基于MCS51的串口通訊系統(tǒng)設計.pdfVIP

張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院 電氣工程系電氣工程系 畢畢業(yè)業(yè)論論 文文 課題名稱課題名稱基基于于 MCS-5MCS-51 1 的串口通訊系統(tǒng)設計的串口通訊系統(tǒng)設計 學生姓名學生姓名 學學號號 班班級級 專專業(yè)業(yè)應用電子應用電子 指導教師指導教師 2011 年 6 月 3 日 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 目目錄錄 一、緒論 （一）設計的目的 （二）設計的要求 二、串口通訊的簡介 （一）串行接口的基本特點 （二）串口通信原理 三、硬件設計 四、程序設計 五、參考文獻 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 基于基于 MCS-51MCS-51 的串口通訊系統(tǒng)設計的串口通訊系統(tǒng)設計 一、設計的目的 1進一步熟悉和掌握單片機的結構及工作原理。 2掌握單片機的接口技術及相關外圍芯片的外特性，控制方法。 3通過課程設計，掌握以單片機核心的電路設計的基本方法和技術，了解有關 電路參數(shù)的計算方法。 4通過實際程序設計和調(diào)試，逐步掌握模塊化程序設計方法和調(diào)試技術。 5通過完成一個包括電路設計和程序開發(fā)的完整過程，使學生了解開發(fā)單片機 應用系統(tǒng)的全過程，為今后從事相應打下基礎。 二、設計具體要求 (一)原理圖設計 1原理圖設計要符合項目的工作原理，連線要正確，端了要不得有標號。 2圖中所使用的元器件要合理選用，電阻，電容等器件的參數(shù)要正確標明。 3原理圖要完整，CPU，外圍器件，擴器接口，輸入/輸出裝置要一應俱全。 （二）程序調(diào)試 1根據(jù)要求，將總體功能分解成若干個子功能模塊，每個功能模塊完成一個特定的功能。 2根據(jù)總體要求及分解的功能模塊，確定各功能模塊之間的關系，設直出完整的程序流程 圖。 （三）程序調(diào)試將設計完的程序輸入，排除語法錯誤。 1按所設計的原理圖，在實驗平臺上連線，檢查無誤。 2將程序源文件傳送到實驗裝置，執(zhí)行該程序，檢查該程序是否達到設計要求，若未達到， 修改程序，直到達到要求為止， （四）設計說明書 1原理圖設計說明 簡要說明設計目的， 原理圖中所使用的元器件功能及在圖中的作用， 各器件的工作過程及順 序。 2程序設計說明 對程序設計總體功能及結構進行說明， 對各子模塊的功能以及各子模塊之間的關系作較詳細 的描述。 二、串口通信簡介 MCS-51 系列單片機上有一個通用異步接收發(fā)送器 UART，通過引腳 RXDP3O 和 TXDP31可與外音 B 電路進行全雙工的串行異步通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時由 TXD 端送出，接收時數(shù)據(jù)由 RXD 端輸入。本文將具體介紹單片機串口的特點和編程方 法，并且在最后給出一個實用的單片機與計算機通過串口通信的程序。 (一)串行的基本特點 MCS-51 單片機的串行端口有 4 種基本工作方式，通過編程設置，可以使其工作 在任一方式，以滿足不同場合的需要。其中，方式 0 主要用于外接移位寄存器， 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 以擴展單片機的 IO 電路；工作方式 1 多用于雙機之間或與外設電路的通信； 方式 2、3 除有方式 1 的功能外，還可以作多機通信，以構成分布式多微機系統(tǒng)。 串行端口有兩個控制寄存器 SCON、PCON，用于設置工作方式、發(fā)送或接收的狀 態(tài)、特征位、數(shù)據(jù)傳送波特率每秒傳送的位數(shù)以及作為中斷標志等。 串行端口有一個數(shù)據(jù)寄存器 SBUF 在特殊功能寄存器中的字節(jié)地址為 99H，該寄 存器為發(fā)送和接收所共用。 串行端口的波特率可以用程序來控制。在不同工作方式中，由時鐘振蕩頻率的分 頻值或由定時器 T1 的定時溢出時間確定，使用十分方便靈活。 串口控制寄存器 輸入：在(REN)=1 時，串行口采樣 RXD 引腳，當采樣到 1 至 O 的跳變時，確認 是串行發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)的開始位 0，從而開始接收一幀數(shù)據(jù)。只有當 8 位數(shù)據(jù) 接收完，并檢測到高電平停止位后，只有滿足(R1)=0；(SM2)=0 或接收到的 第 9 位數(shù)據(jù)為 1 時，停止位才進入 RB8，8 位數(shù)據(jù)才能進入接收寄存器，并由硬 件置位中斷標志 RI；否則信息丟失。所以在方式 1 接收時，應先用軟件清零 RI 和 SM2 標志。 1. 方式 2 方式 2 為固定波特率的 11 位 UART 方式。它比方式 1 增加了一位可程控為 1 或 0 的第 9 位數(shù)據(jù)。 輸出：發(fā)送的串行數(shù)據(jù)由 TXD 端輸出一幀信息為 11 位，附加的第 9 位來自 SCON 寄存器的 TB8 位，用軟件置位或復位。它可作為多機通訊中地址數(shù)據(jù)信 息的標志位，也可以作為數(shù)據(jù)的奇偶校驗位。當 CPU 執(zhí)行一條數(shù)據(jù)寫入 SUBF 的 指令且 TI=0 時，就啟動發(fā)送器發(fā)送。發(fā)送一幀信息后，置位中斷標志 TI。 輸入：在(REN)=1 時，串行口采樣 RXD 引腳，當采樣到 1 至 O 的跳變時，確 認是串行發(fā)送來的一幀數(shù)據(jù)的開始位 0，從而開始接收一幀數(shù)據(jù)。在接收到附 加的第 9 位數(shù)據(jù)后，當滿足(RI)：0；(SM2)=0 或接收到的第 9 位數(shù)據(jù)為 1 時，第 9 位數(shù)據(jù)才進入 RB8，8 位數(shù)據(jù)才能進入接收寄存器，并由硬件置位中 斷標志 Ri；否則信息丟失。且不置位 RI。 2. 工作方式 3 方式 3 為波特率可變的 11 位 UART 方式。除波特率外，其余與方式 2 相同。 波特率的選擇 如前所述，在串行通訊中，收發(fā)雙方的數(shù)據(jù)傳送率(波特率)要有一定的 約定。在 MCS-51 串行口的四種工作方式中，方式 0 和 2 的波特率是固定的，而 方式 1 和 3 的波特率是可變的，由定時器 T1 的溢出率控制。 1方式 O 方式 0 的波特率固定為主振頻率的 1/12。 2方式 2 方式 2 的波特率由 PCON 中的選擇位 SMOD 來決定，可表示為：波特率 =2sMoDfosc64 也就是當 SMOD=1 時，波特率為 132fosc，當 SMOD=0 時， 波特率為 164fosc。 3方式 1 和方式 3 定時器 T1 作為波特率發(fā)生器，其公式如下： 波特率=2SMOD32定時器 T1 溢出率 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） T1 溢出率=T1 計數(shù)率產(chǎn)生溢出所需的周期數(shù) 式中 T1 計數(shù)率取決于它工作在定時器狀態(tài)還是計數(shù)器狀態(tài)。 當工作于定 時器狀態(tài)時，T1 計數(shù)率為 Fosc/2：當工作于計數(shù)器狀態(tài)時，T1 計數(shù)率為外部輸 入頻率，此頻率應小于 Fosc/24。產(chǎn)生溢出所需周期與定時器 T1 的工作方式、 T1 的預置值有關。 定時器 T1 工作于方式 O：溢出所需周期數(shù)=8192- 定時器 T1 工作于方式 1：溢出所需周期數(shù)=65536-X 定時器 T1 工作于方式 2：溢出所需周期數(shù)=256-X 因為方式 2 為自動重裝入初值的 8 位定時器計數(shù)器模式，所以用它來 做波特率發(fā)生器最恰當。這種方式下，T1 的溢出率次秒計算式可以表示為： T1 溢出率=Fsoc12256-X 二、串口通訊的簡介 串口通訊對單片機而言意義重大，不但可以實現(xiàn)將單片機的數(shù)據(jù)傳輸 到計算機端，而且也能實現(xiàn)計算機對單片機的控制。由于其所需電纜線少，接線 簡單，所以在較遠距離傳輸中，得到了廣泛的運用。 （一）波特率選擇 波特率（Boud Rate）就是在串口通信中每秒能夠發(fā)送的位數(shù) （bits/second） 。 MCS-51 串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計算方法。 其中，模式 0 和模式 2 波特率計算很簡單，請同學們參看教科書；模式 1 和模式 3 的波特率選擇相同， 故在此僅以工作模式1 為例來說明串口通信波特率的選擇。 在串行端口工作于模式 1，其波特率將由計時/計數(shù)器 1 來產(chǎn)生，通常 設置定時器工作于模式 2（自動再加模式）。在此模式下波特率計算公式為： 波特率=（1+SMOD）*晶振頻率/（384*（256-TH1） （bits/second） 。 MCS-51 串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計算方法。 其中，模式 0 和模式 2 波特率計算很簡單，請同學們參看教科書；模式 1 和模式 3 的波特率選擇相同， 故在此僅以工作模式1 為例來說明串口通信波特率的選擇。 在串行端口工作于模式 1，其波特率將由計時/計數(shù)器 1 來產(chǎn)生，通常 設置定時器工作于模式 2（自動再加模式）。在此模式下波特率計算公式為： 波特率=（1+SMOD）*晶振頻率/（384*（256-TH1） 根據(jù)波特率取值表，我們知道可以選取的波特率有：1200，2400，4800，9600， 19200。列計數(shù)器重載值，通信誤差如下表： 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 因此，在通信中，最好選用波特率為 1200，2400，4800 中的一個。 (二)通信協(xié)議的使用 通信協(xié)議是通信設備在通信前的約定。單片機、計算機有了協(xié)議這種約定，通信 雙方才能明白對方的意圖，以進行下一步動作。假定我們需要在 PC 機與單片機 之間進行通信，在雙方程式設計過程中，有如下約定： 0xA1：單片機讀取 P0 端口數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)返回 PC 機； 0xA2：單片機從 PC 機接收一段控制數(shù)據(jù)； 0xA3：單片機操作成功信息。 在系統(tǒng)工作過程中，單片機接收到 PC 機數(shù)據(jù)信息后，便查找協(xié)議，完成相應的 操作。當單片機接收到 0xA1 時，讀取 P0 端口數(shù)據(jù)，并將讀取數(shù)據(jù)返回 PC 機； 當單片機接收到 0xA2 時，單片機等待從 PC 機接收一段控制數(shù)據(jù)；當 PC 接收到 0xA3 時，就表明單片機操作已經(jīng)成功。 三、硬件設計 51 單片機有一個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方便地進 行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如計算機的串口是 RS232 電平的，而單片機的串口是 TTL 電平的，兩者之間必須有一個電平轉換電路，我 們采用了專用芯片 MAX232 進行轉換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉換， 但是還是用專用芯片更簡單可靠。我們采用了三線制連接串口，也就是說和計算 機的 9 針串口只連接其中的 3 根線：第 5 腳的 GND、第 2 腳的 RXD、第 3 腳的 TXD。這是最簡單的連接方法，但是對我們來說已經(jīng)足夠使用了，電路如 下圖所示，MAX232 的第 10 腳和單片機的 11 腳連接，第 9 腳和單片機的 10 腳 連接，第 15 腳和單片機的 20 腳連接。 圖 3.1 硬件連接圖 串口通訊的硬件電路如上圖所示為了能夠在計算機端看到單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)， 我 們必須借助一個 WINDOWS 軟件進行觀察， 這里利用如下圖標的一個免費計算機串 口調(diào)試軟件來觀察。 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 圖 3.2 串口調(diào)試助手窗口 SBUF 數(shù)據(jù)緩沖寄存器，這是一個可以直接尋址的串行口專用寄存器。有朋 友這樣問起過“為何在串行口收發(fā)中，都只是使用到同一個寄存器 SBUF？而不 是收發(fā)各用一個寄存器?！睂嶋H上 SBUF 包含了兩個獨立的寄存器，一個是發(fā)送 寄存，另一個是接收寄存器，但它們都共同使用同一個尋址地址99H。CPU 在 讀 SBUF 時會指到接收寄存器，在寫時會指到發(fā)送寄存器，而且接收寄存器是雙 緩沖寄存器，這樣可以避免接收中斷沒有及時的被響應，數(shù)據(jù)沒有被取走，下一 幀數(shù)據(jù)已到來，而造成的數(shù)據(jù)重疊問題。發(fā)送器則不需要用到雙緩沖，一般情況 下我們在寫發(fā)送程序時也不必用到發(fā)送中斷去外理發(fā)送數(shù)據(jù)。操作 SBUF 寄存器 的方法則很簡單， 只要把這個 99H 地址用關鍵字 sfr 定義為一個變量就可以對其 進行讀寫操作了，如 sfr SBUF = 0x99;當然你也可以用其它的名稱。通常在標 準的 reg51.h 或 at89x51.h 等頭文件中已對其做了定義，只要用#include 引用 就可以了。 SCON 串行口控制寄存器通常在芯片或設備中為了監(jiān)視或控制接口狀態(tài)，都會 引用到接口控制寄存器。SCON 就是 51 芯片的串行口控制寄存器。它的尋址地址 是 98H，是一個可以位尋址的寄存器，作用就是監(jiān)視和控制 51 芯片串行口的工 作狀態(tài)。51 芯片的串口可以工作在幾個不同的工作模式下，其工作模式的設置 就是使用 SCON 寄存器。它的各個位的具體定義如下： 表 31串行口控制寄存器 SCON （MSB）（LSB） SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI SM0、SM1 為串行口工作模式設置位，這樣兩位可以對應進行四種模式的設置。 看表 32 串行口工作模式設置。 表 32串行口工作模式設置 SM0SM1模式功能波特率 000同步移位寄存器fosc/12 0118 位 UART可變 1029 位 UARTfosc/32或 fosc/64 1139 位 UART可變 在這里只說明最常用的模式 1，其它的模式也就一一略過，有興趣的朋友可以找 相關的硬件資料查看。 表中的 fosc 代表振蕩器的頻率， 也就是晶振的頻率。 UART 為(Universal Asynchronous Receiver）的英文縮寫。 SM2 在模式 2、模式 3 中為多處理機通信使能位。在模式 0 中要求該位為 0。 REM 為允許接收位，REM 置 1 時串口允許接收，置 0 時禁止接收。REM 是由軟 件置位或清零。如果在一個電路中接收和發(fā)送引腳 P3.0,P3.1 都和上位機相連， 在軟件上有串口中斷處理程序， 當要求在處理某個子程序時不允許串口被上位機 來的控制字符產(chǎn)生中斷，那么可以在這個子程序的開始處加入 REM=0 來禁止接 收，在子程序結束處加入 REM=1 再次打開串口接收。大家也可以用上面的實際 源碼加入 REM=0 來進行實驗。 TB8 發(fā)送數(shù)據(jù)位 8，在模式 2 和 3 是要發(fā)送的第 9 位。該位可以用軟件根據(jù)需要 置位或清除，通常這位在通信協(xié)議中做奇偶位，在多處理機通信中這一位則用于 表示是地址幀還是數(shù)據(jù)幀。 RB8 接收數(shù)據(jù)位 8，在模式 2 和 3 是已接收數(shù)據(jù)的第 9 位。該位可能是奇偶位， 地址/數(shù)據(jù)標識位。 在模式 0 中， RB8 為保留位沒有被使用。 在模式 1 中， 當 SM2=0， RB8 是已接收數(shù)據(jù)的停止位。 TI 發(fā)送中斷標識位。在模式 0，發(fā)送完第 8 位數(shù)據(jù)時，由硬件置位。其它模式 中則是在發(fā)送停止位之初，由硬件置位。TI 置位后，申請中斷，CPU 響應中斷據(jù) 寫入到 SBUF 后，硬件發(fā)送數(shù)據(jù)，中斷響應（如中斷打開），這時 TI=1，表明發(fā) 送已完成，TI 不會由硬件清除，所以這時必須用軟件對其清零。 RI 接收中斷標識位。在模式 0，接收第 8 位結束時，由硬件置位。其它模式中 則是在接收停止位的半中間， 由硬件置位。 RI=1， 申請中斷， 要求 CPU 取走數(shù)據(jù)。 但在模式 1 中，SM2=1 時，當未收到有效的停止位，則不會對 RI 置位。同樣 RI 也必須要靠軟件清除。 常用的串口模式 1 是傳輸 10 個位的，1 位起始位為 0,8 位數(shù)據(jù)位，低位在先， 1 位停止位為 1。它的波特率是可變的，其速率是取決于定時器 1 或定時器 2 的 定時值（溢出速率）。AT89C51 和 AT89C2051 等 51 系列芯片只有兩個定時器， 定時器 0 和定時器 1，而定時器 2 是 89C52 系列芯片才有的。 波特率在使用串口做通訊時，一個很重要的參數(shù)就是波特率，只有上下位機 的波特率一樣時才可以進行正常通訊。 波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟?特位數(shù)。有一些初學的朋友認為波特率是指每秒傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，如標準 9600 會 被誤認為每秒種可以傳送 9600 個字節(jié)， 而實際上它是指每秒可以傳送 9600 個二 進位， 而一個字節(jié)要 8 個二進位，如用串口模式 1 來傳輸那么加上起始位和停止 位，每個數(shù)據(jù)字節(jié)就要占用 10 個二進位，9600 波特率用模式 1 傳輸時，每秒傳 輸?shù)淖止?jié)數(shù)是 960010960 字節(jié)。 51 芯片的串口工作模式0 的波特率是固定的， 為 fosc/12，以一個 12M 的晶振來計算，那么它的波特率可以達到 1M。模式 2 的波特率是固定在 Fosc/64 或 Fosc/32， 具體用那一種就取決于 PCON 寄存器中的 SMOD 位，如 SMOD 為 0，波特率為 Focs/64,SMOD 為 1， 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 波特率為 Fsoc/32。模式 1 和模式 3 的波特率是可變的，取決于定時器 1 或 2 （52 芯片） 的溢出速率。那么我們怎么去計算這兩個模式的波特率設置時相關的寄存 器的值呢？可以用以下的公式去計算。 波特率（2SMOD32）定時器 1 溢出速率 上式中如設置了 PCON 寄存器中的 SMOD 位為 1 時就可以把波特率提升 2 倍。 通常會使用定時器1工作在定時器工作模式2下， 這時定時值中的TL1做為計數(shù)， TH1 做為自動重裝值，這個定時模式下，定時器溢出后，TH1 的值會自動裝載 到 TL1，再次開始計數(shù)，這樣可以不用軟件去干預，使得定時更準確。在這個定 時模式 2 下定時器 1 溢出速率的計算公式如下： 溢出速率（計數(shù)速率）/(256TH1) 上式中的“計數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關， 在 51 芯片中定時器啟動 后會在每一個機器周期使定時寄存器 TH 的值增加一，一個機器周期等于十二個 振蕩周期， 所以可以得知 51 芯片的計數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的 1/12， 一個12M 的晶振用在 51 芯片上，那么 51 的計數(shù)速率就為 1M。通常用 11.0592M 晶體是 為了得到標準的無誤差的波特率，那么為何呢？計算一下就知道了。如我們要得 到 9600 的波特率，晶振為 11.0592M 和 12M，定時器 1 為模式 2，SMOD 設為 1， 分別看看那所要求的 TH1 為何值。代入公式： 11.0592MHz 時：9600(232)(11.0592M/12)/(256-TH1) TH1250/看看是不是和上面實例中的使用的數(shù)值一樣？ 12MHz 時：9600(232)(12M/12)/(256-TH1) TH1249.49 上面的計算可以看出使用 12M 晶體的時候計算出來的 TH1 不為整數(shù)，而 TH1 的 值只能取整數(shù)，這樣它就會有一定的誤差存在不能產(chǎn)生精確的 9600 波特率。當 然一定的誤差是可以在使用中被接受的，就算使用 11.0592M 的晶體振蕩器也會 因晶體本身所存在的誤差使波特率產(chǎn)生誤差， 但晶體本身的誤差對波特率的影響 是十分之小的，可以忽略不計。 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 圖 3.3 使用 MAX232 串口通信電路圖（9 孔串口接頭） 四、程序設計 主數(shù)函 /* * 文件名： 串口通信.c * 描述:該文件實現(xiàn)了 串口通信的試驗。通過數(shù)碼來顯示當前的按鍵值。 * 創(chuàng)建人： 鄭權 田野 龐旭超 * 版本號： 1.0 * / #include #include #include “hanshu.h“ 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） /* * * 名稱 : Main() * 功能 : 主函數(shù) * 輸入 : 無 * 輸出 : 無 * */ void Main(void) uchar Key_Value;/讀出的鍵值 init(); while(1) P1 = 0xf0; if(P1 != 0xf0) Delay_1ms(15);/按鍵消抖 if(P1 != 0xf0) Key_Value = Keyscan(); ES = 0; SBUF = Key_Value; while(!TI); TI = 0; ES = 1; display(Rec_key); 4.2 串口通訊程序 #ifndef hanshu_h_ #define hanshu_h_ #define uint unsigned int #define uchar unsigned char uchar code table10 = 張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文） 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; uchar Rec_key; /* * 名稱 : init() * 功能 : 串口初始化函數(shù) * 輸入 : 無 * 輸