《单片机控制技术项目式课程》（第2版）课件 项目8 单片机通信系统的设计

项目8单片机通信系统的设计了解串行通信的基本知识。了解RS-232C接口。了解MCS-51系列单片机串行口的组成。掌握MCS-51系列单片机串行口的工作原理及应用方法。掌握MCS-51系列单片机串行口工作电路的分析与设计方法。掌握单片机与PC串行口通信系统的设计方法。能熟练编写单片机串行口通信的发送和接收数据的程序。能独立分析和解决硬件设计和软件设计中的问题。能利用团队的力量完成任务，培养团队合作精神。学习目标叙述RS-232C串行通信接口标准；叙述51单片机的串行口工作原理；设计单片机与单片机之间的通信电路和工作软件；设计单片机与PC机之间的通信电路和工作软件。工作任务任务8.1MCS-51单片机之间的串行通信设计任务8.2单片机与计算机通信系统的设计项目拓展STC89C52实验板串口和USB口软件下载的设计项目小结项目8单片机通信系统的设计任务8.1MCS-51系列单片机之间的串行通信设计

CPU与外部的信息交换称为通信。基本的通信方式有两种：并行通信和串行通信8.1.1RS232串行通信标准

8.1.1.1串行通信

并行通信是数据的各位同时发送或同时接收；并行通信优点:传送速度快

缺点:不便长距离传送串行通信优点:便于长距离传送

缺点:传送速度较慢串行通信是数据的各位依次逐位发送或接收。1.串行通信的分类（1）异步通信(AsynchronousCommunication)

异步通信中数据是以字符为单位组成字符帧传送，每一帧数据低位在前，高位在后。发送端和接收端可由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，互不同步。字符帧格式：异步通信的重要指标。接收端依靠字符帧格式来判断发送端发送的开始和结束。优点：对硬件要求较低，实现较简单、灵活，适用于数据的随机发送/接收。缺点：工作速度较低，每个字节都要建立一次同步（额外附加两位）。单片机主要采用异步通信方式。

字符帧(CharacterFrame)也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成。

起始位：位于字符帧开头，只占1位，为逻辑“0”电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。

数据位：D0～D7紧跟起始位之后，用户根据情况可取5～8位，低位在前，高位在后。

奇偶校验位：位于数据位之后，仅占1位，用来表征串行通信中采用奇校验还是偶校验，由用户决定。

停止位：位于字符帧最后，为逻辑“1”电平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已经发送完，也为发送下一帧作准备。图8.1串行异步通信的字符帧格式（a）无空闲位字符帧（b）有空闲位字符帧（2）同步通信(SynchronousCommunication)

同步通信是指在发送设备和接收设备同步时钟频率的情况下，发送设备先发送串行通信数据同步信号给接收设备，接收设备接收到同步信号后，开始进行串行数据块的传送，当串行数据块传送完毕时，发送设备发送结束串行通信同步数据，停止串行通信。优点：数据传输速率较高，通常可达56000b/s或更高。

缺点：要求发送时钟和接收时钟必须保持严格同步。图8.2串行同步通信的数据块格式2.串行通信的波特率(BaudRate)

波特率：每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为b/s，即位/秒。波特率表征数据传输的速度，波特率越高，数据传输速度越快。字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。异步通信的波特率通常为50～9600b/s，同步通信的波特率可达56ｋｂ/ｓ或更高。

3.串行通信方式（制式）

串行通信根据数据传送的方向及时间关系可分为单工、半双工和全双工三种制式。

单工制式（Simplex）单工制式是指甲乙双方通信时只能单向传送数据，发送方和接收方固定。半双工制式（HalfDuplex）半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，既可发送也可接收，但不能同时接收和发送，发送时不能接收，接收时不能发送。全双工制式（FullDuplex）全双工制式指通信双方均设有发送器和接收器，并且信道划分为发送信道和接收信道，因此全双工制式可实现甲乙双方同时发送和接收数据，发送时能接收，接收时也能发送。4.串行通信协议串行通信的格式及约定（如：同步方式、通讯速率、数据块格式、信号电平……等）不同，形成了多种串行通信的协议与接口标准：☞通用异步收发器(UART)——本课程介绍的串口☞通用串行总线（USB）☞I2C总线☞CAN总线☞SPI总线☞RS-485，RS-232C，RS422A标准……等等异步通信的硬件电路称为UART，即通用异步接收器/发送器(UniversalAsychronousReceiver/Transmitter)同步通信的硬件电路称为USRT(UniversalSychronousReceiver/Transmitter)异步和同步通信共用的硬件电路称为USART(UniversalSychronousAsychronousReceiver/Transmitter)8.1.1.2RS-232C简介

RS-232C的全称是EIARS232C标准，EIA（ElectronicIndustryAssociation）代表美国电子工业协会，RS（RecommendedStandard）代表EIA的“推荐标准”，232为标识号。

RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备(DTE)和数据电路终接设备(DCE)之间的电气性能。例如：CRT、打印机与CPU的通信

MCS-51单片机与PC机的通信

RS-232C适用范围：设备间的通信距离不大于15m

传输速率最大为20kb/s

1. RS-232C信息格式标准

RS-232C采用串行格式。标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5、6、7、8位再加一位奇偶校验位。如果两个信息之间无信息，则写“1”，表示空。RS-232C信息格式

2. RS-232C引脚定义

RS-232C接口规定使用25针“D”型口连接器。现在微型计算机通信中，常用的只有9根信号引脚，所以用9针“D”型接口（DB9）连接器替代25针连接器。

DB9连接器的引脚排列插针序号信号名称功能1PGND保护接地2（3）TXD发送数据（串行输出）3（2）RXD接收数据（串行输入）4（7）RTS请求发送RTS（输出）5（8）CTS消除发送CTS（输入）6（6）DSRDCE就绪（数据建立就绪）7（5）SGND信号接地8（1）DCD载波检测20（4）DRTDTE就绪（数据终端准备就绪）22（9）RI振铃指示表8.1RS-232C标准接口主要引脚定义

注：插针序号（）内为９针非标准连接器的引脚号。

3.RS-232C电器特性

RS-232C的电气标准采用负逻辑：

逻辑“0”：+5V～+15V

逻辑“1”：－5V～－15V

注意：RS-232C必须进行电平转换后才能和TTL电平直接相连，否则将把TTL电路烧坏。

RS232与TTL之间的电平转换目前多采用MAX232、MAX220、HIN232等芯片，它们同时集成了RS-232电平与TTL电平之间的互换。第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。TTL/CMOSINPUTS端口：输入TLL或CMOS信号，一般为0-5V，低电平为零,高电平为VCC。TTL/CMOSOUTPUTS端口：输出TLL或CMOS信号，输出电压一般为0-5V，低电平为零，高电平为VCC。RS232OUTPUTS

端口：把TTL或CMOS的信号转为RS232的信号输出，输出为正负12V连接到电脑。RS232INPUTS端口：接收到电脑发出的正负12伏，由RS232输出转为TTL或CMOS信号。MAX232内部有二组RS232转换电路，使用时

11-----14

13----12为一组.10-----7

8----9为一组图8.7MAX232通信接口电路8.1.2MCS-51单片机串行口的工作原理

51单片机内部有一个可编程的全双工的异步串行通信接口，它通过数据接收引脚RXD（P3.0）和数据发送引脚TXD（P3.1）与外设进行串行通信，可以同时发送和接收数据。这个串行口既可以实现异步通信，又可以用于网络通信，还可以作为同步移位寄存器使用。其帧格式有8位、10位和11位，并能设置各种波特率。

1.串行口内部结构串行口包含的特殊功能寄行器有SBUF、SCON、PCON51系列单片机串行口的结构框图（1）串行口数据缓冲器SBUF在逻辑上只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个单元地址99H，用同一寄存器名SBUF。在物理上有两个，一个是发送缓冲寄存器，另一个是接收缓冲寄存器。

发送时，只需将发送数据输入SBUF，CPU将自动启动和完成串行数据的发送；

接收时，CPU将自动把接收到的数据存入SBUF，用户只需从SBUF中读出接收数据。

SBUF=0xFF

启动一次数据发送,可向SBUF

再发送下一个数

P1=SBUF

完成一次数据接收,SBUF可再接收下一个数（2）串行口控制寄存器SCON

SCON用来控制串行口的工作方式和状态，可以位寻址，字节地址为98H。单片机复位时，SCON的所有位全为0。图8.9SCON的各位定义

SM0、SM1：串行方式选择位，其定义如表8.2所示。

表8.2串行口方式的定义

SM2：多机通信控制位，用于方式2和方式3中。在方式2、3处于接收方式时，若SM2=1，且接收到的第9位数据RB8为0，则不激活RI；若SM2=1，且RB8=1，则置RI=1。在方式2、3处于接收或发送方式时，若SM2=0，则不论接收到的第9位RB8为0还是为1，TI、RI都以正常方式被激活。在方式1处于接收时，若SM2=1，则只有当收到有效的停止位后，RI才置1。在方式0中，SM2应为0。

REN：允许串行接收位。它由软件置位或清零。REN=1时，允许接收；REN=0时，禁止接收。

TB8：发送数据的第9位。在方式2和方式3下，TB8由软件置位或复位，可用做奇偶校验位。在多机通信中，TB8可作为区别地址帧或数据帧的标识位：地址帧时TB8为1；数据帧时TB8为0。

RB8：接收数据的第9位。功能同TB8。

TI：发送中断标志位。在方式0下，发送完8位数据后，TI由硬件置位；在其它方式中，TI在发送停止位之初由硬件置位。TI是发送完一帧数据的标志，可以用指令查询是否发送结束。TI=1时，也可向CPU申请中断，响应中断后，必须由软件清除TI。RI：接收中断标志位。在方式0下，接收完8位数据后，RI由硬件置位；在其它方式中，RI在接收停止位的中间由硬件置位。同TI一样，也可以通过指令查询是否接收完一帧数据。RI=1时，也可申请中断，响应中断后，必须由软件清除RI。（3）电源及波特率选择寄存器PCON

PCON主要是为CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，不可以位寻址，字节地址为87H。在HMOS的8051单片机中，PCON除了最高位以外，其它位都是虚设的。只有SMOD与串行通信有关。SMOD为波特率选择位。在方式1、2和3下，串行通信的波特率与SMOD有关。当SMOD=1时，通信波特率乘2；当SMOD=0时，波特率不变。

2.串行口的工作方式（1）

方式0在方式0下，串行口作为同步移位寄存器使用，其波特率固定为fosc/12。串行数据从RXD(P3.0)端输入或输出，同步移位脉冲由TXD(P3.1)送出。移位数据的发送和接收以8位为一帧，不设起始位和停止位，无论输入/输出，均低位在前高位在后。

这种方式常用于扩展I/O口。

①方式0用于扩展输出口（发送）当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口将8位数据以fosc/12的波特率从RXD引脚输出(低位在前)，发送完置中断标志TI为1，请求中断。在再次发送数据之前，必须由软件清TI为0。74LS164为串入并出移位寄存器(SIPO)。图8.12方式0扩展输出口电路应用实例1：用单片机的串行口外接74LS164,控制8只LED滚动显示。源程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintvoidDelayMS（uintx){uchari;while(x--)for(i=0;i<120;i++);}voidmain(){ucharc=0x80;SCON=0x00;//串行模式0TI=0;//TI清零

while(1){c=_crol_(c,1);SBUF=c;while(TI==0);TI=0;DelayMS(400);}}

②方式0用于扩展输入口（接收）在满足REN=1和RI=0的条件下，串行口即开始从RXD端以fosc/12的波特率输入数据(低位在前)，当接收完8位数据后，置中断标志RI为1，请求中断。在再次接收数据之前，必须由软件清RI为0。具体接线图如图8.15所示。其中，74LS165为并入串出移位寄存器(PISO)。串行控制寄存器SCON中的TB8和RB8在方式0中未用。值得注意的是，每当发送或接收完8位数据后，硬件会自动置TI或RI为1，CPU响应TI或RI中断后，必须由用户用软件清0。方式0时，SM2必须为0。图8.15方式0扩展输入口电路应用实例2：用74LS165连接的8位拨码开关从单片机串行口输入控制8只LED的显示。

while(1){SPL=0;//置数,读入并行输入8位数据

SPL=1;//移位,输入封锁,串行转换

while(RI==0);//未收到等待

RI=0;P0=SBUF;DelayMS(20);}}源程序：#include<reg51.h>#include<intrins.h>#include<stdio.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitSPL=P2^5;voidDelayMS（uintx){uchari;while(x--)for(i=0;i<120;i++);}voidmain(){SCON=0x10;//串行模式0，允许串口接收（2）方式1工作在方式1时，串行口为波特率可调的10位通用异步接口UART。发送或接收的一帧信息包括1位起始位0，8位数据位和1位停止位1。图8.17串行口方式1的数据格式

①发送发送时，数据从TXD端输出，当数据写入发送缓冲器SBUF后，启动发送器发送。当发送完一帧数据后，置中断标志TI为1。方式1所传送的波特率取决于定时器1的溢出率和PCON中的SMOD位。

②接收接收时，由REN置1，允许接收，串行口采样RXD，当采样由1到0跳变时，确认是起始位“0”，开始接收一帧数据。当RI=0，且停止位为1或SM2=0时，停止位进入RB8位，同时置中断标志RI；否则信息将丢失。所以，采用方式1接收时，应先用软件清除RI或SM2标志。

③波特率方式1波特率可变，由定时/计数器T1的计数溢出率决定。波特率=2SMOD×（T1溢出率）/32

其中SMOD为PCON寄存器中最高位的值，SMOD=1表示波特率倍增。在实际应用时，通常是先确定波特率，后根据波特率求T1定时初值，因此上式又可写为：

X=256-2SMOD/32×fosc／(12×波特率)表8.3定时器1产生的常用波特率（3）方式2方式2下，串行口为11位UART，传送波特率与SMOD有关。发送或接收的一帧数据包括1位起始位0，8位数据位，1位可编程位(用于奇偶校验)和1位停止位1。图8.20方式2的数据格式

可编程位TB8/RB8既可作奇偶校验位用，也可作控制位（多机通信）用，其功能由用户确定。

波特率：方式2波特率固定，即fosc/32和fosc/64。如用公式表示则为：波特率=2SMOD╳fosc/64当SMOD=0时，波特率=20

╳fosc/64=fosc/64当SMOD=1时，波特率=21

╳fosc/64=fosc/32（4）方式3方式3为波特率可变的11位UART通信方式。除了波特率不同以外，方式3和方式2完全相同。注意：单片机进行多机通信时常常采用串行口的工作方式2或工作方式3。

（5）串行口四种工作方式的比较四种工作方式的区别主要表现在帧格式及波特率两个方面。工作方式帧格式波特率方式08位全是数据位，没有起始位、停止位固定，每个机器周期传送一位数据方式110位没，其中1位起始位，8位数据位，1位停止位不固定，取决于T1溢出率和SMOD方式211位，其中1位起始位，9位数据位，1位停止位固定，即2SMOD×fosc/64方式3同方式2同方式13.串行口的初始化

51单片机的串行口需初始化后，才能完成数据的输入、输出。其初始化过程如下：（1）按选定串行口的工作方式设定SCON的SM0、SM1两位二进制编码。（2）对于工作方式2或3，应根据需要在TB8中写入待发送的第9位数据。（3）若选定的工作方式不是方式0，还需设定接收／发送的波特率。（4）设定SMOD的状态，以控制波特率是否加倍。（5）若选定工作方式1或3，则应对定时器T1进行初始化以设定其溢出率。

例：51单片机的晶振频率为11.0592MHz，波特率为1200b/s，要求串口发送数据为8位，编写它的初始化程序。解：假设SMOD=1，T1工作在方式2。初始化程序如下：SCON=0x50；//串口工作于方式１ PCON=0x80；//SMOD=1 TMOD=0x20；//T1工作于方式2定时方式 TH1=0xD0；//设置时间常数（根据公式计算得来或查表） TL1=0xD0；//自动重装时间常数 TR1=1；//启动T1

8.1.3单片机之间的双机串行通信的设计方法

8.1.3.1单片机之间的通信

1.双机通信距离较近的两个MCS-51单片机系统可以将它们的串行口直接相连，实现双机通信。为了增加通信距离，减少通道和电源干扰，可以在通信线路上利用RS-232C等标准接口进行双机通信。图8.23单片机双机通信系统

51单片机串行口的方式2和方式3有一个专门的应用领域，即多机通信。所谓多机通信是指一台主机和多台从机之间的通信，构成主从式多机分布通信系统。主机发送的信息可以传输到各个从机，各从机只能向主机发送信息，从机之间不能进行相互通信。

2.多机通信

图8.24单片机多机通信系统单片机作为下位机，主要实现数据采集、检测与控制等功能。PC机通常作为上位机接收下位机采集的各种数据，并进行数据运算、处理与管理等功能，同时向下位机发出各种指令。通常PC机工作于查询方式，而51单片机既可以工作于查询方式，又可以工作于中断方式。因此，实现PC机与用单片机间数据通信是十分重要的。PC机与单片机之间可以由RS-232C等标准接口相连。

3.单片机和计算机机之间的通信

8.1.3.2MCS-51系列单片机之间的双机串行通信设计

1.任务要求甲机发送数据，乙机接收数据，甲机的K1按键通过串口发送信息控制乙机的LED灯D3和D4闪烁：①第一次按下K1键，甲机发送字符“A”，甲机的D1和乙机的D3都闪烁；②第二次按下K1键，甲机发送字符“B”，甲机的D2和乙机的D4都闪烁；③第三次按下K1键，甲机发送字符“C”，甲机的D1、D2和乙机的D3、D4都闪烁；④第四次按下K1键，甲机停止发送，甲机的D1、D2和乙机的D3、D4都停止闪烁。2.任务分析首先要根据任务的要求将两机串行口工作的方式和其中的参数设置好。两机的串行口采用相同的工作方式1，使用11.0592MHz晶体，甲机在本任务中只要发送数据，所以甲机的SCON=0x40，而乙机要求接收数据，所以乙机的SCON=0x50，定时器T1作波特率发生器使用，工作在方式2，其初值TH1=TL1=0xFD(253)，PCON=0x00（SMOD=0）波特率=

=20×11.0592×106/（32×12×（256-253））

=9600b/s3.任务设计（1）器件的选择器件名称数量（只）AT89C51211.0592MHz晶体222pF瓷片电容422uF电解电容21kΩ电阻2220Ω电阻4轻触按键2发光二极管LED4（2）硬件原理图设计图8.25双机通信电路（3）软件程序设计甲机发送源程序：#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitK1=P1^0;sbitD1=P0^0;sbitD2=P0^3;//延时1ms

voidDelay（uintx){uchari;while(x--)for(i=0;i<120;i++);}voidputc_to_SerialPort（ucharc){SBUF=c;while(TI==0);TI=0;}voidmain(){ucharOperation_NO=0;SCON=0x40;//串口工作方式1TMOD=0x20;//T1工作方式2PCON=0x00;TH1=0xFD;//波特率9600TL1=0xFD;TI=0;TR1=1;while(1){if(K1==0){while(K1==0);Operation_NO=(Operation_NO+1)%4;}switch(Operation_NO){case0:D1=D2=1;break;case1:putc_to_SerialPort（’A’);D1=~D1;D2=1;break;case2:putc_to_SerialPort（’B’);D2=~D2;D1=1;break;case3:putc_to_SerialPort（’C’);D1=~D1;D2=~D2;break;}Delay(100);}}乙机接收源程序：#include<reg51.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitD1=P0^0;sbitD2=P0^3;//延时1msvoidDelay（uintx)

{uchari;while(x--)for(i=0;i<120;i++);}voidmain(){SCON=0x50;TMOD=0x20;PCON=0x00;TH1=0xFD;//波特率9600TL1=0xFD;RI=0;TR1=1;D1=D2=1;while(1){if(RI){RI=0;switch(SBUF){case‘A’:D1=~D1;D2=1;break;case‘B’:D2=~D2;D1=1;break;case‘C’:D1=~D1; D2=~D2; break;}}elseD1=D2=1;Delay(100);}

}（4）软硬件联合调试将甲机发送程序编译成甲机.hex文件下载到甲实验板的单片机中，将乙机接收程序编译成乙机.hex文件下载到乙实验板的单片机中，两机同时通电，按任务要求检验是否通信成功。注意：单片机的双机通信要对两机的串行通信软件分别编写，分清楚其发送和接收过程，不要混淆。单片机发送数据就是向SBUF写数据的过程，单片机接收数据就是从SBUF读取数据的过程。任务8.2单片机与计算机通信系统的设计8.2.1STC-ISP（V6.85H）串行口调试助手

8.2.2单片机与计算机通信系统的设计方法

1.任务要求将实验板的串口与计算机连接好，打开计算机上的SComAssistantV2.1串口调试助手。将计算机键盘输入的1个字符发送给51单片机，单片机接收到计算机发来的数据后，回送同一数据给计算机，并在计算机屏幕上显示出来。只要计算机屏幕上显示的字符与键入的字符相同，即表明PC机与单片机间通信正常。通信协议为：波特率选为9600b/s；无奇偶校验位；8位数据位；1位停止位。2.任务分析根据任务的要求将单片机串行口的工作方式和其中的参数设置好。单片机的串行口采用工作方式1，采用22.1184MHz晶体，单片机在本任务中要发送数据也要接收数据，所以REN=1，定时器T1作波特率发生器使用，工作在方式2，由于采用9600b/s波特率，其初值TH1=TL1=0xFA(250)。3.任务设计（1）器件选择一个51单片机系统（STC89C52）一台计算机（安装了STC-ISP（V6.85H）串行口调试助手软件）一根RS-232C标准的串行通信线（2）硬件原理图设计本任务采用一块单片机实验板和一台计算机。用串口线将实验板的DB9串行接口与计算机的DB9串行接口连接好即可。（3）软件程序设计

计算机上的程序用STC-ISP（V6.85H）串口调试助手的成熟软件。

实验板上STC89C52串口通信源程序如下：#include<AT89X51.h> #defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintunsignedchara;bitflag=0;