单片机学习指南

队长 路飞的电子设计宝藏 7月26日

鉴于原文只介绍了51单片机的学习路线（当时STM32刚兴起），与当前流行的STM32等高端单片机相比，显得有些落后，所以笔者更新了此文。

一、51和STM32的区别。

STM32比51主频高、RAM大、FLASH大，那么STM32能处理的事情就更多了。

STM32外设比51多，如：CAN、USB、FSMC等，能让你省点芯片。

STM32有固件库，不再需要看着手册，查寄存器来写代码，网上也有很多例程。

众多优势让STM32成为大众化、主流单片机，所以必须从51过渡到STM32的时代。

二、内核与外设。

外设就是外部的设备，如：GPIO、ADC、IIC、UART、SPI等。

内核就是内部的核心，如：ALU算术逻辑单元、流水线、指令集等。

51的内核仍然叫51。STM32的内核有Cortex M0、M0+、M3、M4、M7等。

因为ARM Cortex系列的芯片分为高端的A系列，中端的R系列、低端的M系列，所以STM32有好几种内核。

三、如何从51过渡到STM32？

尽管51有那么多的不好，但是低成本依然是它的优势。一片OTP（一次性编程）的51低至0.3毛，它适用于众多家电产品。

所以并不能以单纯的技术崇拜而把51贬得一无是处。只不过，我们需要掌握更多的技术，以适应不同的工作环境。

既然要从51过渡到STM32，那么停留在51的时间不宜太久，掌握基本的定时器、串口，就可以转到STM32上来了。

有的学校先教汇编，再教C，但我认为，先学C，再到汇编会比较好，因为汇编枯燥难学，导致单片机还没用起来，兴趣就消减一大半了。正如linus那句话，你得先学会使用它。

一、首先掌握C语言语法。

单片机用的C语言叫C51，C51除了标准C的语法之外，还特意为单片机增添了几个语法而已，没有很大区别，那么我们可以装个VS（别再用VC6.0那个老掉牙的IDE啦）然后，随便找本语法书抄代码，模仿写，不看书做出课后习题就可以了，其中流程控制（包括if,for,while,switch等）以及指针和结构体都是需要掌握的。推荐看视频《边用边学C语言》。

二、少量的实践。

接下来，你可以买一块单片机开发板来做一些小玩意了（只买一块开发板56元即可，不必浪费太多钱），譬如：摇摇棒，光立方，密码锁，超声波测距，红外摇控等等（很多新奇有趣的小玩意都可以在论坛找到）。当然，也不需要每个都做，我们可以选一些差异性较大的来做，这样升级会快一些。推荐视频《十天学会单片机》，也可以看开发板配套的视频，教材《单片机c语言程序设计实训100例——基于8051+proteus仿真》。适当的做几个就行，不要在这个阶段停留太久，重点掌握定时器和串口。

三、养成良好的编码习惯。

在《十天学会单片机》里会出现众多不怎么好的代码，但是我们不能一下子写出优秀的代码，必须有个过渡期，所以建议大家先看郭大侠的视频。那么如何写出高效而且可读性好的代码呢？这里只提到一点，不要用拼音来命名变量或者函数名，像int shi,fen,miao;这些都是不良的编码习惯，必须全部使用英文命名。推荐的做法就是多参考大神们写的代码，在百度文库或者各大电子论坛都可以看到很多优秀的代码。此外，推荐《从单片机初学者迈向单片机工程师》、《MISRA C标准工程师笔记》、《C语言编程规范》、《C51代码风格》。

四、了解汇编语言。

单片机工程师又叫固件工程师，因为他们写的代码都是跟寄存器打交道，而寄存器又可以直接控制硬件，处于最底层的软件而且不用经常改动，所以叫固件。这部分需要数电、模电的基础才好理解，所以在大学都是先教数电、模电再教单片机的。现在你要用汇编语言来玩单片机，你会发现汇编比较棘手，写出来的代码可读性差、可移植性差而且很难维护，但汇编即让你很清晰地感受到单片机是如何工作的，以及理解C语言指针的原理。不过，我们不需要钻研汇编语言，只需要有所了解，比如，精准的延时。

一、编译、编辑、版本控制器。

由于STM32的固件库中，函数名、变量名都是很长，我们不可能逐一输入，这就需要用到先进的工具。

1、编译器。仍然使用keil编译代码。

2、编辑器。编辑器就是写代码的工具，因为keil的代码补全、提示都很差，所以要用其它工具来写代码。这就得开两个软件，一个写代码，一个编译代码。虽然这样有点麻烦，但是相对于输入那一大串函数名来比，不算什么。推荐VS、Eclipse(C/C++版本)。不推荐使用source insight（功能不够强大）。

3、版本控制器。这个东西就是用来备份代码的，不要再用压缩包了。推荐git教程。

二、学会固件库。

有了上一步的准备工作之后，先买一块STM32开发板，带仿真器，248元。这里下载代码可不像51那些，用串口就能下载的了，得另外用一个仿真器。

这里的仿真器有ST link、Ulink等，不推荐使用J link。而仿真器的接口有JTAG和SWD，推荐使用SWD，接3根线就可以了。

推荐教材《STM32开发指南库函数教程》，也可以看开发板配套的视频。这里要掌握STM32的外设，如：ADC、RTC、CAN、IIC、SPI、UART、DMA、SDIO、IAP等。

三、自制PCB。

数电、模电基础差的，需要先补充点理论再来。然后下载一个Altium Designer6.9，看《Altium Designer视频教程》。根据自己感兴趣的小玩意来做一块PCB。画好之后先发到群里，让大家指导一下，然后再发到嘉立创打样，很便宜的，而其它材料则到淘宝上买。主要掌握焊接、维修、原理图、PCB等基本功，自己多动手就能掌握的。

四、单片机外面的世界。

就算你现在能玩转单片机，但也只是打开了一扇小小的窗户而已，下面你可以选一个方向，但是工作中可以会用到几个方向的知识，反正尽量多学点。

1、嵌入式操作系统。不推荐用51单片机跑系统。而STM32可以跑ucos II、ucos III、free RTOS、coos、RT-Thread、RTX等。推荐学ucos II，教材是任哲的《嵌入式实时操作系统ucosII原理及应用》，只要掌握一种嵌入式操作系统，其它都可以触类旁通。移植系统时，会用到汇编。推荐学习free RTOS或者RT-Thread。

2、ucgui/STemwin、Touch GFX。STM32可以通过FSMC接口来驱动TFT LCD屏，这里要用到图形界面库，可以学STemwin，STemwin其实就是ucgui，推荐《STemwin开发手册》，也可以学习Touch GFX。

3、上位机。使用单片机采集信号送到PC机上，而PC机需要一个上位机来控制单片机，这个上位机可以用Labview、C++、C、JAVA、甚至是HTML5来写。其中最常用的是单片机跟PC机的串口通信，上位机建议用C或者QT来写，尽管还有很多企业用MFC(C++库)，但是上手比较难，不推荐学MFC。推荐的教材是《C#入门经典》、《QT简介》。

4、数据结构和算法。推荐的教材是周航慈的《嵌入式系统软件中的常用算法》、《数据结构课件》。

5、接口应用。单片机的内部资源比较少，很多时候需要外接一些芯片、传感器。这里需要到用模电、电子测量、计算机网络等知识。推荐的教材是陈尚松等著的《电子测量与仪器》和谢希仁的《计算机网络》。此外，还会用到一些通信模块，比如Zigbee、WIFI、蓝牙、NB-IOT、433模块、NRF24L01、RFID智能卡等，有兴趣可以弄一下，这些都是比较实用的技术。

五、其它问题。

1、单片机的代码是如何运行的？

推荐看《计算机组成原理》。

2、FPGA。

可以参考本博客的《如何学习FPGA》。

3、嵌入式。

很多电子专业的学生就感觉嵌入式很难，那是因为嵌入式涉及很多计算机领域的知识，而这些知识很多是电子专业不开课的，基本功没过关，学起来肯定吃力。具体的学习路线可以参考本博客的《如何学习嵌入式软件》。

4、硬件设计。

可以参考本博客的《如何学习硬件设计——理论篇》、《如何学习硬件设计——实践篇》。

5、开发板的选择。

这里推荐的开发板都是一整板（上面的链接并非广告，只是确实有人不会选开发板才给出来的），里面有很多芯片的。不推荐一个核心板留了很多接口，每个接口都要另外买一块小板，这种板叫子母板，一个母板不贵，但是子板很多，买多几块就花很多钱，而且子板很小，容易丢。

6、为什么学生很难定方案？

因为学生积累的东西并不多，考虑的不那么周全，很多知识似懂非懂，难以制订方案。这时要多接触新事物，只要积累的多，就自然而然的能出方案了，不用太急躁。

7、MDK。

Keil有51版本和ARM版本，其中ARM版本的Keil又称为MDK。

8、stm32 cubemx。

cubemx可以自动生成配置代码，虽然很方便，但不建议初学者使用，会让你懒得不想写代码。

9、为什么编译没问题，下载到单片机却不对？

编译没问题，说明语法没问题，但不能表明逻辑、功能是正确的。

10、为什么网上都有那么多代码可以复制粘贴，还要自己写代码？

因为网上能找到的代码很多，而网上找不到的代码却更多。

11、proteus及multisim仿真。

proteus很适合仿真单片机，但是仿真的效果不能替代实物，一切以实物为准。

multisim适合在学模电时，做一下仿真，以帮助理解电路。

12、为什么有的STM32开发板可以用串口下载代码，还需要仿真器吗？

STM32有个IAP的功能（又称为远程升级），可以用任意的接口来下载代码，但是这种方法是建立在芯片本身有IAP的代码，才可以使用。

在一个没有任何代码的芯片上，不能使用串口下载代码，这时，必须使用仿真器。

13、单片机不就是C语言嘛，还需要学单片机原理？

在工程上会遇到单片机内部资源的调度、IO口的电气特性、带宽等问题，你不懂单片机原理是解决不了这些问题的。

14、单片机的汇编和微机原理的汇编。

微机原理讲的是PC机中x86架构的汇编，和51单片机的汇编是有区别的。不要看错书。

而51单片机的汇编和STM32的汇编也是有区别的，51的是CISC架构，而STM32的是RISC架构。

15、除STM32以外的高端单片机品牌。

有NXP的LPC、新唐、GD32(高仿STM32)、英飞凌、TI的MSP430、Microchip的PIC、瑞萨、ADI、Maxim（美信）、三星。

16、其它单片机品牌。

合泰、辉芒、松瀚、海尔（东软）、STC、义隆、新茂、中颖、ABOV（现代）、Megawin（笙泉）、晟矽微、HOLTEK（盛扬）、九齐、佑华、灵动微。

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版权声明：本文为CSDN博主「队长-Leader」的原创文章，授权转载

一种气象数据监测系统的设计

周晓倩1， 马孝义2, 陈 磊1， 陈海涛1

(1. 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100)

: 为了及时获得灌区的气象参数以便于实施灌溉，基于GPRS通信模块设计了一种气象数据监测系统。系统由客户端和服务器两部分组成，客户端以MSP430单片机为核心，主要完成气象参数的采集和处理；服务器采用VB语言编写，主要实现与客户端之间的实时通信。该系统可在正常工作模式和低功耗模式下实现切换，同时可以良好地解决IP地址变化的问题，并能将温度、湿度、光照等气象参数稳定地传输到上位机，支持用手机短信指令的形式获取当日的气象参数。该系统具有良好的稳定性，且操作方便。

: 气象参数； GPRS通信模块； 客户端； 服务器； IP

: TP335 文献标识码: A 文章编号： 0258-7998(2014)05-0136-04

灌区气象数据的及时、准确获取是实施精确灌溉的必要条件，因此灌区的信息化十分重要。气象数据监测系统利用实时采集的气象资料，对未来一段时间内的气象情况作出较为精确的预测和预报，对于农业生产具有一定的指导意义[1]。随着通信和网络的发展，GPRS在农业、工业上的应用越来越广泛，它能充分利用网络资源，具有传输速率快、组网灵活、永远在线和按流量计费等优点。然而,由于专网APN和固定IP的价格对于小型灌区的长期使用过于昂贵，因此目前采用动态IP接入Internet仍然是大部分用户的选择[2]。

本文提出一种低功耗、设计相对简单的监测系统。主要功能是监测农田的温度、湿度、光照等气象参数。采用MSP430单片机与QUECTEL M20无线通信模块，设计基于GPRS的动态IP的农田气象数据监测系统。研究内容包括硬件设计和软件编制，硬件设计包括搭建系统下位机平台，完成采集、处理、通信电路设计；软件编制包括下位机采集、处理、通信程序设计以及上位机数据中心软件编制。

1.1 下位机监测模块设计

下位机监测部分包括各种气象传感器、单片机微控制器、GPRS无线通信模块。气象数据传感器负责实时采集农田中的温度、湿度和光照信息，并由MSP430单片机通过RS232串口实时地将气象数据发送给GPRS M20模块。下位机模块采用SD卡将时间和气象信息以文本的方式进行存储，方便用户以后查阅[3]。下位机硬件结构图如图1所示。

1.2 系统的低功耗设计

系统围绕低功耗进行设计，包括MSP430的低功耗模式和M20的休眠模式。低功耗模式与正常工作模式切换的具体实现如下：用手机发送休眠命令(M)给GPRS 无线通信模块，GPRS M20收到该命令就会将信息通过标准RS232串口传送给MSP430控制器，接着MSP430就会将DTR0线置为高以使M20进入休眠模式，一旦M20进入休眠模式，MSP430也将进入低功耗模式。在M20处于休眠模式下，仍然可以正常接收短信，这时向M20发送一条短信，就会将M20从休眠模式唤醒(DTR0变成低电平)。一旦M20进入工作模式，MSP430也将被唤醒，从而系统又返回正常工作模式。通过这种设计，大大降低了系统的功耗。MSP430与GPRS M20之间的具体连接实现如图2所示。

1.3 GPRS数据通信与动态IP问题的实现

本系统采用ADSL拨号上网，每次拨号上线后，得到的IP地址是变化的。采用花生壳6.5工程版，通过使用花生壳动态域名的端口映射功能，在没有固定公网IP的情况下，借助花生壳服务将动态公网IP和域名进行实时绑定，通过已激活花生壳服务的域名从外网访问内网服务。而且6.5工程版新增花生壳映射功能，可以直接利用它来取代路由器端口映射的操作，只要输入内网的IP和端口号，就能实现在外网轻松访问内网下路由器的功能。

GPRS无线通信模块与MSP430微控制器间的通信采用的是AT指令集。在GPRS无线通信模块上网之前，需要对DTU的参数进行设置。主要的工作有: 通过AT+IPR=9600命令设置通信波特率，波特率设为9 600 b/s；通过AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"命令，设置GPRS接入网关为移动梦网；使用AT+CGACT=1,1命令开通GPRS功能；通过AT+QIOPEN="TCP","benbensandai.eicp.net"，5566命令设置接收服务器的协议类型、域名和端口号，如果返回的结果为CONNECT OK就实现了模块与上位机的正常连接；通过AT+QICLOSE命令，模块注销GPRS网[4]。

为了方便程序设计，增强程序可读性，将建立连接所需的AT命令以字符串形式存放于AT命令缓存区，所需多条AT指令长度不一且发送顺序不可改变。为了有效控制每条AT指令，提高CPU利用率，需将AT指令缓存区设置为指针数组形式，在建立连接时通过循环调用字符串发送函数将这些AT命令发送，相邻AT命令间要有2~3 s的延时，所以每发送完一条AT命令都要调用一个3 s的延时子程序，然后通过串口中断接收函数接收AT命令返回值来判断连接是否成功[5]。 GPRS终端与上位机通信的软件实现如图3所示。

1.4 微控制器 MSP430单片机

本文主控制器采用美国德州仪器的MSP430单片机,其处理能力强，运算速度快，片内资源丰富，方便高效的开发环境。而它最大的特点就是超低功耗，由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有1种活动模式(AM)和5种低功耗模式(LPM0~LPM4)。在实时时钟模式下，可达2.5 μA；在RAM 保持模式下，最低仅为0.1 μA。基于这个特点，将其作为监控系统的主控芯片非常合适。

1.5 SD卡存储电路

由传感器获取的气象参数需要定时地存储到SD卡中，这样即使监控中心出现突然断电的情况，依然可以获取到当天的气象参数,从而便于数据的整理和参数的计算。

本系统采用16 GB大容量的SDHC卡，以FAT32文件系统作为存储形式，将所采集的气象数据存储在TXT文件中，该文件以当前时间命名以便于查阅。SDHC卡中存储的气象数据可以通过USB2.0接口进行高速的读取。对SDHC卡的读取和控制采用占用I/O口最少的SPI模式，SPI模式利用SDHC卡的CS(片选引脚)、MOSI(数据输入引脚)、MISO(数据输出引脚)、CLK(时钟引脚)实现与外部的数据传输[6]。SDHC卡控制电路如图4所示。

2 上位机数据中心软件的实现

上位机数据中心软件由VB6.0和Windows自带的Access数据库联合开发完成，气象数据中心主要由4个功能模块组成，分别为用户登录界面、数据通信模块、通信设置模块和信息处理模块。其中用户登录界面中的用户信息管理部分可以实现用户的增加、修改和删除的功能，并且可以允许用户以管理员和普通用户两种不同权限的身份进入系统；数据通信模块主要完成气象数据的接收、显示和处理的功能，还能将所连接客户端的IP地址和端口号展示出来，状态栏中可直观、形像地显示当前TCP连接的状态；通信设置模块主要包括系统连接Internet的协议设置和端口号的设定，这是实现TCP/UDP连接的第一步；信息处理模块主要将接收到的数据进行整理和存储，并可以以Excel报表的形式导出，方便用户的后续处理[7]。

在该监控软件的编写过程中，采用Winsock控件编写网络通信程序，从而实现对通信的控制。具体方法是用Senddata方法发送命令，然后用Getdata方法将接收到的数据读取出来。Access数据库用来保存系统相关参数和各个观测点的气象数据。

最终的编写成功的上位机软件可以实现GPRS DTU终端的状态显示(分别为Closed、Open、Listening、Connecting、Connected、Closing、Error),下位机客户端的数据采集，历史气象数据的查询、修改和删除，具体工作时间的设置，相关工作模式的选择等操作[8]。用户登录界面和通信设置模块如图5和图6所示。

3 结果和分析

实时的气象数据监测服务器需要一个安装有数据控制软件的PC。该实时的监测数据中心软件可以控制系统，并且实现数据的完整接收、分析和存储。当不需要采集气象信息时，手机通过命令(M)向客户端发送休眠命令，使系统处于低功耗模式；当系统需要采集数据时，手机发送唤醒短信，使系统处于工作状态，这样的工作模式极大地降低了系统的功耗。实验结果表明，服务器端监测中心可以稳定显示，该系统运行结果良好。运行结果图和系统电路图如图7所示。

本监控系统依托中国移动的GPRS网络，大大减少了重建网络的高花费。针对工程具体情况编写相应的上位机软件，有利于数据的处理和保存，使系统更加经济和实用。

基于MSP430和GPRS的气象数据采集和监控系统不仅花费低、可靠性强，而且容易扩展和更新。考虑到移植的需要，在设计过程中应该将相应的驱动程序模块化，以便于将其应用到环境监测、电力监测、交通监控等领域[9]。

但是，本系统仍然有问题需要解决，基于花生壳的免费动态解析域名服务有时候会出现不稳定的现象。因此如果数据中心的IP地址是动态变化的，最好的解决方法是上位机以短信的形式将变化的服务器IP地址发送给GPRS客户端，如此的方案需要配备专门的上位机软件，支持直接通过Internet向SIM卡发短信。或者，服务器端增加一个GSM模块，由该GSM模块将监控中心变化的IP地址以短信的形式发给GPRS DTU，下位机客户端一旦收到短信，就向新的IP地址发起连接[10]。然而如此的改进， 无疑增加了系统的设计开发难度和费用成本。

参考文献

[1] 聂明新，邹宇，莫奎.基于动态IP的GPRS远程监控系统[J].武汉理工大学学报，2011,5(33):685-688.

[2] 郭志伟.基于GSM的农田气象信息远程监控系统设计[J].农业机械学报，2009,40(3):161-166.

[3] 李明军，尹文明.基于GPRS的大棚智能监控系统[J].电子技术应用，2006,32(8):83-85.

[4] 余义德， 王飞. 基于SDHC卡阵列的大容量存储系统设计[J]. 应用科技,2011,12(38):36-39.

[5] GURTOV A, PASSOJA M. Multi-Layer protocol tracing ina GPRS network[C]. IEEE Vehicular Technology Conference,2006,56(3):1612-1613.

[6] 孙鸣，吴钰.基于TC45模块的GPRS无线抄表系统[J].电子技术应用，2005,31(6):29-31.

[7] 沈建华,杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2008.

[8] KALDEN R，MEIRICK I．Wireless internet access based onGPRS[J].IEEE Personal Communications, 2000,7(2):8-18.

[9] 乔晓军，沈佐锐，陈青云.农业设施环境通用监控系统的设计与实现[J].农业工程学报, 2000,16(3):77-80.

[10] TSENG C L, JIANG J A, LEE R G, et al. Feasibilitystudy on application of GSM-SMS technology to field dataacquisition[J]. Computers and Electronics in Agriculture,2006,53(1):45-59.

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