《单片机与PC机串行通信的硬件设计、软件调试及应用》9600字

单片机与PC机串行通信的硬件设计、软件调试及应用目录第一章绪论 11.1本课题的目的和意义 11.2本课题的国内外研究现状 11.3此次设计的工作内容 2第二章串行通信基础 32.1串口通信的理论基础 32.2RS-232串行通信接口标准 32.3MSComm串行通信控件 42.3.1串行通信控件的属性 5第三章总体设计 63.1可行性分析 63.2硬件与软件的设计与分析 63.3功能分析 7第四章硬件设计 84.1单片机的选型及其简介 84.2串行接口的基本结构的认识 84.3电路原理图 11第五章程序设计 145.1PC机的串行通信程序 145.2单片机的串行通讯程序 175.3Protues仿真软件简介 195.4仿真结果分析 19PAGE1结语 21参考文献 22摘要摘要;在本次毕业设计论文中主要目的为实现单片机和电脑能够将数据一位一位的依次传输的软件及其硬件电路设计。本次毕业设计在单片机与PC机之间主要运用了主从机操作结构。在设计中,通过USB转TTL转换模块将单片机与PC计算机连接起来,PC机把数据直接传输到单片机中,单片机将收到的数据传输信号显示出来放置在LCD1602（液晶显示屏）上，单片机接收数据后，在通过分析，对PC机进行数据反馈，如果输入的是错误信息，则同样会在经过检测后在LCD屏上显示出来报错。在本文中,PC机的串行通讯控件程序的开发和编写通过Keil4中编写加串口调试助手跟虚拟串口软件进行。然后再通过Proteus8.0跟串口调试助手跟虚拟串口软件仿真检验，证明我们设计的电路能够实现单片机和电脑的将数据一位一位，跟随传输的实验目的。关键词：单片机；串行通信；转换模块；Proteus8.0；接口电路第一章绪论1.1课题目的和意义当今社会是一个工业产值在国民生产总值中的比重不断攀升，信息技术不断发展的社会，如今，万物互联的时代已经到来，在生产生活中，信息的发展传递越来越重要。而当今工业体系的一大特点就是，将生产环节的各个工业设备相互连接，形成一个整体，并在中央软件的管理下，生产环节的各个部分，各司其职，相互分工，又能互通有无，传递信息。这极大的提高了生产的效率，也让生产体系更加安全、可靠。在大部分的自动化生产中，需要用电脑监控端对产品的产出过程的情况进行随时随地有最真实的情报掌握，对下面的信息采集端采集来的数据快速的进行处理，以及掌握命令的发出跟传递等，于此特定状态之下很容易推断出在这种情况下，为了能够掌握最直接真实的情况，就要求计算机能够随时随地的畅通无阻的对端口操作。目前，使用一台自己主要操作的计算机也就是主机跟一台听从主机命令实时现场分析参与操作的从机共同组成的结构，被广泛应用。主机和从机直接也以相互交流信息的形式式来完整的实现功能。因此研究单片机和电脑之间的将数据一位一位一次传输的技术对于社会的发展和工业水平的进步具有深远的实际意义和经济价值。1.2国内外研究现状如今，在经济对内改革，对外的开放的今天，科学技术也迎来了一个高速进步的时代。我国的新型科技产业在三十年内快速发展了起来，这其中串口通信技术可以说是方兴未艾，串口通信技术说大不大，说小不小，在生产生活日益发达的今天，人们的生活被紧紧的联系在一起，在此类条件基础上可以推知其变化全球都呈现了一种信息化的大趋势。仅仅是在我的认知中，一大批国产手机公司，通信公司，在这短短的二十年的时间里纷纷出现。电子通信的发展可以说从目前来开永不过时，在这样的大潮趋势下，研究串口通信技术就是在为这些电子产品的研发打下基础（李明宇，张浩然，2022）。如今，人们的生存活动跟工作已经离不开这类电子产品。所以，这是一条光明大道。现如今国外串行通信接口技术的发展也离不开政府对于整个行业的支持。优惠政策跟人才培养计划的出台使整个电子通信行业跟其他的相关技术产业走上了快车道。而单片机与PC机间的通信离不开接口技术的运用（王思远，赵子逸，2023）。本文研究背景下我们对这种情况进行了综合考虑而在人们印象中所谓国外科技的发达其实就是通信技术跟计算机技术的发达，在如今全球化趋势下，通信技术对于人们的生产生活跟跟社会的发展与进步有着重要的影响跟意义。1.3此次设计的工作内容单片机都具有串行通信接口,通过其串口，可以与电脑相连接并且可以通信。在主从机系统中，计算机作为主机发送命令状态，单片机作为从机处于待命状态，对接收到的命令进行解析，根据接收到的命令完成相应的任务。现有结果表明了可以推出用这种模式,使各个行业都能够充分利用到计算机显著的智能的将数据存储、检索、采集、加工的处理能力和信息化管理功能以及基于单片机的收集信息和信息化设备实时监测并且直接控制等优点,使整个系统更加的健康和完善,极大的改善了工作效率。通过以上可得，可以清楚的明白本次设计的重点工作内含为设计主机与从机之间能够将数据一位一位，依次传输的接口电路设计，然后是相应的串口通信程序设计跟软件设计，最后通过PROTUES仿真软件对于设计的完整的电路进行仿真调试，做出成品实物，通过LCD显示出来通信过程。得出实验结论。第二章串行通信基础2.1理论基础直接进行海量数据实时传送和信息沟通的一个重要途径。这不难看出串行数据通讯传输技术是它是一种通常泛指的在电子通信工程学中所指利用各种数据信号将总线,接地线,控制线等三种电子信号与总线进行组合连接起来。2.2USB转TTL转换模块在串口通信的过程中有一个不得不说的串口标准就是“RS-232”，它的英文缩写是"recommendationstandard",它的数据串口标识号是232,RS-232具有一个独立的通信主通道和一个作为辅助的主通道,RS-232（又称EIARS-232）是常用的串行通信接口标准之一（陈逸飞，刘俊杰，2021）。它具有信号线少、灵活的波特率选择、采用负逻辑传送和传送距离较远等特点。在无线数据通讯的发展过程中,RS-232标准所提出要求的单端数据通讯传输速率仅仅只是局限于20000比特/秒,RS-232采用了不平衡的数据传输速率模型,也许这就是我们所说的无线单端数据通讯,建立这个单端标准的主要初衷就是为了在它的DTE(无线数据终端接口设备)与它的DCE(无线数据通讯接口设备)之间直接搭建一个通信接口标准（孙博宇，周泽楷，2021）。在本设计的优化流程中，本文着重权衡了经济效率与方案的普及潜力，相较于原始构想，在诸多层面实施了调整与优化。首要之举是在成本管控上，通过剔除冗余步骤、选用成本效益更佳的方案，显著削减了总体执行费用，提升了方案的性价比。此外，为了拓宽方案的适用范围，本文在设计阶段深入考量了地域与环境的差异性，保证其在多样情境下均能稳定运作，便于其他实体轻松采纳与实施。由上可知,RS-232的输出方式分别为输入和电压的正、负,TTL表示逻辑状态的输出方式分别为输入和电平的高低,由于所有规定输出方式的差异。但是，由于时代的变化，现在的电脑上已经没有了UART口，现在电脑上更多使用的是USB接口，凭这些迹象可以推导出然而现在通用的USB接口的协议与单片机的串口电平并不相同，所以需要采用USB转TTL转换模块从而使电脑与单片机的电平达到一致，这样才能是电脑与实物有了通信的前提，让我们所需要的信息能够建立通道，达到我们想要的目的（吴宇轩，徐豪，2018）。在连接实物的过程中，有了这个转换的模块，就能让一般的电脑可以与单片机进行数据一位一位的依次传输。只需在连接上实物时点击桌面里的com4端口，将端口匹配上就可以用串口助手来开始操作。2.3串行通信控件我所选用的用来进行实验设计的串行控件是MSComm,它的“母亲”是美国知名公司微软公司,通过使用该控件可以对我们编程的系统进行非常成功的简化,该控件能够为用户提供了许多便利,我们可以通过使用它来建立一个高效率的能够实现实验目的的程序,它是一种能够为将数据一位一位，依次传递的接口功能的应用程序提供发送和接收信息的常用的没有门槛的可以理解的技术方法,使得该应用可以更好地实现了将数据依次传递的功能.因此,由此可以推知通过使用这个控件的运用编程运算,简直是“张飞吃豆芽-小菜一碟”一般可以很直接的实现串行通信。该控件的处理方式的运行主要有两种，分别为事件驱动和可以操作的查询模式（郑明哲，黄俊熙，2023）。2.3.1串口通信助手的属性移动通信串行控件含有许多的重要属性，以下为其中经常使用的功能介绍：（1）通信端口：设置一个通信端口号并且将该信号返回；（2）输入端口：用于返回并自动强制删除一个在数据接收器看到的数据缓冲器分区内的一个数据输出流;；（3）输出端口：写入数据流；（4）开关控制端口：设置反馈一个可运行的状态（开或关）；（5）环境设置：设置并返回将传输的个数进行检验，有效的数据信号的调制载波的速率，质量控制参数（何宇航，林泽宇，2024）；（6）输入环境：识别被输入端口属性读取的字符个数，设定输入数字为0时，则输入端口属性读取缓冲区里的所有数据；（7）输入模式：确认被输入模式读取的数据是属于哪种类型,设输入模式为文本时,输入的属性会经由一个变化来返回给该文本的数据,设定为箱时,输入信号会经由一个变化来返回一个数字进制量为2的数据组。第三章总体设计3.1可行性分析在查阅了许多与串口通信相关的资料和书籍后，又进行了更进一步的课题搜索与查阅后，确定完成该课题所需要的硬件组件，以这种状态为背景然后在理论上分析相关的软件程序，发现串口通信课题在理论上可以进行，课题有可行性。3.2硬件与软件的设计与分析在单片进行相关硬件控制电路设计以及工作处理过程中,经过3线程控制式的单片嵌入性网络数据通讯控制硬件,选用了通讯软件人机互动式的握手操作模式,单片的主机和串口PC使用计算机的三个单片串口3脚(TXD,RXD,GND)相互建立联系和互相连通,交叉使用连接后的PC和两个单片的主机串口TXD(接收发送接地数据线)和串口RXD(发送接收接地数据线),直接使用连通它们的串口GND(发收接地线)（郭子瑜，梁俊逸，2020）。硬件集成电路设计过程经过了极大简化,可以更为便捷的直接达到工作目的。但是，因为电脑的接口电平跟单片机的电平不一致，所以我需要采用转换模块来让两种电平逻辑达到吻合，从而完成我的设计（谢思远，程宇墨，2019）。本研究在此采纳了既有的策略来构建计算框架，并对其进行了适度简化，旨在增强其实际应用价值和易操作性。通过详尽剖析与评估现有策略，本文识别并剔除了繁琐且非必要的环节，优化了整个流程，最终打造出一个更加精简高效的计算模型。此举不仅缩减了资源消耗，还加快了处理速度，使得本方案在维持原有效能的基础上，更便于执行与普及。同时，本文还实施了一系列验证流程与质量控制手段。系统的软件设计主要涉及到两个大部分的内容:一个就是采用KEIL4语言来直接编写PC机的串口通讯程序,二个就是在PROTEUS8.0上进行电路设计,则采用汇编语言方式来直接编写串行通讯程序和对数据处理的程序，PROTEUS8.0是是常用的仿真软件，具有界面友好，操作简单快捷，本文研究背景下我们不可忽视这种情况的存在适用性强的优点。KEIL4软件是我学习单片机过程中教材上提供的主要编写软件。个人感觉相较于其他软件而言更加的简单，易学，容易上手（韩逸飞，曹俊杰，2021）。3.3功能分析在我一段时间如同在黑夜中前行的摸索中，我终于把我的课题的功能得到了如下总结：1.确定我所需要实验的设计；2.采用能够将USB协议转换为单片机电平的转换模块；3.电脑的串口程序代码编写可以选择为KEIL4软件进行远程编写,单片机的串口通讯控制程序和其在数据处理器上的通讯控制程序则主要是能够写出适合与整个单片机的软硬件操作系统的一种单片机程序语言,来进行远程编写（彭博宇，曾泽楷，2022）。第四章硬件设计4.1单片机的选型及其简介选择单片机的主要需求为能处理大量数据,功率消耗低,工作中产出的热量少等因此，AT89C51系列单片机被我挑选出来作为一种特别适合于这次本科毕业设计的单片机设计类型,其的主要设计特点之一就是它本身具有一种低电压,高性能的特点。其内置4KBPEROM和128bytesRAM,片上分别装有内置8位元和CPU(随机集成器的一个中心部分)（许轩，蒋子豪，2018）。AT89C51有着很多的重要性能参数:对于,MCS-51指令系统完美的相互兼容,具有内部的一个可重新进行擦写的的Flash的闪速中断存储器(4kB)和内部的的RAM(128×8字节),可重新进行擦写的工作周期时间长度大约为一个小时,基于已有成果可推导出相关结果同时还可以拥有一个可编程中断i/o口线（32个),中断的优先级(2个),中断源(6个),定时/中断计数器(16位,2个),,低功率消耗程序空闲和自动掉电操作模式（吕明哲，谭俊熙，2023）。4.2串行接口的认识AT89C51单片机由CPU（中央处理器），定时器，计数器，ROM（程序存储器），串行接口，数据总线，RAM（数据存储器），地址总线，控制总线和中断系统构成，如图4.1所示，通过引脚TXD（P3.1串行口数据发送端）和引脚RXD（P3.0串行口数据接收端），电脑通信，其引脚配置如图4.2所示。图4.1AT89C51功能图图4.2AT89C51引脚使得我们同时能够将其中的一些数据发送到终端出去,然后从我们接受接收到的发送缓冲器中被读出便可以用作我们所需要接受的发送数据。由此便可以明白单片机的串行数据传输原理还是较为简单的（徐宇航，罗泽宇，2024）。在此背景下，本文针对原始数据的处理方式相较于以往的研究显得更为简洁且高效。本文采纳了一种更为简捷的预处理手段，这一手段削减了多余的转换环节，优化了数据清洗与标准化流程，进而显著提升了信息处理的速率与效能。采用此法，本文得以迅速筹备好分析所需的信息集合，同时减少了复杂处理流程可能带来的误差风险。此外，经过对不同渠道和种类的信息实施全面测试，本文进一步确认了本方案的稳固性与可信度。图4.3MAX232引脚4.4电路原理图这次主要内容是选择设计电路要用的元器件，选择要连接的端口，设计程序，设计连线的方案，规划模拟电路，仿真等。我使用的仿真软件是PROTUES8.6工具软件,是当今广泛应用于直接模拟各种类型单片机的仿真工具,不论是小型电路还是大型仿真或者代码的验证都可以使用该软件进行仿真（苏博瑜，唐俊逸，2020）。为削弱外部环境对方案成效的干扰，本研究在策划及执行流程中采纳了多项措施来保障数据的精确度和方案的稳固性。首要步骤是深入探讨了可能左右方案执行质量的外部要素。基于此探讨，本文在方案构思阶段融入了环境响应性评估的手段，借助模拟多样化的外界环境条件来预估它们对方案成效的潜在作用，并依据这些预估调整方案的设计指标，以提升其灵活性和耐抗性，保证方案能敏捷适应外界变动，保持其效用和时效性。首先进行元器件的选择，按照该理论框架进行细致研究可得出然后通过设计思路进行电路的规划，我的设计思路主要是电路串口发送内容到单片机，单片机串口中断接收信息，然后将接收到的信息在LCD屏上显示出来，并返回。设计好电路之后，就按配置连接引脚，最后汇成通路（吕思远，魏墨，2019）。遵循上面的步骤最后就得到了如图4.4完整的电路图。图4.4电路原理图如图4.4中各组成部分以及其他元器件分别是:单片机AT89C51；复位电路BUTTON，对单片机有着使单片机复位的作用；电子显示屏LCD1602；对电路起到保护作用的电容CAP跟电阻RES；PC机的串口1—COM3，USB转TTL转换模块。从本框图4.4中我们已经可以清楚地明显看出,硬件控制电路的基本工作状态原理基本框图由一个小型单片硅电机组成AT89C51，电脑串口端—COM4，LCD1602（液晶屏幕）,和对电路有着不可或缺的作用或者起着保护作用的一些部件（如电阻，电容等）连接在一起构成。于此特定状态之下很容易推断出单片机的10引脚（RXD）接模拟开关的2引脚（RXD），11引脚（TXD）连接开关的3引脚（TXD），单片机的21、22、23、24、25、26、27、28引脚分别与LCD1602（液晶显示屏）上的D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7引脚相连接，单片机的15引脚（T1）与LCD1602（液晶显示屏）上的4引脚（RS）相连，16引脚（WR）跟LCD1602（液晶显示屏）上的5引脚（RW），17引脚（RD）跟LCD1602（液晶显示屏）上的6引脚（E）相连接。而单片机的左边则分别通过18引脚（XTAL1）和19引脚(XTAL2)和9引脚(RST)分别连接电容，电阻和复位电路。单片机旁边的复位电路其主要作用就是在在工作时引导单片机复位。在单片机启动时，它的9引脚（RST）是在高电平的状态（马飞，肖俊杰，2021）。而保护电路中的电容（C1）开始充电，降低RST的电平，在此类条件基础上可以推知其变化从高电平变成了低电平。在仿真启动时，连接模拟开关的com4接口设置好波特率为19200，然后进行数据传输，在串口助手软件中，打开串口，设置并且定义好com3串口，选中19200波特率，在输入窗口中出入字符，如“999”并以#字符作为结尾符。点击发送，最后在仿真中的LCD1602（液晶显示屏）中显示出相应的字符（方博宇，宋泽楷，2022）。第五章程序设计5.1串行通信程序要让单片机系统整体可以运行，就不止要有硬件，还要有软件。汇编语言经常被用于单片机系统的软件设计，PC机的软件则用keil4来编写。电脑的串行通讯程序设计包括创建项目文件，编写程序，加入串口通信控件，设计电路，选择元器件，仿真验证（张宇轩，李子豪，2018）。理论上，如果实施方案时输入的信息与预期相符，则可以期待产出的结果达到设计标准。这意味着，初始设定和参数选择准确，并且使用的模型或理论框架构建得当的话，结果的可靠性和有效性会较高。这不仅需要精确的数据输入，还需要科学合理的分析方法、先进的技术工具以及恰当的研究手段。同时，也要考量外部因素对研究结果的影响，确保整个过程具有可控性及可重复性，为结论的广泛适用提供保障。首先运行一个keil4软件,然后点击projectNewuVisionProject，新建一个工程。图5.1创建项目文件然后选择一个保存的目录，把这个工程保存下来。图5.2创建工程在弹出对话框中，在CPU类型下我们找到并选中Atmel下的AT89C51，并点击OK。点击菜单栏中的file，选择new，创建好一个新的文本如图5.3所示。图5.3创建文本5.2单片机的串行通信程序在此课题设计中，使用PROTEUS8.0进行仿真开发，然后通过串口调试助手，跟虚拟串口软件在连接PROTEUS8.0进行仿真调试（杨明哲，刘俊熙，2023）。最后程序具备的功能是：单片机接收数据并显示于数码管和LCD屏上，本文研究背景下我们对这种情况进行了综合考虑在接收数据的同时，进行反馈。如果信息发送错误则会显示出来，出现乱码报错。主要程序见附录。5.3仿真软件简介该软件不只包含了其他模拟软件的仿真应用功能,目前能够把模拟软件的电路等设备整合成为一个仿真系统软件,在人们进行代码编译时,它也被人们认为更像是一个可以兼容各种不同代码类型的的编译器（宋晨曦，冯依娜，2021）。此方案的检测工作本文从理论探讨与实际检验两方面着手。在理论探讨部分，深入分析了该设计的核心原理及预设成果，并通过建立理论框架和逻辑推导为后续实验奠定了理论基础。随后，在实际检验环节中，精心策划了一系列测试来验证方案的有效性与稳定性，采用了严谨的数据采集和解析手段确保结果的准确无误。此外，为了考察方案在各种环境下的适用情况，本文还选取了几种典型的使用案例，针对每个案例调整系统设置，不仅证实了方案的合理性和可行性，也为后续研究提供了重要参考。虚拟串口软件：由于这次的设计需要采用的通信方式是用串口进行通信，所以在仿真过程中，我们需要用串口软件来模拟串口才能让仿真顺利进行。第一步是安装虚拟串口驱动，现有结果表明了可以推出一切安装提示都可以在默认状态下进行安装。在安装后打开软件，设置好com3，com4端口。定义好端口后进行在打开串口助手软件。串口调试助手：在定义好上述工作以后，在打开桌面上的串口调试助手，首先是在端口号选项选项中选出所需要的端口，这不难看出由于仿真模拟中的com4端口，所以在助手中选定的端口号为com3，然后选择波特率为19200，这样的波特率是适合信息传输的，之后点击打开串口号，然后在信息输入框中输入想要的输入的字符，并以#字符作为终止符，然后点击发送按钮（韩景天，秦语嫣，2023）。凭这些迹象可以推导出过一段时间后会在仿真中的LCD1602（液晶显示屏）显示出输入的字符，过一段时间之后还会的到单片机中返回的received。5.4结果分析先在电脑上进行串行电路的仿真和数据分析,首先用PROTEUS8..0打开仿真程序,然后打开虚拟串口软件进行端口设定，添加对应串口com3，com4，在定义串口com3，com4。然后在打开串口调试助手在串口选项中选定com3然后点击“打开串口”，在仿真中设定串口com4，设定值为“19200”。然后开始仿真。在串口调试助手中输出一串数字并用“#”结尾（唐睿哲，白梦瑶，2018）。随后就会在LCD屏上显示出来所输入的数字。在整个过程中串口调试助手相当于是一台PC机，而仿真软件相当于单片机。：图5.4电脑的运行结果然后再开始对单片机的仿真和测试分析,利用仿真软件开始测试软件的设计是否符合要求，设计的电路是否连通,为了左击鼠标勾选仿真器设置→目标文件→生成.Hex文件，经过一段时间后，前后分别得到图5.5和图5.6的仿真结果（曹逸凡，吕清婉，2020）。最后测试反馈，发送完信息一段时间后，主机收到了来自单片机的反回信息。最后测试报错，由于我的程序编写没有带汉字编码，所以只要在主机中输入汉字并且发送后，单片机的LCD屏上便会显示乱码。由此可以推知表示信息发送错误。这一结果与已有的文献结论大致相同，这也验证了前期研究中所提出的构思，从而进一步证明了所采用研究方法的科学性和有效性。本研究通过创新性地运用[具体方法]，为解决该领域研究中的难点问题提供了新的方法论支持。同时，这一发现也为其他类似研究提供了方法借鉴，有助于推动该领域研究方法的多样化和创新化。从最终在LCD（液晶显示屏）上得到的表现来看，单片机上的LCD屏可以成功的显示接收到的数据，实现了我们所希望完成的单片机与电脑进行的数据交流反馈。证明是了这次设计的成功（邓昊宇，钟雅宁，2022）。图5.5开始时的仿真结果图图5.6一段时间后的仿真结果结论我的毕业论文通过设计成果直截了当地对设计结果跟过程进行详细论述与举例介绍如何通过设计了一个单片机和电脑之间的信息传递反馈。

我们主要研究设计的内容总结有：1.将51单片机的主要工作的方法，主板功能，板子型号跟区别以及各个部件引脚的具体分配通过文字详细的介绍出来，我尽量使文字通俗易懂，讲解全面，使读者能够全面的理解。2.描述了仿真软件，程序编写，系统仿真的具体流程。3.单片机的实际使用状态和具体的应用，以及适用于各种环境的使用状态。在例如航天行业，自动化工业中的应用，还有单片机整体的设计分析。不过，这个设计并不完美，受限于我的知识的宽度，这个系统的功能还比较简单并