚）：电源地
P0口（32-39脚）：8位双向I/O口（需上拉电阻）
P1口（1-8脚）：8位双向I/O口（内置上拉）
P2口（21-28脚）：8位双向I/O口（内置上拉）
P3口（10-17脚）：8位双向I/O口（复用功能）

2.2.2 内部结构

┌─────────────────────────────────────────┐
│               8051 内部结构              │
├─────────────────────────────────────────┤
│                                         │
│   ┌─────────┐    ┌─────────┐           │
│   │  振荡器  │───→│ 时钟电路 │           │
│   └─────────┘    └─────────┘           │
│                         ↓               │
│   ┌─────────────────────────────────┐   │
│   │           CPU核心               │   │
│   │  ┌────┐  ┌────┐  ┌────┐        │   │
│   │  │ ALU│  │寄存器│  │PC  │        │   │
│   │  └────┘  └────┘  └────┘        │   │
│   └─────────────────────────────────┘   │
│        ↓          ↓           ↓          │
│   ┌────────┐ ┌────────┐ ┌────────┐      │
│   │  4KB   │ │ 128B   │ │  21个  │      │
│   │ Flash  │ │  RAM   │ │ 特殊功能寄存器│  │
│   └────────┘ └────────┘ └────────┘      │
│                                         │
└─────────────────────────────────────────┘

2.2.3 存储器结构

程序存储器（ROM）：

4KB/8KB 片内Flash
地址：0000H～0FFFH/1FFFH

数据存储器（RAM）：

128B 片内RAM（00H～7FH）
128B 特殊功能寄存器（80H～FFH）

2.3 C51编程基础

2.3.1 数据类型

数据类型	位宽	取值范围
`bit`	1位	0~1
`sbit`	1位	0~1（特殊功能寄存器位）
`char`	8位	-128~127
`unsigned char`	8位	0~255
`int`	16位	-32768~32767
`unsigned int`	16位	0~65535
`long`	32位	-2147483648~2147483647
`float`	32位	±3.4e±38

2.3.2 特殊功能寄存器（SFR）

#include <reg52.h>
 
// 常用SFR定义
sbit P10 = P1^0;      // P1.0引脚
sbit LED = P1^0;      // LED灯
sbit BUTTON = P3^2;   // 按键
 
void main()
{
    P1 = 0xFF;        // 初始化P1口
    while(1)
    {
        // 主循环
    }
}

2.3.3 头文件说明

头文件	适用型号
`<reg51.h>`	标准51单片机
`<reg52.h>`	AT89C52/STC89C52
`<STC89C5xRC.h>`	STC89C52RC

2.4 I/O口操作

2.4.1 点亮第一个LED

硬件连接：

┌─────────────┐         ┌─────────┐
│   P1.0      │────────→│   LED   │────━┐
└─────────────┘         └─────────┘           │
                                              │
                                    ┌────────┴────────┐
                                    │     VCC (5V)    │
                                    └─────────────────┘
注：LED需要串联限流电阻（330Ω）

代码实现：

#include <reg52.h>
 
#define LED P1^0
 
void delay(unsigned int ms)
{
    unsigned int i, j;
    for(i = ms; i > 0; i--)
        for(j = 110; j > 0; j--);  // 12MHz晶振，约1ms
}
 
void main()
{
    LED = 0;    // 输出低电平，点亮LED
    while(1);
}

Proteus仿真图：

2.4.2 流水灯效果

#include <reg52.h>
 
#define LED_PORT P1
 
void delay(unsigned int ms)
{
    unsigned int i, j;
    for(i = ms; i > 0; i--)
        for(j = 110; j > 0; j--);
}
 
void main()
{
    unsigned char i;
    LED_PORT = 0xFE;  // 1111 1110
    
    while(1)
    {
        for(i = 0; i < 8; i++)
        {
            LED_PORT = ~(0x01 << i);  // 循环左移
            delay(200);
        }
    }
}

2.5 中断系统

2.5.1 51中断结构

┌─────────────────────────────────────────┐
│            51单片机中断结构              │
├─────────────────────────────────────────┤
│                                         │
│  中断源            中断号   优先级       │
│  ─────────────────────────────────      │
│  INT0 (外部中断0)   0       高           │
│  T0 (定时器0)       1                    │
│  INT1 (外部中断1)   2                    │
│  T1 (定时器1)       3                    │
│  UART (串口)        4       低           │
│                                         │
└─────────────────────────────────────────┘

2.5.2 外部中断示例

#include <reg52.h>
 
sbit LED = P1^0;
sbit KEY = P3^2;  // INT0
 
void exint0() interrupt 0  // 外部中断0服务函数
{
    LED = ~LED;  // LED状态翻转
}
 
void main()
{
    IT0 = 1;      // 设置下降沿触发
    EX0 = 1;      // 开启外部中断0
    EA = 1;       // 开启总中断
    
    while(1);
}

2.6 定时器/计数器

2.6.1 定时器配置

#include <reg52.h>
 
unsigned char count = 0;
 
void timer0() interrupt 1  // 定时器0中断
{
    TH0 = 0x4C;    // 重新装载初值（50ms@12MHz）
    TL0 = 0x00;
    count++;
    if(count >= 20)  // 1秒
    {
        count = 0;
        P1 = ~P1;   // LED闪烁
    }
}
 
void main()
{
    TMOD = 0x01;       // 定时器0，模式1（16位定时器）
    TH0 = 0x4C;        // 初值50ms
    TL0 = 0x00;
    ET0 = 1;           // 开启定时器0中断
    TR0 = 1;           // 启动定时器0
    EA = 1;
    
    while(1);
}

2.6.2 定时器初值计算

定时器初值计算公式：
THx = (65536 - 定时时长) / 256
TLx = (65536 - 定时时长) % 256

示例：12MHz晶振，定时1ms
65536 - 1000 = 64536 = 0xFC18
TH0 = 0xFC
TL0 = 0x18

2.7 串口通信

2.7.1 串口初始化

#include <reg52.h>
 
void uart_init()
{
    TMOD = 0x20;    // 定时器1，模式2（8位自动重装）
    TH1 = 0xFD;     // 波特率9600
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;        // 启动定时器1
    
    SCON = 0x50;    // 串口模式1，8位UART，允许接收
    ES = 1;         // 开启串口中断
    EA = 1;         // 开启总中断
}
 
void uart_send_byte(unsigned char dat)
{
    SBUF = dat;
    while(!TI);     // 等待发送完成
    TI = 0;
}
 
void uart_send_string(unsigned char *s)
{
    while(*s)
    {
        uart_send_byte(*s++);
    }
}
 
void main()
{
    uart_init();
    uart_send_string("Hello, 51!\r\n");
    while(1);
}

三、STM32单片机基础

3.1 STM32简介

STM32是ST公司推出的32位ARM Cortex-M系列单片机，具有高性能、低功耗、丰富外设等特点。

产品线分类：

系列	内核	特点	主频
STM32F0	Cortex-M0	入门级、成本低	48MHz
STM32F1	Cortex-M3	标准型、性价比高	72MHz
STM32F4	Cortex-M4	高性能、DSP	168MHz
STM32F7	Cortex-M7	超高性能	216MHz
STM32H7	Cortex-M7	最高性能	480MHz
STM32L0/L4	Cortex-M0+/M4	超低功耗	32/80MHz

3.2 开发板选择

推荐型号：

正点原子mini/stm32f103rct6 - 入门首选
野火指南者/挑战者 - 资料丰富
STM32F103C8T6最小系统板 - 性价比高

3.3 开发环境搭建

3.3.1 Keil MDK安装

下载Keil MDK：https://www.keil.com/download/
安装完成后，添加芯片支持包（Pack Installer）
创建工程，配置Target选项

3.3.2 STM32CubeMX安装

下载地址：https://www.st.com/en/development-tools/stm32cubemx.html
安装后，可图形化配置外设和时钟

3.4 标准库编程

3.4.1 GPIO操作

LED闪烁实验：

#include "stm32f10x.h"
 
void GPIO_Configuration(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 使能GPIOC时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    
    // 配置PC13为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}
 
void delay_ms(u16 time)
{    
    u16 i = 0;  
    while(time--)
    {
        i = 12000;
        while(i--);    
    }
}
 
int main(void)
{
    GPIO_Configuration();
    
    while(1)
    {
        GPIO_ResetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);  // 点亮LED
        delay_ms(500);
        GPIO_SetBits(GPIOC, GPIO_Pin_13);    // 熄灭LED
        delay_ms(500);
    }
}

按键检测实验：

#include "stm32f10x.h"
 
void Key_GPIO_Config(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 使能GPIOA和GPIOC时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOC, ENABLE);
    
    // PA0配置为上拉输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
    // PC13配置为推挽输出（LED）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStructure);
}
 
uint8_t Key_Scan(GPIO_TypeDef* GPIOx, uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx, GPIO_Pin) == Key_DOWN)
    {
        delay_ms(10);  // 消抖
        if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOx, GPIO_Pin) == Key_DOWN)
            return KEY_DOWN;
    }
    return KEY_UP;
}
 
int main(void)
{
    Key_GPIO_Config();
    
    while(1)
    {
        if(Key_Scan(GPIOA, GPIO_Pin_0) == KEY_DOWN)
        {
            GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, 
                (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_13)));
        }
    }
}

3.4.2 NVIC中断配置

#include "stm32f10x.h"
 
void EXTI0_IRQHandler(void)
{
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line0) != RESET)
    {
        // 外部中断0处理
        GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, 
            (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_13)));
        
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);
    }
}
 
void Exti_Config(void)
{
    EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 使能AFIO时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    
    // 配置PA0为外部中断输入
    GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA, GPIO_PinSource0);
    
    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;
    EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;
    EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
    EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
    
    // 配置NVIC
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}

3.4.3 定时器配置

定时器中断：

#include "stm32f10x.h"
 
void TIM2_Config(void)
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    
    // 使能TIM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
    // 定时1秒：72MHz/7200/10000 = 1Hz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 10000 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7200 - 1;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // 使能更新中断
    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE);
    
    // NVIC配置
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
    // 使能定时器
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
 
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        // 定时1秒处理
        GPIO_WriteBit(GPIOC, GPIO_Pin_13, 
            (BitAction)(1 - GPIO_ReadOutputDataBit(GPIOC, GPIO_Pin_13)));
        
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

3.5 HAL库编程

STM32CubeMX生成的代码使用HAL库，更易上手。

3.5.1 LED闪烁（HAL库）

#include "main.h"
 
int main(void)
{
    HAL_Init();           // 初始化HAL库
    SystemClock_Config(); // 配置系统时钟
    MX_GPIO_Init();       // 初始化GPIO
    
    while(1)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
        HAL_Delay(500);   // 延时500ms
    }
}

3.5.2 按键中断（HAL库）

void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_0)
    {
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC, GPIO_PIN_13);
    }
}

四、外设驱动编程

4.1 蜂鸣器驱动

4.1.1 51单片机蜂鸣器

#include <reg52.h>
 
sbit BEEP = P1^5;
 
void beep()
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 100; i++)
    {
        BEEP = ~BEEP;
        delay(1);
    }
    BEEP = 0;
}

4.1.2 STM32蜂鸣器

void BEEP_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
}
 
void BEEP_On(void)
{
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
}
 
void BEEP_Off(void)
{
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_8);
}

4.2 数码管显示

4.2.1 51单片机数码管

#include <reg52.h>
 
// 段选信号（abcdefg + dp）
unsigned char code duan[] = {
    0x3F,  // 0
    0x06,  // 1
    0x5B,  // 2
    0x4F,  // 3
    0x66,  // 4
    0x6D,  // 5
    0x7D,  // 6
    0x07,  // 7
    0x7F,  // 8
    0x6F   // 9
};
 
// 位选信号
unsigned char code wei[] = {0xFE, 0xFD, 0xFB, 0xF7};
 
void display(unsigned char *buf)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 4; i++)
    {
        P2 = wei[i];      // 位选
        P0 = duan[buf[i]]; // 段选
        delay(2);
        P0 = 0x00;        // 消隐
    }
}

4.3 1602液晶显示

4.3.1 1602 LCD引脚

引脚	功能
VSS	地
VDD	+5V电源
VO	对比度调节
RS	寄存器选择（数据/命令）
RW	读写控制
E	使能信号
D0-D7	数据端口

4.3.2 1602驱动代码

#include <reg52.h>
 
#define LCD_PORT P0
 
sbit RS = P2^0;
sbit RW = P2^1;
sbit EN = P2^2;
 
void lcd_delay(unsigned char i)
{
    while(i--);
}
 
void lcd_write_cmd(unsigned char cmd)
{
    RS = 0;
    RW = 0;
    EN = 0;
    LCD_PORT = cmd;
    EN = 1;
    lcd_delay(50);
    EN = 0;
}
 
void lcd_write_data(unsigned char dat)
{
    RS = 1;
    RW = 0;
    EN = 0;
    LCD_PORT = dat;
    EN = 1;
    lcd_delay(50);
    EN = 0;
}
 
void lcd_init()
{
    lcd_write_cmd(0x38);  // 16x2显示，8位数据
    lcd_write_cmd(0x0C);  // 开显示，无光标
    lcd_write_cmd(0x06);  // 光标右移
    lcd_write_cmd(0x01);  // 清屏
}
 
void lcd_string(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char *s)
{
    if(y == 0)
        lcd_write_cmd(0x80 + x);
    else
        lcd_write_cmd(0xC0 + x);
    while(*s)
        lcd_write_data(*s++);
}

4.4 DS18B20温度传感器

4.4.1 特性

单总线接口
测温范围：-55°C ~ +125°C
精度：±0.5°C（-10°C ~ +85°C）
分辨率：9~12位可选

4.4.2 驱动代码

#include <reg52.h>
 
sbit DQ = P1^0;
 
void ds18b20_init()
{
    DQ = 1;
    delay_us(1);
    DQ = 0;
    delay_us(500);  // 480us~960us
    DQ = 1;
    delay_us(50);
}
 
void write_byte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        DQ = 0;
        delay_us(2);
        if(dat & 0x01)
            DQ = 1;
        dat >>= 1;
        delay_us(50);
        DQ = 1;
    }
}
 
unsigned char read_byte()
{
    unsigned char i, dat = 0;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        DQ = 0;
        delay_us(2);
        DQ = 1;
        delay_us(5);
        if(DQ) dat |= 0x80;
        delay_us(50);
    }
    return dat;
}
 
float read_temperature()
{
    unsigned char temp_low, temp_high;
    int temp;
    float t;
    
    ds18b20_init();
    write_byte(0xCC);  // 跳过ROM
    write_byte(0x44);  // 启动温度转换
    
    ds18b20_init();
    write_byte(0xCC);
    write_byte(0xBE);  // 读暂存器
    
    temp_low = read_byte();
    temp_high = read_byte();
    
    temp = (temp_high << 8) | temp_low;
    t = temp * 0.0625;
    
    return t;
}

五、通信协议

5.1 UART串口通信

5.1.1 基本概念

全双工通信
起始位：1位低电平
数据位：8/9位
校验位：可选
停止位：1/2位
波特率：9600/115200等

5.1.2 51串口通信

#include <reg52.h>
 
void uart_init(unsigned long baud)
{
    TMOD |= 0x20;
    TH1 = 256 - (12000000UL / 12 / 32 / baud);
    TR1 = 1;
    SCON = 0x50;
}
 
void uart_send(unsigned char c)
{
    SBUF = c;
    while(!TI);
    TI = 0;
}
 
void uart_print(char *s)
{
    while(*s)
        uart_send(*s++);
}
 
void uart_interrupt() interrupt 4
{
    if(RI)
    {
        RI = 0;
        // 接收处理
    }
}

5.1.3 STM32 HAL库串口

// 在main.c中
uint8_t rxBuffer[1];
 
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        // 处理接收数据
        HAL_UART_Transmit(huart, rxBuffer, 1, 100);
        HAL_UART_Receive_IT(huart, rxBuffer, 1);
    }
}
 
int main(void)
{
    HAL_Init();
    MX_USART1_UART_Init();
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, rxBuffer, 1);
    
    while(1);
}

5.2 I2C通信

5.2.1 I2C时序

┌────────────────────────────────────────────────┐
│              I2C 开始/停止时序                  │
├────────────────────────────────────────────────┤
│                                                │
│  SCL:  ___┐___┐___┐___┐___┐___┐___┐___        │
│         │   │   │   │   │   │   │   │         │
│  SDA:   ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐         │
│       ──┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─           │
│          ↑           ↑                        │
│        开始         停止                        │
│                                                │
└────────────────────────────────────────────────┘

5.2.2 51模拟I2C（AT24C02）

#include <reg52.h>
 
sbit SDA = P2^0;
sbit SCL = P2^1;
 
void i2c_start()
{
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    SDA = 0;
    SCL = 0;
}
 
void i2c_stop()
{
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    SDA = 1;
}
 
void i2c_ack()
{
    SDA = 0;
    SCL = 1;
    SCL = 0;
}
 
unsigned char i2c_wait_ack()
{
    SDA = 1;
    SCL = 1;
    if(SDA)
    {
        i2c_stop();
        return 0;
    }
    SCL = 0;
    return 1;
}
 
void i2c_write_byte(unsigned char dat)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SDA = dat & 0x80;
        dat <<= 1;
        SCL = 1;
        SCL = 0;
    }
}
 
unsigned char i2c_read_byte()
{
    unsigned char i, dat = 0;
    SDA = 1;
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        SCL = 1;
        dat <<= 1;
        if(SDA) dat |= 0x01;
        SCL = 0;
    }
    return dat;
}
 
void at24c02_write(unsigned char addr, unsigned char dat)
{
    i2c_start();
    i2c_write_byte(0xA0);  // 写设备地址
    i2c_wait_ack();
    i2c_write_byte(addr);  // 写存储地址
    i2c_wait_ack();
    i2c_write_byte(dat);   // 写数据
    i2c_wait_ack();
    i2c_stop();
}
 
unsigned char at24c02_read(unsigned char addr)
{
    unsigned char dat;
    i2c_start();
    i2c_write_byte(0xA0);
    i2c_wait_ack();
    i2c_write_byte(addr);
    i2c_wait_ack();
    i2c_start();
    i2c_write_byte(0xA1);  // 读设备地址
    i2c_wait_ack();
    dat = i2c_read_byte();
    i2c_stop();
    return dat;
}

5.3 SPI通信

5.3.1 SPI时序

┌────────────────────────────────────────────────┐
│              SPI 时序图 (模式0)                 │
├────────────────────────────────────────────────┤
│                                                │
│  SCLK:   ___┐___┐___┐___┐___┐___┐___          │
│          │   │   │   │   │   │   │           │
│  MOSI:   ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐            │
│        ──┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─               │
│          ←─ MSB ──→                           │
│  MISO:   ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐            │
│        ──┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─┘ └─               │
│                                                │
└────────────────────────────────────────────────┘

5.3.2 STM32 HAL库SPI

void SPI1_Init(void)
{
    hspi1.Instance = SPI1;
    hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
    hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
    hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
    hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
    hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
    hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
    __HAL_SPI_ENABLE(&hspi1);
}
 
uint8_t SPI1_ReadWriteByte(uint8_t txData)
{
    uint8_t rxData;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &txData, &rxData, 1, 1000);
    return rxData;
}

5.4 红外遥控（NEC协议）

#include <reg52.h>
 
sbit IR_IN = P3^2;
 
unsigned char ir_code;
unsigned char ir_count = 0;
 
void ir_init()
{
    IT0 = 1;
    EX0 = 1;
    EA = 1;
}
 
void ir_int() interrupt 0
{
    unsigned char i, j;
    unsigned int time;
    
    time = 9000;  // 引导码9ms低电平
    while(!IR_IN);
    while(IR_IN)
    {
        time++;
        delay_us(10);
        if(time > 2000) return;
    }
    
    // 解析32位数据
    for(i = 0; i < 4; i++)
    {
        for(j = 0; j < 8; j++)
        {
            while(!IR_IN);
            time = 0;
            while(IR_IN)
            {
                time++;
                delay_us(10);
            }
            ir_code >>= 1;
            if(time > 30)  // 1
                ir_code |= 0x80;
        }
    }
}

六、实战项目

6.1 项目一：智能温控风扇

6.1.1 功能需求

DS18B20实时温度采集
温度阈值可调
PWM调速控制风扇
LCD1602显示温度和档位

6.1.2 硬件清单

模块	型号	数量
单片机	STC89C52RC	1
温度传感器	DS18B20	1
液晶显示	1602 LCD	1
电机驱动	L298N/ULN2003	1
风扇	12V直流风扇	1
按键	轻触按键	3

6.1.3 程序框架

#include <reg52.h>
 
// 定义
bit mode = 0;        // 模式：0=手动，1=自动
unsigned char set_temp = 30;  // 设置温度
unsigned char current_temp;   // 当前温度
 
// 函数声明
void init_system();
void display_temp();
void key_scan();
void fan_control();
 
void main()
{
    init_system();
    while(1)
    {
        current_temp = read_temperature();
        display_temp();
        key_scan();
        fan_control();
        delay_ms(200);
    }
}
 
void fan_control()
{
    if(mode == 0)  // 手动模式
    {
        // 根据按键设置PWM
    }
    else          // 自动模式
    {
        if(current_temp >= set_temp + 5)
            fan_speed = 100;
        else if(current_temp >= set_temp)
            fan_speed = 60;
        else if(current_temp >= set_temp - 5)
            fan_speed = 30;
        else
            fan_speed = 0;
    }
}

6.2 项目二：智能小车

6.2.1 功能需求

手机APP蓝牙控制
超声波测距避障
循迹功能
红外遥控

6.2.2 硬件连接

┌─────────────────────────────────────────────────┐
│              智能小车硬件连接图                  │
├─────────────────────────────────────────────────┤
│                                                 │
│   蓝牙模块          超声波模块                   │
│   HC-05            HC-SR04                     │
│   ──────          ─────────                     │
│   RXD ──→P3.0     Trig ──→P1.0                 │
│   TXD ←─P3.1      Echo ←─P1.1                  │
│                                                 │
│          ┌──────────────┐                      │
│          │   STM32/51   │                      │
│          └──────────────┘                      │
│              ↓    ↓                            │
│         ┌────┐   ┌────┐                        │
│         │左轮│   │右轮│                        │
│         └──┬─┘   └──┬─┘                        │
│            │       │                          │
│         ┌──┴──┐ ┌──┴──┐                        │
│         │L298N电机驱动│                        │
│         └─────┘ └─────┘                        │
│                                                 │
└─────────────────────────────────────────────────┘

6.2.3 蓝牙控制代码

#include "stm32f10x.h"
#include "usart.h"
 
char command;
 
void parse_command(char cmd)
{
    switch(cmd)
    {
        case 'F':  // 前进
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3);
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_4);
            break;
        case 'B':  // 后退
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_4);
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3);
            break;
        case 'L':  // 左转
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_4);
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);
            break;
        case 'R':  // 右转
            GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3);
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_4);
            break;
        case 'S':  // 停止
            GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_2 | 
                                  GPIO_Pin_3 | GPIO_Pin_4);
            break;
    }
}
 
int main(void)
{
    USART1_Init(9600);
    
    while(1)
    {
        if(USART_GetRxFlag())
        {
            command = USART_GetRxData();
            parse_command(command);
        }
    }
}

6.3 项目三：智能家居控制系统

6.3.1 系统架构

┌────────────────────────────────────────────────────────┐
│              智能家居控制系统架构                        │
├────────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                        │
│                    ┌─────────────┐                     │
│                    │   云平台    │                     │
│                    │  (MQTT)     │                     │
│                    └──────┬──────┘                     │
│                           │                            │
│              ┌────────────┼────────────┐              │
│              ↓            ↓            ↓              │
│        ┌──────────┐ ┌──────────┐ ┌──────────┐        │
│        │  手机APP │ │  网页端   │ │  微信小程序│       │
│        └──────────┘ └──────────┘ └──────────┘        │
│              │            │            │              │
│              └────────────┼────────────┘              │
│                           │                            │
│                    ┌──────┴──────┐                     │
│                    │   ESP8266   │                     │
│                    │  WiFi模块   │                     │
│                    └──────┬──────┘                     │
│                           │                            │
│                    ┌──────┴──────┐                     │
│                    │   STM32     │                     │
│                    │  主控板     │                     │
│                    └──────┬──────┘                     │
│                           │                            │
│    ┌──────────┬───────────┼───────────┬──────────┐   │
│    ↓          ↓           ↓           ↓          ↓   │
│  ┌────┐   ┌────┐    ┌───────┐   ┌──────┐   ┌────┐  │
│  │继电器│   │DHT11│    │人体感应│   │烟雾传感│   │LED │  │
│  │控制│   │温湿度│    │模块    │   │器    │   │    │  │
│  └────┘   └────┘    └───────┘   └──────┘   └────┘  │
│                                                        │
└────────────────────────────────────────────────────────┘

6.3.2 ESP8266 WiFi通信

#include "ESP8266.h"
 
void ESP8266_Init(void)
{
    ESP8266_SendCmd("AT\r\n", "OK", 500);
    ESP8266_SendCmd("AT+CWMODE=1\r\n", "OK", 500);  // Station模式
    ESP8266_SendCmd("AT+CWJAP=\"SSID\",\"PASSWORD\"\r\n", "OK", 5000);
    ESP8266_SendCmd("AT+CIPMUX=0\r\n", "OK", 500);
}
 
void ESP8266_SendData(char *data)
{
    char cmd[50];
    sprintf(cmd, "AT+CIPSEND=%d\r\n", strlen(data));
    ESP8266_SendCmd(cmd, ">", 500);
    ESP8266_SendCmd(data, "OK", 1000);
}

七、开发工具与调试

7.1 仿真软件

7.1.1 Proteus

Proteus是著名的EDA仿真软件，支持51、AVR、ARM等多种单片机仿真。

下载链接：

Proteus官网：https://www.labcenter.com/
破解版：请自行搜索

基本使用：

新建工程，选择元器件
绘制原理图
加载HEX文件
开始仿真

7.1.2 Keil MDK/Keil C51

Keil C51（51单片机）：https://www.keil.com/c51/
Keil MDK（ARM/STM32）：https://www.keil.com/mdk5/

7.2 编程器/调试器

工具	用途	备注
STC-ISP	STC单片机下载	免费软件
ST-Link	STM32下载调试	需安装驱动
J-Link	ARM调试	收费
USBasp	AVR下载	开源

7.3 串口调试助手

SSCOM：https://github.com/dukelec/sscom32
SecureCRT：https://www.vandyke.com/products/securecrt/
Putty：https://www.putty.org/

7.4 逻辑分析仪

Saleae Logic：https://www.saleae.com/
DSView：https://www.dreamsourcelab.com/

八、常见问题与解决方案

8.1 51单片机常见问题

Q1: 程序下载不进去？

检查串口驱动是否安装
确认晶振是否正常
检查RST引脚电平
尝试冷启动（断电后重新上电）

Q2: LED不亮？

检查LED极性是否接反
确认限流电阻是否连接
测量引脚输出电平

Q3: 串口通信失败？

确认波特率设置正确
检查晶振频率
验证TX/RX接线是否正确

8.2 STM32常见问题

Q1: 程序下载后不运行？

检查BOOT引脚设置
确认晶振是否起振
验证SWD接口连接

Q2: HAL库delay卡死？

检查SysTick配置
确认系统时钟配置正确

Q3: 外设不工作？

检查对应时钟是否使能
确认GPIO复用配置

8.3 调试技巧

LED指示法：用LED闪烁表示程序运行状态
串口打印：输出调试信息
IO口翻转：用示波器观察时序
仿真调试：设置断点单步执行

参考资源

51单片机教程

STM32教程

开发工具下载

社区论坛

附录

附录A：51单片机指令表

指令	功能
`MOV A, Rn`	寄存器传送到累加器
`MOV Rn, A`	累加器传送到寄存器
`MOV A, @Ri`	间接RAM传送到累加器
`MOVX A, @DPTR`	外部RAM传送到累加器
`SETB bit`	置位指令
`CLR bit`	清除指令
`CPL bit`	取反指令
`DJNZ Rn, rel`	减1不为0跳转
`LCALL addr`	长调用子程序
`RET`	子程序返回

附录B：常用C51库函数

// 延时函数
void delay(unsigned int ms);
 
// 字符串函数
void puts(char *s);
char gets(char *s);
 
// 数学函数
abs(x);    // 绝对值
sin(x);    // 正弦
cos(x);    // 余弦
sqrt(x);   // 平方根

附录C：STM32时钟配置

void SystemClock_Config(void)
{
    RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct;
    RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct;
    
    // 使能HSE晶振
    RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
    RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
    RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;  // 8MHz * 9 = 72MHz
    HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct);
    
    // 配置AHB/APB时钟
    RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK | 
                                  RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK |
                                  RCC_CLOCKTYPE_PCLK1 | 
                                  RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
    RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
    RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
    RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;  // 36MHz
    RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;  // 72MHz
    HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2);
}

笔记说明 本学习笔记整理于2026年5月，内容涵盖51单片机和STM32的基础知识和进阶内容。由于单片机技术更新较快，建议结合官方数据手册和最新教程学习。

如有错误，欢迎指正！

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目录

单片机学习笔记

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目录

一、单片机概述

1.1 什么是单片机

1.2 主流单片机系列

1.3 学习路线图

二、51单片机基础

2.1 51单片机简介

2.2 硬件结构

2.2.1 引脚分布

2.2.2 内部结构

2.2.3 存储器结构

2.3 C51编程基础

2.3.1 数据类型

2.3.2 特殊功能寄存器（SFR）

2.3.3 头文件说明

2.4 I/O口操作

2.4.1 点亮第一个LED

2.4.2 流水灯效果

2.5 中断系统

2.5.1 51中断结构

2.5.2 外部中断示例

2.6 定时器/计数器

2.6.1 定时器配置

2.6.2 定时器初值计算

2.7 串口通信

2.7.1 串口初始化

三、STM32单片机基础

3.1 STM32简介

3.2 开发板选择

3.3 开发环境搭建

3.3.1 Keil MDK安装

3.3.2 STM32CubeMX安装

3.4 标准库编程

3.4.1 GPIO操作

3.4.2 NVIC中断配置

3.4.3 定时器配置

3.5 HAL库编程

3.5.1 LED闪烁（HAL库）

3.5.2 按键中断（HAL库）

四、外设驱动编程

4.1 蜂鸣器驱动

4.1.1 51单片机蜂鸣器

4.1.2 STM32蜂鸣器

4.2 数码管显示

4.2.1 51单片机数码管

4.3 1602液晶显示

4.3.1 1602 LCD引脚

4.3.2 1602驱动代码

4.4 DS18B20温度传感器

4.4.1 特性

4.4.2 驱动代码

五、通信协议

5.1 UART串口通信

5.1.1 基本概念

5.1.2 51串口通信

5.1.3 STM32 HAL库串口

5.2 I2C通信

5.2.1 I2C时序

5.2.2 51模拟I2C（AT24C02）

5.3 SPI通信

5.3.1 SPI时序

5.3.2 STM32 HAL库SPI

5.4 红外遥控（NEC协议）

六、实战项目

6.1 项目一：智能温控风扇

6.1.1 功能需求

6.1.2 硬件清单

6.1.3 程序框架

6.2 项目二：智能小车

6.2.1 功能需求

6.2.2 硬件连接

6.2.3 蓝牙控制代码

6.3 项目三：智能家居控制系统

6.3.1 系统架构

6.3.2 ESP8266 WiFi通信

七、开发工具与调试