51单片机与PC的RS232接口串行通信实现研究-

1、51单片机与PC的RS232接口串行通信实现研究 目录一概述 .41.1 弓 |.41.2设计目的和意义 .4二 方案功能详述及论证.52. 1方案功能详述 .52. 1. 1总体功能设计 .52. 1. 2具体功能模块设计 .522方案论证 .5三系统硬件设计 .93.1选用设备和设计总框图 .93.2 串行接口通信硬件线路图.93. 3电源电路.113.4主要芯片说明.113. 4. 1 单片机 AT89C51 概述.113. 4.2 MAX232芯片简介： .143.4.3 RS232串行接口简介.16四系统软件设计.184.1波特率的设置.184. 2系统软件设计参考程序如下.194.

2、 3系统软件仿真. 204. 4系统程序流程图. 22五结论与展望.23参考文献.23摘要本文设计了一种采用51系列单片机 与采用了 MAX232芯片的PC通过标准的RS232接口实现 串行通信的功能。为了使系统所需电缆线少接线简单稳定 可靠工作，采用了零调制三线经济行的连接方式，这是进行 全双工通信所必需的最少线路。应为MCS-51输入输出电平 为TTL电平，而PC配置的是RS-232标准接口，二者的 电气规范不同，所以要加电平转换电路。本文采用了 MAX232 芯片的PC和51单片机串行接口电路，与PC相连采用9 芯标准插座。在本文描述的系统中，硬件线路图根据本次 设计的要求，采用CAD制

3、图软件绘制，流程图采用Word和 Photoshop软件绘制。本次设计的特色在于采用了零调制三 线经济型连接电路，该电路的优点是成本低、电路简单。 关键词：单片机；PC机；串行通信；数据交换一概述11 引言当今，串口的应用始于1960,RS-232的初始版本于1969得到认证。其标准主要适用于通信设备如电话调制解 调器，串行接口称为COM 口。目前串口通信的最大速率， RS-232 是 20Kbps, RS-422/485 是 300Mbpso 就距离范围 来说，RS-232通常为50英尺，RS-422/485为4000英尺, 当然还可以用中继器进行扩展。一个串行局域网的最大设备 数量为32个

4、，通过中继器这个数值还可以更大，但最大不 能超过所用设备的地址限制通常为256。多年以来，串行 技术与连接设备都得到了很大的发展。串口设备仍有大量应 用，设备电缆和软件的大量库存证明了这一点。毫无疑问， 串行连接仍然是工商业及医疗应用中的广泛标准。12设计 目的和意义(1)设计目的串行通信仅仅使用一条数据线, 就可以将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固 定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信 息，如计算机与计算机、计算机与单片机以及外设之间的远 距离通信(2)设计意义计算机与计算机或计算机与终端 之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由 于串行通讯方式具有使

5、用线路少、成本低，特别是在远程传 输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。在串 行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设 备可以方便地连接起来进行通讯。随着计算机技术尤其是单 片微型机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一 些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控 制。PC机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快 速及灵活的控制特点，通过PC机的RS-232串行接口与外 部设备进行通信，是许多测控系统中常用的一种通信解决方 案。因此如何实现PC机与单片机之间的通讯具有非常重要 的现实意义。二方案功能详述及论证2.1方案功能详述 2.1.1总体功能设计 通

6、过编写单片机侧的串口通信程序， 设置相应的波特率如9600b/so使单片机接收到PC机所发 送的命令后，收到正确的命令后开始将“天净沙秋思”这篇 短文的数据传送到PC机。2.1.2具体功能模块设计本文 论述的单片机与PC机串行口通信包括如下功能模块。（1） 单片机系统模块：实现和PC机通信的串口通信程序。（2） 外围电路模块：实现单片机和PC机之间的串口电平转换。（3）通信程序模块：一方面是单片机的程序，另一方面是PC 机的通信程序。2.2方案论证 本文采取了专用电平转换芯 片MAX232实现PC机与MCS51单片机之间的串行通信方 法。通过对系统的通信方式选择89C51通信波特率的设置, 通

7、信的设置，以及对接口电路的软件和硬件的设计分析，展 示了该电路的实用信。系统还通过（该软件的下载网址是 WWW. wave-cn“伟福51软件仿真器” com）进行编译， 本系统的设计和具体实际应用相结合，系统的安全性、可靠 性及实用性强，操作简单、扩展功能强，设计具有良好的可 行性和可操作性。按照单片机系统的设计方法，这一阶段， 我需要考察实际应用环境的需要，确定单片机与PC机串行 通信系统的整体设计方案。它包括系统的可行性分析、功能 分析、单片机选型以及系统硬软件的分工问题。2. 2.1可行 性分析这次设计是我的毕业设计任务，在指导老师的指导 下和搜集、查阅相关资料、确定单片机系统能达到需

8、要的设 计目标，而且达到目标需要的经济成本没有超出可接收的范 围。2. 2.2系统功能分析单片机以其体积小、价格低、抗 干扰性好等特点，在现在控制系统中常用在操作现场进行数 据采集，以及实现现场控制中。但是由于其数据存储容量和 数据处理能力都较低，所以一般情况下要通过通信手段使它 与PC机相连，把所采集到的数据传送到PC机上，再在PC 机上进行数据处理，充分发挥两者各自的优势。由于单片机 输入、输岀电平是TTL电平，而PC机配置的是RS232 标准串行接口，两者的电气规范不一致，因此要完成单片机 与PC机的数据通信，必须对单片机输出的TTL电平进行 电平转换。单片机和PC的串口通信原理方案如图

9、2-1所 示。图2-1串口通信原理方案2.2.3单片机选型 单片机 的选型的依据为，应用系统本身对数据处理能力的要求，以 及是否有其他方面的特殊需要（低功耗、工作温度、接口电 路）的原则来确定。在此，本人选择Intel公司的MCS-51 系列单片机中的8051单片机。MCS-51系列的单片机是 Intel公司在1980年推出的8位机系列，8051为这一系 列的代表产品。8051单片机内部包括8位CPU、4KB片内 ROM、128KB片内RAM、4个8位并口、一个全双工的串口， 支持64KB寻址空间，并提供5个中断源和两级中断。其 性能指标如表2-lo表2-1 MCS-51系列单片机8051的

10、性能指标单片机片内片内1/计串行DM A/中空闲 和掉ROM ROM 0数口 AD断 电方式类型 型号(KB) (KB) 并器源 口 ROM 8051 4 128 4 2 16 UART无无5无以 上我选用的单片机的种类和型号，取决于对该类型号的熟悉 程度以及手头所具备开发系统的条件。而在第六章我用单片 机实验板对系统软件进行调试所用到的单片机是 STC89C52RC,其特点是可以直接用串口进行ISP编程，对 于使用就变得很简单了，我在这里作一个说明。2. 2.4系统 硬软件的功能设计对系统的各项功能进行划分，确定软件 和硬件的分工问题，根据图2-1单片机和PC的串口通信 原理方案，实现该方案

11、需要从通信协议(串行通信总线标准 接口)、硬件电路和程序3个方而考虑。1)通信协议标 准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通 用化，借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备很 容易实现它们之间的串行通信连接。标准异步串行通信接口 有以下几类:RS-232C、RS-232E、RS-449、20mA 电流环、 USB通用接口。根据协议的广泛性和此次设计为短距离通 信，并且PC机配置的是RS232标准串行接口等条件。标准接口即通信协议采用基本的RS-232,但是在具体运用上 可以根据实际的需要进行变化。例如，当对传输的数据要求 不高时，可以采用无奇偶检验的10位数据，而需要数据稳

12、定性时，可以采用软件握手的方法。根据单片机对串口的 使用还有初始化串口的要求，其通信协议也需要结合单片机的信号和在实际使用中的通信方式而定。2）硬件电路 如 图2-1所示，数据通信的硬件上采用3线制，将单片机和 PC串口的3个引脚（TXD、RXD、GND）分别连在一起，即 将PC机和单片机的发送数据线TXD与接收数据线RXD 交叉连接，两者的地线GND直接相连，而其他信号线如握 手信号线均不用，采用软件握手的方式。这样既可以实现预 定的任务又可以简化电路设计。但由于单片机的TTL逻辑 电平和RS-232的电气特性完全不同，RS-232的逻辑0电 平规定为515V之间，逻辑1电平为-5-15V之

13、间，因此在 将PC机和单片机的TXD和RXD交叉连接时必须进行电 平转换，这里我选用的是MAX232电平转换芯片。3）传输 程序单片机和PC的通信，在程序上涉及两个部分的内容: 一方面是单片机的C51程序或者汇编程序，完成数据的收 发。二是PC机的串口通信程序和界面的编制。2. 2.5本章 小结 经过这一阶段的设计，已经有比较成型的系统设计框 架，对软硬件系统的分工有较明确的方案。现在总结如下： 1）确定单片机与PC机串行数据通信系统的通信方案，如 图2-1；2）选择Intel公司的MCS-51系列单片机中的8051实验板对系统软件进行调试所用到的单片机是 STC89C52RC； 3串行通信总

14、线标准接口采用RS-232C；4）串行数据通信的硬件上采用3线制，选用的是MAX232芯 片进行单片机与RS-232接口的电平转换；5）单片机端用 C51程序或者汇编程序进行编程，完成数据的收发，PC机 端完成串口通信程序和界面的编制。此时，可以开始进行 系统的硬件设计工作了。三系统硬件设计3.1选用设备和 设计总框图本系统选用8051 (4KB EPROM)单片机一片， MAX232芯片的PC 一台、连线若干进行设计。系统总框图 如图3.1所示。图3.1系统总框图从设计方框图中可以 看岀用此方案设计的系统由电源电路、MAX232串行接口电 路、单片机外围电路、LED显不电路。单片机能够接收P

15、C 机所发送的命令，收到正确的命令后开始将待发送的数据传 送到PC机。向PC通信传送一首诗歌或者短文。3.2串行 接口通信硬件线路图串行接口硬件线路图如图3.2所示。 图3.2串行接口硬件线路图本设计的串行通信部分主要 是由MAX232电平转换电路，其原理是：MAX232芯片把单片 机引脚的COMS电平(05V)转换为RS232电平(-12V 12V) , AT89S52单片机有一个全双工的串行通信口，而PC 机有一个RS232的通信接口。只要用RS232 D型9针的 引脚的双边母头接到PC机上，而另一头和MAX232相连 接，MAX232的输岀再和AT58S52相连就可以实现单片机和 PC机

16、的串行通信1。AT89S52的串行通信引脚的TXD和 RXD分别接到MAX232具体连线如上图3.2所示，的T1IN 和T10UT上，3 MAX232的R10UT和R1IN分别接到 RS232的2、上，RS232的5脚接地。MAX232外围元件只 有四个电容，根据MAX232的典型应用电路，可取10uF / 50V的电解电容。单片机外围电路由LED显示电路、晶振 电路组成。3. 3电源电路 电源电路如图3. 3所示。U17 12 Vin 5V 1 GND T1 LM7805 J4AC220V 4 2 C21 C22 5V D1-D43 C23 1 2 TRANS 1 0. In F 2200

17、nF 47uF 3 图 3. 3 电源 电路电源电路是整个系统工作的能量来源，主要由变压器、 桥式整流电路、滤波电容电路、低功率三端稳压器LM7805 等组成。上图中我们设计的是系统中所需的5V的电源。其 工作原理是变压器把市电220V的交流电降压为低压交流 电，通过桥式整流电路把低压交流整流为含有脉动和谐波成 份的直流电，再通过滤波电容把其中含有的脉动的交流成份 滤出，就成为平缓的直流电，直流电压不够稳定，它再通过 三端稳压器LM7805把电压稳定在一个基本不变的数值上， LM7805输出的稳定的电压就可以作系统的电源用了。3.4主 要芯片说明3. 4. 1单片机AT89C51概述:1. M

18、CS-51单片 机的特点MCS-51单片机包含中央处理器、程序存储器ROM、 数据存储器RAM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断 系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总 线，他们的特点：(1)面向控制的8位中央处理器(CPU)(2)具有布尔处理(即位处理)能力(3) 64KB程序存储 器空间(4) 64KB数据存储器空间(5) 4KB片内程序存 储器(EPROM) (6) 128B内部数据存储器(RAM) (7) 一组特殊功能寄存器（SFR） （8） 32根双向并可按位寻址 的I/O 口线（9） 2个16位定时器/计数器（10） 5个 中断源两个外中断、两个定时/计数器中断

19、和一个串行中断（11） 一个全双功异步串行口 （12）片内振荡器和时钟电 路2. MCS-51单片机的结构下图是MCS-51系列单片机的 内部结构示意图，如图3.4所示。图3.4 MCS-51结构框 图3. MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的 803K 8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结 构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线 两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个 I/O 口，中断口线与P3 口线复用。现在我们对这些引脚的 功能加以说明：图3. 5 MCS-51引脚示意图（1）主电源 引脚Vcc和Vss VCC （40脚）：接5

20、 V电源正端VSS （20 脚）：接5V电源地端。（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1C19脚）：接外部石英晶体的一端。在单片机内部它 是一个反相放大器的输入端这个放大器构成了片内振荡 器。XTAL2 （18脚）：接外部晶体的另一端。在单片机内 部 接至片内振荡器的反相放大器的输岀端。（3） RST/VPD（9脚）：RST即为RESET VPD为备用电源 所以该引脚为 单片机的上电复位或掉电保护端。VPD是备用电源输入端, 当单片机掉电或电源发生波动导致电源电压下降到一定值 时，备用电源通过VPD端给内部RAM供电，保持其中的信 息，直至单片机工作电压恢复正常。（4） ALE

21、30脚：当 访问外部存储器时ALE （允许地址锁存信号）以每机器周期 两次的信号输出用于锁存出现在P0 口的低8位地址， 的功能是8751等片内含有ROM器件的编程脉冲输入端。（5）/PSEN（29脚）：片外程序存储器读选通信号输岀端 低 电平有效。（6） /VPP （31脚）：为访问外部程序存储器 控制信号低电平有效。VPP是编程电源输入端。（7）P0 口（39 脚32 脚）:P0.0P0.7 统称为 P0 口。（8） P1 口 （1脚8脚）：P1OP17统称为P1 口可作为准双向 I/O接口使用。（9） P2 口（21脚28脚）：P20P27 统称为P2 口 一般可作为准双向I/O接口。

22、（10） P3 口（10脚17脚）:P3. 0P3.7统称为P3 口。8751的 复位方式可以是自动复位，也可以是按钮复位。如下图3.5, 图3.5所示。图3.6上电复位电路图3.7按键复位电路 单片机进入复位状态的条件是：在内部振荡器运行时，使复 位输入端RESET至少保持两个机器周期（24个振荡周期） 为高电平，由CPU采样复位信号，启动复位时序，完成复 位操作。3.4.2 MAX232芯片简介：图38 MAX232芯片结 构框图RS232接口芯片MAX232, SOP封装主要有以下型 号：MAX232CSE、MAX232ESE。后缀第一个字母如果为， 代表工业级。后缀第，代表商业级，如果为“E”二个字 母带“S” ,代表SOP封装。后缀最后一个字母带的:表示无铅产品。特殊说明：带“A”的MAX232A,有 MAX232ACSE、MAX232AESE,它们使用的是0. luF外部电容， 最高速率200kbpso而MAX232使用的是luF外部电容， 最高速率 120kbpso 3. 4. 3 MAX232 芯片简介：图 3. 9 RS232 接口图针脚、定义、符号：1载波检测DCD2接收数据RXD 3发送数据TXD 4数据终端准备好DTR 5信号地SG 6数 据准备好DSR 7请求发送RTS 8清除发送CTS 9