基于Proteus单片机与PC机的串行通信设计

1、基于proteus单片机与pc机的串行通信设计 引言串行通信技术长久以来一直稳定地应用在it和工业通信领域。随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能将越来越重要。而如今，计算机串行通信发展的更是日新月异。it网络和工业控制自动化正进入到一个全新的应用发展阶段。现在，人们可以在任何地方的银行atm机器上取钱，可以在许多商场进行信用卡消费；交通警察可以通过监视器掌控超速车辆的车牌号、了解道路交通的拥塞状况；气象学家可以通过卫星获取无人值守地区的气象数据资料通过tcp/ip技术，越来越多的应用将工业控制的距离延展到更广阔的范围。与此同时，随着工业以太网的发展，自动化的工业控制

2、数据采集点与企业的商用信息管理网络无缝地连接起来，让人们真正生活在一个一体化的网络世界中。而单片机技术作为计算机技术的一个重要分支，更是广泛的应用于工业控制、智能化仪表、家用电器、设置电子玩具等各个领域。且由于单片机体积小，系统运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等优点，因此在通信中发挥着越来越大的作用。在一些相对较复杂的单片机应用系统中，仅仅利用单片机资源是不够的，往往需要 单片机系统与计算机协同工作。本文就单片机与pc机之间进行串行通信，给出了硬件结构以及软件的设计方法。有兴趣的读者可以根据自己的需要来扩展从而得到自己需要的系统。1.概述1.1 proteus简介proteus是由英国la

3、bcenter electronics公司开发的eda工具软件。它从1989年出现到现在已经有十多年的历史，在全球广泛使用。该软件是集成了高级原理布图、spice电路仿真、pcb设计以及自动布线的一个完整的电子设计系统。它是一种混合电路仿真工具，包括模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的仿真等3。 proteus安装以后，主要由两个界面组成：ares和isis。前者主要用于pcb自或人工布线及其电路仿真，后者主要采用原理布图的方法绘制电路并进行相应的仿真。除了上述基本应用之外，proteus革命性的功能在于它的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，可以直接在基于原理图的虚拟原型上

4、编程，并实现软件代码级的调试，还可以直接实时动态地模拟按钮、键盘的输入，led、液晶显示的输出，同时配合虚拟工具如示波器、逻辑分析仪等进行相应的测量和观测。 proteus软件的应用范围十分广泛，涉及pcb制版、spice电路仿真、单片机仿真，在最新的6.9版本中又加入了对arm7/lpc2000的仿真。本文主要以单片机的仿真为例，使大家初步了解该软件的强大功能及其在工程实践和实验教学中的重要作用。 proteus软件由isis和ares两个软件构成，其中isis是一款便捷的电子系统仿真平台软件，ares是一款高级的布线编辑软件。isis是一个操作简便且功能强大的原理绘图工具，它整合了spic

5、e的仿真模型，拥有超过8000个元件的庞大库结构。 proteus支持许多通用的微控制器，如pic系列、avr系列、8051系列等；同时它还支持arm、pld及各种外围芯片的仿真，如基于hd44780芯片的字符lcd、ram等；具有单步运行、断点设置等调试功能；能与常用编译器如keilc、iar、proton等协同调试；有直流电流表/电压表、交流电压表/电流表、示波器逻辑分析仪、频率计等虚拟仪器，为仿真中的测量记录提供了方便；支持图形化分析功能，具有频率特性、傅里叶分析等图形方式，可将仿真曲线精美地绘制出来；能和keilc，matlab等软件整和使用，以达到更好的仿真效果。整个屏幕被分成七个区

6、域，最上面是菜单栏，下面接着是工具栏，左侧面就是工具箱；右边很大的区域是编辑窗口，编辑窗口显示你正在编辑的电路原理图；左上方是预览窗口，预览窗口通常显示整个电路图的缩略图。预览窗口的蓝色框标示出了图的边框，同时窗口上的绿色框标出在编辑窗口的中显示的区域。在预览窗口上点击鼠标左键，将会以点击位置为中心刷新编辑窗口；在左下方是对象选择器，对象选择器根据由图标决定的当前状态显示不同的内容。显示对象的类型包括：设备、终端、管脚、图形符号、标注和图形等。在某些状态下，对象选择器有一个pick切换按钮，点击该按钮可以弹出库元件选取窗口。通过该窗口可以选择元件并置入元器件选择器，在今后绘图时使用；工具箱有三

7、部分组成：左边的最下方是元器件旋转工具，有四个按钮，分别是顺时针旋转、逆时针旋转、竖直方向旋转、水平方向旋转，旋转工具的右侧是调试时候的快捷调试按钮。采用proteus仿真软件进行虚拟单片机实验，具有比较明显的优势，如涉及到的实验实习内容全面、硬件投入少、初学者就可自行实验、实验过程中损耗小、与工程实践最为接近等。proteus软件能实验的内容包括软件部分的汇编、c51等语言的调试过程，也包括硬件接口电路中的大部分类型。对同一类功能的接口电路，可以采用不同的硬件来搭建完成，因此采用proteus仿真软件进行仿真实验，克服了用单片机实验中硬件电路固定、不能随意更改、实验内容固定等方面的局限性，可

8、以扩展我们的思路和提高学习兴趣。在传统的单片机试验中，由于硬件电路的固定，也就将单片机的cpu和具体的接口电路固定了下来。proteus所提供的元件库中，大部分可以直接用于接口电路的搭建，同时该软件所提供的仪表，不管在质量还是数量上，都是可靠和经济的，也可以节省因方案不正确所造成的硬件投入的浪费。1.2系统概述利用电平转换器件rs-232实现单片机与pc间的串行通信。本节利用虚拟终端仿真单片机与pc间的串行通信。pc先发送从键盘输入的数据，单片机接收后回发给pc机，双方收发数据是相同的。单片机接收到的30-39h间的数据转换成0-9显示，其他数据直接显示为ascii码。用proteus实现该接

9、口的电路设计和程序设计，并进行实时仿真 1.3设计方案思路本设计以at89c2051作为核心元件，以max232和数码管作为辅助元件，对at89c2051进行编程，利用软件控制硬件，在做硬件之前先利用proteus仿真，待仿真无误后再做实物电路。 1.4研究方向和技术关键1.研究单片机at89c2051内部结构及程序设计方法，理解单片机的工作原理。2.研究现代电子科研和生产的先进技术，掌握proteus仿真技巧。技术关键主要是软件部分，即单片机的技术参数的设置和串口通信的编程。1.5主要技术参数波特率：串行控制寄存器scon是一个特殊功能寄存器，用以设定串行口的工作方式、发送/接收控制以及设置

10、控制状态标志。字节地址为98h，可进行位寻址，其格式为7 6 5 4 3 2 1 0sm0sm1sm2rentb8rb8t1r1字节地址：98hsm0和sm1(scon. 7和scon. 6)：串行口工作方式选择位，可选择4种工作方式，如表1所示10。 表1 串行口工作方式sm0sm1方式说明波特率000移位寄存器fosc/1201110位异步收发器可变10211位异步收发器fosc/64或fosc/3211311位异步收发器可变2.总体设计本设计主要分为三个部分，框图如图1所示。单片机与pc机接口部分单片机数据传输部分驱动与显示部分 图1 主要设计流程图3.硬件设计 3.1系统组成硬件电路主

11、要由at89c2051单片机，max232，七段译码器7447，七段共阳数码管；at89c2051是一个低电压，高性能cmos 8位单片机，片内含2k bytes的可反复擦写的只读flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。 at89c2051是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个双向输入/输出（i/o）端口，其中p1是一个完整的8位双向i/o口，两个外中断口，

12、两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器，其引脚如图2所示。 图2 at89c2051的引脚 max232产品是由德州仪器公司（ti）推出的一款兼容rs232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供tia/eia-232-f电平。 该器件符合tia/eia-232-f标准，每一个接收器将tia/eia-232-f电平转换成5-v ttl/cmos电平。每一个发送器将ttl/cmos电平转换成tia/eia-232-f电平12，引脚如 图3所示。图3 max232引脚图max232串行通信的接法如图4所示。图4 max232与模拟接口的连接电路

13、图七段译码器7447的原理图如图5所示。图5 7447原理图七段共阳数码管原理图如图6所示。图6 七段共阳数码管原理图7seg-bcd-grn数码管与单片机接法如图7所示。图7显示部分的电路图3.2单片机主控电路3.2.1 晶振电路at89c2051单片机的时钟信号通常有两种形式:一是内部时钟方式,另外一种是外部时钟方式。内部时钟方式是在单片机的attaxl1和attaxl2引脚外接石英晶体,就构成了自激振荡并在单片机内部产生时钟脉冲信号1。外部时钟方式是把外步。本设计采用内部时钟方式，可以不受设备条件影响。电路如图8所示。 图8晶振电路3.2.2复位和复位电路时钟电路正常工作以后，在rest

14、输入端出现两个机器周期（大于10ms）以上的高电平，单片机被复位初始化。只要rest输入端保持高电平，单片机将循环复位，在复位有效期间，ale、psen也输出高电平，rest输入端返回低电平以后cpu从0地址开始执行程序。单片机的复位方式通常有上电自动复位和按键复位两种，上电复位原理图如图9.a所示，而图9.b为兼有上电复位和按键复位电路。在本系统设计中采用图9.b上电与按钮复位电路5。图9.a 上电自动复位电路 图9.b上电与按钮复位电路图9 复位电路上电复位工作原理是：通电瞬间，rc电路充电，rest端出现正脉冲，只要rest端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效复位。当振荡频率选用

15、6mhz 、c取22uf、r取1k。在需要人工复位的情况下，按动按钮rest 端出现高电平，便能可靠的复位，此时rs取200、rk取1k5。3.3 总体硬件电路图总体硬件电路图如图10所示。图10 总体硬件电路图4.系统软件设计4.1总体方案本设计以at89c2051作为核心元件，以max232和数码管作为辅助元件，对at89c2051进行编程，利用软件控制硬件，在做硬件之前先利用proteus仿真，待仿真无误后再做实物电路。4.2源程序的设计见附录15.仿真5.1虚拟终端属性设置pcs代表计算机发送数据，pcr用来监视pc接收到的数据，pcs、scmr分别为单片机发送、接收终端，分别监视单片

16、机发送、接收数据，他们的属性设置分别如下图所示。单片机与pc双方的波特率、数据位、停止位、校验位保持一致。scms、scmr平常人终端的rxd脚分别与单片机的txd、rdx及串口模型的2脚相接；pcs终端的txd串口模型的3脚相接。如下图11所示。图11虚拟终端的接法图12为pcs的属性设置：图12 pcs的属性设置图13为scms的属性设置：图13 scms的属性设置图14为pcr的属性设置：图14 pcr的属性设置图15为scmr的属性设置：图15 scmr的属性设置5.2仿真单击按钮，启动仿真。设置pcs虚拟终端的“echo typed characters”,在本虚拟终端上右击，在弹出

17、的框中选中该项。鼠标指针在pcs终端窗口单击，该窗口出现闪烁的光环，从键盘输入“5”，则在pcs虚拟终端中回应为5，表示pc发送数据“5”。按程序设计，单片机接收到“5”，所以单片机接收scmr虚拟终端上显示“5”，并将它显示在数码管上，于是同时，单片机又将该数据回发给pc，所以scms终端也显示“5”，pc机也接收到5，所以pcr终端上同样显示“5”。仿真结果如图16所示。图16 仿真结果6.制作与调试6.1 硬件电路的焊接与调试6.1.1硬件电路的布线本设计的pcb板通过protel99se来完成。首先创建扩展名为ddb的设计文件，打开document文档新建schematic docum

18、ent文件，在此文件里画出本设计的各模块电路图，填好元器件的封装，生成网络表15，然后在document文档新建pcb document文件，装载网络表。装载网络表完成后将各元器件重新布局,让图中的交叉线尽可能的少，以免布线时出现过多的交叉线。然后生成pcb板布线图。本系统电路不是很复杂，采用单面板。然后将其布线图打印到转印纸上，通过转印机的图纸复印到铜板上，经过三氧化铁的腐蚀，即可生成电路板。6.1.2硬件电路的焊接在焊接之前，以硬件电路原理图为参照物，先对电路板进行仔细的检查，防止断线，错线的产生；同时对所有的元器件进行测量，防止有损坏的元器件被使用。在焊接时，应分块焊接，及时测量，保证每

19、个模块均能正常工作，提高电路板制作的成功率。6.1.3几个需要注意的问题(1)在做pcb板装载网络表时发生丢元件错误。例：component r1 not found；这种错误多为封装错误，应该在schematic document文档电路图中修改对应的元件封装。还有一种情况是删除了元件的designator属性。(2)在做pcb板装载网络表时发生找不到接点的错误。例：noder1-2 not found；这种错误为元件引脚标识与元件封装引脚标识不一致，多发生在制作的封装上。(3)在元器件布局过程中，发现元器件的引脚之间该用导线连上的，实际布线时却没有连上，这多为画图问题。画图时元器件与元器件

20、之间要用导线相连，而不要把元器件与元器件引脚放在一起，这样虽然也可以把元器件对应的引脚连接起来，但容易发生此类错误。6.2调试本设计采用软件和硬件结合的方式进行串行数据传送。在电路板检查完好的前提下,重在软件的调试。程序写好后，用keil c编译软件进行编译检查，没有语法错误。再用keil c调试软件对程序进行单步运行，通过各窗口观察程序每一步的执行结果，程序工作正常，程序调试结束。把调试好的程序用top 51编程器写入单片机at89c2051，然后运行整个系统，并修改程序参数使系统能够工作在所需要的状态。结论本系统充分考虑了串行通信的特点，基于先进的单片机技术，采用单片机为核心的实时控制.试

21、验证明，本系统对数据的传输有着很高的可靠性和稳定性。参考文献1 孙涵芳,徐爱卿.单片机原理及应用m.北京:航空航天大学出版社,1996:34 50.2 b.a.artwick.micromputer interfancing. prentice-hall, inc.1980: 77108.3 吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实件与应用m.北京:清华大学出版社，1991:171178.4 buchberger b，collins g ecomputer algebra symbolic and algebraic computationmnew york：springer versa，19

22、98：58765 陈大钦.电子技术基础实验-电子电路实验m.北京:高等教育出版社，2002:385386. 6 谢自美电子线路设计实验测试m武汉：华中科技大学出版社，2000，37397 张迎新.单片机微型计算机原理应用接口技术m.北京:国防工业出版社，2001:8892.8 a.s.sedra and k.c.smith.microelectronic circuits.4th ed.oxford university press, inc,1988: 108112.9 santa clara. microprocessor and petipheral handbook.intel corporation, 1988: 8795.10