单片机与PC 机的通信原理的设计分析

1、【Word版本下载可任意编辑】 单片机与PC 机的通信原理的设计分析 随着系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，单片机的通信功能愈来愈显得重要。单片机通信是指单片机与计算机或单片机与单片机之间的信息交换，通常单片机与计算机之间的通信用的较多。本文以温度检测数据为根底，研究了单片机与 机的及电路的设计。 引言 本文研究的是一种基于串口的温度检测数据收发模块。利用DS18B20 温度传感器设计温度监测模块，到0.1，用液晶显示当前温度，然后通过串口调试助手向单片机发送指令。当单片机收到十六进制指令01时，将当前温度值以1s 为间隔传回PC 机显示，同时PC 机显示Turn on temp;当单片机

2、收到十六进制指令02 时，停止温度值的回传，PC 机显示Turn off temp;当单片机收到其它指令时，PC 机显示Error。 1 总体设计 本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成信息的显示；软件主要完成信号的处理及控制功能等。 本系统的硬件采用模块化设计，以AT89C52 单片机为，与LCD 显示电路、串行口通信电路及DS18B20 温度检测电路组成控制系统。该系统硬件主要包括以下几个模块： AT89C52 主控模块、LCD 显示模块、串行口通信模块、DS18B20 温度检测模块等。其中AT89C52 主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，LCD 显示模块完成字符、

3、数字的显示功能、串行口通信模块主要完成单片机和PC 机之间的通信功能，DS18B20 温度检测模块主要完成环境温度检测功能。系统组成方框图如图1.1 所示。 图1.1系统硬件组成方框图 应用软件采用模块化设计方法。该系统软件主要由主程序、串口接收发送数据中断子程序、LCD 显示子程序等模块组成，系统软件构造框图如图1.2 所示。 图1.2系统软件设计框图 2 系统工作原理 MCS-51 单片机串行口发送/接收数据时，通过2 个串行缓冲器SBUF 开展，这2 个缓冲器采用一个地址（98H），但在物理上是独立的。其中接收缓冲器只能读出不能写入，50 发送缓冲器只能写入不能读出。 1. 发送过程 当

4、数据被写入SBUF 存放器后，单片机自动开始从起始位发送数据，发送到停止位的开始时，由内部硬件将TI 置1,向CPU 申请中断，接下来可在中断服务程序中做相应处理，也可选择不进入中断。 2. 接收过程 串行口的接收与否受制于允许接收位REN 的状态，当REN 被软件置1后，允许接收器接收。串口的接收器以所选波特率的16 倍速对RXD 线开展监视。当1到0跳变时，检测器连续采样到RXD 线上低电平时。便认定RXD 端出现起始位，继而接收控制器开始工作。在每位传送时间的第7、8、9 三个脉冲状态采样RXD 线，决定所接收的值为0或1.当接收完停止位后，控制电路使中断标志R1置为1. 3. 温度检测

5、 温度检测采用DALLAS 单线数字温度传感器DS18B20,DS18B20 是一种新型的一线器件,其体积更小，更适用于多种场合，且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20 是世界上片支持一线总线接口的温度传感器。 温度测量范围为-55+125，可编程为9 位12位转换精度，可分辨温度分别为0.5，0.25，0.125和0.0625。在9 位分辨率时，多在93.75ms 内把温度转换为数字；在12 位分辨率时，多在750ms 内把温度值转换为数字。 3 温度传感器 3.1 温度传感器特性 DALLAS 单线数字温度传感器DS18B20是一种新型的一线器件,

6、其体积更小，更适用于多种场合，且适用电压更宽、更经济。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20 是世界上片支持一线总线接口的温度传感器。温度测量范围为-55+125，可编程为9 位12 位转换精度，可分辨温度分别为0.5，0.25，0.125和0.0625。在9 位分辨率时，多在93.75ms 内把温度转换为数字；在12 位分辨率时，多在750ms内把温度值转换为数字。DS18B20的性能特点如下： 1. 独特的单线接口仅需要一个端口引脚开展通信； 2. 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能 3. 无须外部器件； 4. 可通过数据线供电，电压范围为3.

7、05.5V; 5. 零待机功耗； 6. 温度以 9 或12 位数字； 7. 用户可定义报警设置； 8. 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 9. 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作； DS18B02 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1 脚接地，2 脚作为信号线，3 脚接电源。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET 管来完成对总线的上拉。 当 DS18B20 处于写存储器操作和温度A/D 转换操作时，总线上必须有强的上

8、拉，上拉开启时间为10us.采用寄生电源供电方式时VDD 端接地。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的。 图 3.1 DS18B20 引脚图 3.2 工作时序图 1. 初始化 图 3.2 初始化时序图 1）先将数据线置高电平1;2） 延时（该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一些）；3） 数据线拉到低电平0;4） 延时 750us（该时间范围可以在480960us）；5） 数据线拉到高电平1;6）延时等待。如果初始化成功则在1560ms内产生一个由DS18B20 返回的低电平0,据该状态可以确定它的存在。但是要注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要开展超时判断；7） 若

9、 CPU 读到数据线上的低电平0 后，还要开展延时，其延时时间从发出高电平算起少要480us;8）将数据线再次拉到高电平后结束。 2. DS18B20 写数据 图3.3 写数据时序图 1） 数据线先置低电平0; 2）延时确定的时间为15us; 3） 按从低位到高位的顺序发送数据（只发送一位）； 4） 延时时间为 45us; 5） 将数据线拉到高电平1; 6） 重复 1）到5）步骤，直到发送完整个字节； 7）将数据线拉高到1. 3. DS18B20 读数据 图3.4 读数据时序图 1）将数据线拉高为1; 2） 延时 2us ; 3） 将数据线拉低0 ; 4） 延时 6us ; 5） 将数据线拉高

10、1 ; 6）延时 4us ; 7） 读数据线的状态得到1 个状态位，并且开展数据处理； 8） 延时 30us ; 9） 重复 1）到7）步，知道读取完一个字节。 4 硬件设计 4.1 时钟电路及复位电路 1.时钟电路 时钟电路可以产生CPU 校准时序，是单片机的控制，本次设计是通过外接12MHz的晶振来实现时钟电路的时序控制。在使用片内振荡器时，XTAL1 和XTAL2 分别为反向放大器的输入端和输出端。外接晶体以及电容C3 和C5 构成并联谐振电路，接在放大器的反应回路中。当用外部时钟驱动时，XTAL2引脚应悬空，而由XTAL1引脚上的信号驱动，外部振荡器通过一个2 分频的触发器而成为内部时

11、钟信号，故对外部信号的占空比没有什么要求，但和的高电平持续时间和低电平持续时间应符合技术要求。电路如图4.1 所示。 图 4.1晶振电路 2.空闲方式 在空闲方式下，CPU 的内部时钟信号被门控电路所封锁，CPU 即进入睡眠状态，但内部时钟信号仍继续供应中断系统，定时器和串行口。这种方式由软件调用。在空闲方式期间，片内RAM和所有专用存放器的状态仍被保存，空闲方式可通过任何允许的中断或硬件复位来终止。当空闲方式由硬件复位终止时，通常系统在空闲处恢复程序的执行。硬件复位只需要信号持续有效两个机器周期。当用复位终止空闲方式时，为防止防止意外写入端口引脚的可能性，调用空闲方式指令的下一条指令不应是写

12、端口引脚或外部存储器。 3.掉电工作方式 5.2 程序设计 5.2.1 主程序设计 主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能。 1. 初始化。 首先调用 LCD 初始化程序，在LCD 上显示数据RECEIVE:和TEMP is: *C. 然后调用中断及串口初始化子程序程序，把串口接收数据单元RECDATA 清零。设置存放器SCON 的SM0、SM1 位定义串口工作方式，选择波特率发生器为定时器T1;设定定时器T1 工作方式为方式2;设置波特率参数为9600bps;允许串行中断及总中断；允许串口接收数据，定义REN=1;启动定时/计数器T1 工作，定义TR1=1. 2. 串口收发数据。 判断串

13、口成功接收数据标志位flag_UART 是否为0,若flag_uart 为0,说明串口未接收到数据，则继续等待串口接收数据；若flag_uart 为1,说明串口成功接收或发送数据，进入串口中断服务子程序，单片机接收数据，并将串口成功接收数据标志位flag_uart 清零，调用LCD 显示接收数据子程序，在LCD 上显示单片机从 判断串口成功接收数据标志位flag_UART 是否为0,若flag_uart 为0,说明串口未接收到数据，则继续等待串口接收数据；若flag_uart 为1,说明串口成功接收或发送数据，进入串口中断服务子程序，单片机接收数据，并将串口成功接收数据标志位flag_uart

14、 清零，调用LCD 显示接收数据子程序，在LCD 上显示单片机从串口接收到的数据，同时回传温度值给PC机显示。主程序设计流程图如图5.1 所示。 图 5.1 主程序流程图 5.2.2 串口中断服务子程序 判断串口发送标志位TI 是否为1,若TI 为1,则把数据从单片机发给PC 机，并把TI清零，中断子程序返回；若TI为0,说明RI=0,则把串口接收标志位RI清零，把串口接收缓冲器SBUF 中的数据写入串口接收数据单元RECDATA,再把该数据送到串口发送缓冲器SBUF 中，传给PC 机，置串口成功接收数据标志位RECOKBIT 为1,说明串口成功接收发送数据，中断子程序返回。串口收发数据中断服

15、务子程序设计流程图如图5.2 所示。 图5.2 串口中断服务子程序 5.2.3 读温子程序 读出温度子程序的主要功能是读出RAM 中的9 字节，在读出时需开展CRC 校验，校验有错时不开展温度数据的改写。其程序流程图如图5.3 示。 图5.3 读温子程序 5.2.4 温度转换命令子程序 温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12 位分辨率时转换时间约为750ms,在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成。温度转换命令子程序流程图如上图，图5.4 所示。 图5.4 温度转换流程图 5.2.5 计算温度子程序 计算温湿度子程序将RAM 中读取值开展BCD 码的转换运算，并开展

16、温度值正负的判定，其程序流程图如图5.5 所示。 图5.5 计算温度流程图 5.2.6 显示数据刷新子程序 显示数据刷新子程序主要是对分离后的温度显示数据开展刷新操作，当标志位位为1时将符号显示位移入位。程序流程图如图5.6 所示。 6 结论 本系统的硬件采用模块化设计，以AT89C52 单片机为，与LCD 显示电路、串行口通信电路及DS18B20 温度检测电路组成控制系统。该系统硬件主要包括以下几个模块： AT89C52 主控模块、LCD 显示模块、串行口通信模块、DS18B20 温度检测模块等。其中AT89C52 主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，LCD 显示模块完成字符、数字的显示

17、功能、串行口通信模块主要完成单片机和PC 机之间的通信功能，DS18B20 温度检测模块主要完成环境温度检测功能。 在掉电方式下，片内振荡器停止工作。调用掉电指令是执行的一条指令。片内RAM 和专用存放器的值被保存，直到掉电方式终止。退出掉电方式只能靠硬件复位。复位后将重新定义所有专用存放器，但不改变RAM 的内容。在VCC 未恢复到正常工作电压之前，不能启动复位，复位信号应保持足够长的时间，以保证振荡器的起振和到达稳定。 为了使单片机正常工作，还需要参加上电复位电路和掉电检测电路。上电复位简要原理： 在系统不需要复位时，RST端是低电平；按下按键，RST端变为高电平。 图 4.2 上电复位电

18、路 AT89C51、晶振电路与上电复位电路共同组成单片机系统，如图4.3 所示。 图 4.3 系统 4.2 温度传感器 图4.4 DS18B20连线图 从图 4.4 可以看出，DS18B20 与单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O 口就可以控制DS18B20.这个图的接法是单片机与一个DS18B20 通信，如果要控制多个DS18B20开展温度采集，只要将所有的DS18B20 的I/O 口全部连接到一起就可以了。 4.3 LCD显示模块 显示电路采用LCD1602 液晶显示屏，P2 作为液晶8 位数据输入端口。P1.0 口作为液晶数据/命令选择端口，P1.1 为液晶使能端口。 图 4.5

19、 LCD 显示模块 4.4 串行口通信模块设计 51 单片机有一个全双工的串行通信口，使单片机和计算机之间可以方便地开展通信。 电平范围是电路能够安全可靠识别信号的电压范围。 CMOS 电路的电平范围一般是从0 到电源电压。CMOS 电平中，高电平（3.55V）为逻辑1,低电平（00.8V）为逻辑0. RS232 接口的电平范围是-15V 到+15V,RS232 电平采用负逻辑，即逻辑1:-3-15V,逻辑0:+3+15V. 单片机的串口是TTL 电平的，而计算机的串口是RS232 电平，要使两者之间开展通信，两者之间必须有一个电平转换电路，即单片机的串口要外接电平转换电路芯片把与TTL兼容的

20、CMOS 高电平表示的1 转换成RS232 的负电压信号，把低电平转换成RS-232 的正电压信号。典型的转换电路给出-9V 和+9V. 本设计中实现逻辑电平转换可以采用MAX232 芯片的转换接口：MAX232 是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232 转换芯片。MAX232 芯片内部有一个电压转换器，可以把输人的+5V 电压转换为RS-232 接口所需的10V 电压，尤其适用于没有12V 的单电源系统。与此原理相同的芯片还有MAX202、AD 公司的ADDt101 以及SIL 公司的IC1232 芯片。 图 4.6 MAX232 芯片引脚 由于 protues仿真时不需开展电平转换，所以仿真时没有用上MAX232 芯片电路，但做实物时需开展电平转换，其硬件连线图如图4.7 所示。MAX232 芯片的T1in 引脚连接AT89C51 单片机的P3.1（TXD）引脚，MAX232 芯片的R