51單片機串口通信原理與應用

這節(jié)我們主要講單片機上串口的工作原理和如何通過程序來對串口進行設置，以及根據所給出的實例實現與PC 機通信。

一、原理簡介

51 單片機內部有一個全雙工串行接口。什么叫全雙工串口呢?一般來說，只能接受或只能發(fā)送的稱為單工串行;既可接收又可發(fā)送，但不能同時進行的稱為半雙工;能同時接收和發(fā)送的串行口稱為全雙工串行口。串行通信是指數據一位一位地按順序傳送的通信方式，其突出優(yōu)點是只需一根傳輸線，可大大降低硬件成本，適合遠距離通信。其缺點是傳輸速度較低。

與之前一樣，首先我們來了解單片機串口相關的寄存器。

SBUF 寄存器：它是兩個在物理上獨立的接收、發(fā)送緩沖器，可同時發(fā)送、接收數據，可通過指令對SBUF 的讀寫來區(qū)別是對接收緩沖器的操作還是對發(fā)送緩沖器的操作。從而控制外部兩條獨立的收發(fā)信號線RXD(P3.0)、TXD(P3.1)，同時發(fā)送、接收數據，實現全雙工。

串行口控制寄存器SCON(見表1) 。

表1 SCON寄存器

表中各位(從左至右為從高位到低位)含義如下。

SM0 和SM1 ：串行口工作方式控制位，其定義如表2 所示。

表2 串行口工作方式控制位

其中，fOSC 為單片機的時鐘頻率;波特率指串行口每秒鐘發(fā)送(或接收)的位數。

SM2 ：多機通信控制位。 該僅用于方式2 和方式3 的多機通信。其中發(fā)送機SM2 = 1(需要程序控制設置)。接收機的串行口工作于方式2 或3，SM2=1 時，只有當接收到第9 位數據(RB8)為1 時，才把接收到的前8 位數據送入SBUF，且置位RI 發(fā)出中斷申請引發(fā)串行接收中斷，否則會將接受到的數據放棄。當SM2=0 時，就不管第位數據是0 還是1，都將數據送入SBUF，并置位RI 發(fā)出中斷申請。工作于方式0 時，SM2 必須為0。

REN ：串行接收允許位：REN =0 時，禁止接收;REN =1 時，允許接收。

TB8 ：在方式2、3 中，TB8 是發(fā)送機要發(fā)送的第9 位數據。在多機通信中它代表傳輸的地址或數據，TB8=0 為數據，TB8=1 時為地址。

RB8 ：在方式2、3 中，RB8 是接收機接收到的第9 位數據，該數據正好來自發(fā)送機的TB8，從而識別接收到的數據特征。

TI ：串行口發(fā)送中斷請求標志。當CPU 發(fā)送完一串行數據后，此時SBUF 寄存器為空，硬件使TI 置1，請求中斷。CPU 響應中斷后，由軟件對TI 清零。

RI ：串行口接收中斷請求標志。當串行口接收完一幀串行數據時，此時SBUF 寄存器為滿，硬件使RI 置1，請求中斷。CPU 響應中斷后，用軟件對RI 清零。

電源控制寄存器PCON(見表3) 。

表3 PCON寄存器

表中各位(從左至右為從高位到低位)含義如下。

SMOD ：波特率加倍位。SMOD=1，當串行口工作于方式1、2、3 時，波特率加倍。SMOD=0，波特率不變。

GF1、GF0 ：通用標志位。

PD(PCON.1) ：掉電方式位。當PD=1 時，進入掉電方式。

IDL(PCON.0) ：待機方式位。當IDL=1 時，進入待機方式。

另外與串行口相關的寄存器有前面文章敘述的定時器相關寄存器和中斷寄存器。定時器寄存器用來設定波特率。中斷允許寄存器IE 中的ES 位也用來作為串行I/O 中斷允許位。當ES = 1，允許 串行I/O 中斷;當ES = 0，禁止串行I/O 中斷。中斷優(yōu)先級寄存器IP的PS 位則用作串行I/O 中斷優(yōu)先級控制位。當PS=1，設定為高優(yōu)先級;當PS =0，設定為低優(yōu)先級。

波特率計算：在了解了串行口相關的寄存器之后，我們可得出其通信波特率的一些結論：

① 方式0 和方式2 的波特率是固定的。

在方式0 中， 波特率為時鐘頻率的1/12， 即fOSC/12，固定不變。

在方式2 中，波特率取決于PCON 中的SMOD 值，即波特率為：

當SMOD=0 時，波特率為fosc/64 ;當SMOD=1 時，波特率為fosc/32。

② 方式1 和方式3 的波特率可變，由定時器1 的溢出率決定。

當定時器T1 用作波特率發(fā)生器時，通常選用定時初值自動重裝的工作方式2( 注意：不要把定時器的工作方式與串行口的工作方式搞混淆了)。其計數結構為8 位，假定計數初值為Count，單片機的機器周期為T，則定時時間為(256 ?Count)×T 。從而在1s內發(fā)生溢出的次數(即溢出率)可由公式(1)所示：

從而波特率的計算公式由公式(2)所示：

在實際應用時，通常是先確定波特率，后根據波特率求T1 定時初值，因此式(2)又可寫為：

二、電路詳解

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圖1 串行通信實驗電路圖

下面就對圖1 所示電路進行詳細說明。

最小系統(tǒng)部分(時鐘電路、復位電路等)第一講已經講過，在此不再敘述。我們重點來了解下與計算機通信的RS-232 接口電路?？梢钥吹?，在電路圖中，有TXD 和RXD 兩個接收和發(fā)送指示狀態(tài)燈，此外用了一個叫MAX3232 的芯片，那它是用來實現什么的呢?首先我們要知道計算機上的串口是具有RS-232 標準的串行接口，而RS-232 的標準中定義了其電氣特性：高電平“1”信號電壓的范圍為-15V~-3V，低電平“0”

信號電壓的范圍為+3V~+15V?？赡苡行┳x者會問，它為什么要以這樣的電氣特性呢?這是因為高低電平用相反的電壓表示，至少有6V 的壓差，非常好的提高了數據傳輸的可靠性。由于單片機的管腳電平為TTL，單片機與RS-232 標準的串行口進行通信時，首先要解決的便是電平轉換的問題。一般來說，可以選擇一些專業(yè)的集成電路芯片，如圖中的MAX3232。MAX3232 芯片內部集成了電壓倍增電路，單電源供電即可完成電平轉換，而且工作電壓寬，3V~5.5V 間均能正常工作。其典型應用如圖中所示，其外圍所接的電容對傳輸速率有影響，在試驗套件中采用的是0.1μF。

值得一提的是MAX3232 芯片擁有兩對電平轉換線路，圖中只用了一路，因此浪費了另一路，在一些場合可以將兩路并聯(lián)以獲得較強的驅動抗干擾能力。此外，我們有必要了解圖中與計算機相連的DB-9 型RS-232的引腳結構(見圖2)。

圖2 DB-9連接器接口圖

其各管腳定義如下(見表4)。

表4 DB-9型接口管腳定義

三、程序設計

本講設計實例程序如下：

#include AT89X52.h (1)

void Init_Com(void) ( 2)

{

TMOD = 0x20; ( 3)

PCON = 0x00; ( 4)

SCON = 0x50; ( 5)

TH1 = 0xE8; ( 6)

TL1 = 0xE8; ( 7)

TR1 = 1; ( 8)

}

void main(void) ( 9)

{

unsigned char dat; ( 10)

Init_Com(); ( 11)

while(1) ( 12)

程序詳細說明：

(1)頭文件包含。

(2)聲明串口初始化程序。

(3)設置定時器1 工作在模式2，自動裝載初值(詳見第二講)。

(4)SMOD 位清0，波特率不加倍。

(5)串行口工作在方式1，并允許接收。

(6)定時器1 高8 位賦初值。波特率為1200b/s(7)定時器1 低8 位賦初值。

(8)啟動定時器。

(9)主函數。

(10)定義一個字符型變量。

(11)初始化串口。

(12)死循環(huán)。

(13)如果接收到數據。

(14)將接收到的數據賦給之前定義的變量。

(15)將接收到的值輸出到P0 口。

(16)對接收標志位清0，準備再次接收。

(17)將接收到的數據又發(fā)送出去。

(18)查詢是否發(fā)送完畢。

(19)對發(fā)送標志位清0。

四、調試要點與實驗現象

接好硬件，通過冷啟動方式將程序所生成的。hex文件下載到單片機運行后，打開串口調試助手軟件，設置好波特率1200，復位單片機，然后在通過串口調試助手往單片機發(fā)送數據(見圖3)，可以觀察到在接收窗口有發(fā)送的數據顯示，此外電路板上的串行通信指示燈也會閃爍，P0 口所接到LED 燈會閃爍所接收到的數據。

圖3 串口軟件調試界面

另外串口調試助手軟件使用時應注意的是，如果單片機開發(fā)板采用串口下載而且和串口調試助手是使用同一串口，則在打開串口軟件的同時不能給單片機下載程序，如需要下載，請首先點擊“關閉串口”，做發(fā)送實驗的時候，注意如果選中16 進制發(fā)送的就是數字或者字母的16 進制數值，比如發(fā)送“0”，實際接收的就應該是0x00，如果不選中，默認發(fā)送的是ASCII 碼值，此時發(fā)送“0”，實際接收的就應該是0x30，這點可以通過觀察板子P0 口上的對應的LED 指示出來。

五、總結

本講介紹了單片機串口通信的原理并給出了實例，通過該講，讀者可以了解和掌握51 單片機串口通信的原理與應用流程，利用串口通信，單片機可以與計算機相連，也可以單片機互聯(lián)或者多個單片機相互通信組網等，在實際的工程應用中非常廣泛。從學習的角度來說，熟練的利用串口將單片機系統(tǒng)中的相關信息顯示在計算機上可以很直觀方便的進行調試和開發(fā)。