利用電平轉(zhuǎn)換器件RS-232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC間的串口通信

1、中北大學(xué)信息商務(wù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書1 緒論單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，

2、學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。 單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，不過價(jià)錢也是低的，一般不超過10元即可.用它來做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！.它主要是作為控制部分的核心部件。它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用PC）的主要區(qū)別。 單片機(jī)是靠程序運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功

3、能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó)50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國(guó)70年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過你編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級(jí)匯編語(yǔ)言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級(jí)的語(yǔ)言了，既然這么低級(jí)為什么還要用呢？很多高級(jí)的語(yǔ)言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)沒有家用計(jì)算

4、機(jī)那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲(chǔ)設(shè)備。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十K的尺寸！對(duì)于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對(duì)于單片機(jī)來講是不能接受的。 單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用PC上來運(yùn)行，家用PC的也是承受不了的。 二十世紀(jì)跨越了三個(gè)“電”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過，這種電腦，通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱PC機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱微

5、控制器）。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的“肚子”里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機(jī)等。1.1 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)包括確定控制任務(wù)、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件程序的設(shè)計(jì)等，以便使學(xué)生掌握有關(guān)單片機(jī)控制的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。為學(xué)生今后從事單片機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)工作打下基礎(chǔ)。1.2 設(shè)計(jì)

6、內(nèi)容和要求 本課程設(shè)計(jì)的基本要求是使學(xué)生全面掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本理論熟悉掌握MCS-51系列單片機(jī)的編程方法，具體要求如下： 利用電平轉(zhuǎn)換器件RS-232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC間的串口通信，利用虛擬終端仿真單片機(jī)與PC間的串行通信。PC先發(fā)送從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收后會(huì)發(fā)給PC機(jī)，雙方收發(fā)數(shù)據(jù)是相同的單片機(jī)將收發(fā)到的30-39H間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0-9顯示，其他數(shù)據(jù)直接顯示為字符的ASCII碼。2 方法選擇2.1 從PROTTEUS庫(kù)中選取元件圖1 AT89C2051：?jiǎn)纹瑱C(jī)1， RES：電阻如圖2所示：圖2 RES：電阻2 7SEG-BCD-RED：紅色BCD數(shù)碼管如圖3所示： 圖3 7S

7、EG-BCD-RED:紅色BCD數(shù)碼管3 CAP、CAP-ELEC:電容、電解電容如圖4所示：圖4 CAP、CAP-ELEC：電容、電解電容4 BUTTON：按鈕控件如圖5所示：圖5 BUTTON:按鈕控件5 MAX232/MAX220：RS-232收發(fā)器如圖6所示：圖6 MAX232：RS-232收發(fā)器2.2 原理圖中用到的部分元器件的功能、原理及引腳說明 1. 串口模型COMPIM及其引腳功能如圖7所示： 圖7 串口模型COMPIM及其引腳功能2. MAX232/MAX220：RS-232收發(fā)器的功能 實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，也就是將CMOS電平轉(zhuǎn)換成TTL電平3. RS232(DB9)引腳定義 （

8、1）：DCB：載波檢測(cè)。主要用于Modem通知計(jì)算機(jī)其處于在線狀態(tài)，即Modem檢測(cè)到撥號(hào)音，處于在線狀態(tài)。 （2）：RXD：此引腳用于接收外部設(shè)備送來的數(shù)據(jù)；在使用Modem時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)RXD指示燈在閃爍，說明RXD引腳上有數(shù)據(jù)進(jìn)入。 （3）：TXD：此引腳將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送給外部設(shè)備；在使用Modem時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)TXD指示燈在閃爍，說明計(jì)算機(jī)正在通過TXD引腳發(fā)送數(shù)據(jù)。 （4）：DTR：數(shù)據(jù)終端就緒；當(dāng)此引腳高電平時(shí)，通知Modem可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，計(jì)算機(jī)已經(jīng)準(zhǔn)備好。 （5）：GND：信號(hào)地； （6）：DSR：數(shù)據(jù)設(shè)備就緒；此引腳高電平時(shí)，通知計(jì)算機(jī)Modem已經(jīng)準(zhǔn)備好，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊了。

9、（7）：RTS：請(qǐng)求發(fā)送；此引腳由計(jì)算機(jī)來控制，用以通知Modem馬上傳送數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)；否則，Modem將收到的數(shù)據(jù)暫時(shí)放入緩沖區(qū)中。 （8）：CTS：清除發(fā)送；此引腳由Modem控制，用以通知計(jì)算機(jī)將欲傳的數(shù)據(jù)送至Modem。 （9）：RI：Modem通知計(jì)算機(jī)有呼叫進(jìn)來，是否接聽呼叫由計(jì)算機(jī)決定4. MAX232原理 MAX232芯片是專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路，使用+5V單電源供電。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個(gè)部分： 第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通

10、道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DP9插頭；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 第三部分是供電。15腳DNG、16腳VCC（+5V）。5. AT89C2051單片機(jī)引腳介紹 AT89C2051為2

11、0引腳小型封裝，2K內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，15個(gè)可編程I/O口線，沒有P0口和P2口的16根I/O線，內(nèi)部集成了一個(gè)模擬比較器。 AT89C2051單片機(jī)的引腳排列如圖8所示：圖8 AT89C2051單片機(jī)的引腳排列 芯片共有20個(gè)引腳，引腳的排列順序?yàn)閺目啃酒娜笨冢ㄒ娚蠄D）左邊那列引腳逆時(shí)針數(shù)起，依次為1、2、320，在單片機(jī)的20個(gè)引腳中，電源引腳2根，外接晶體振蕩器引腳2根，復(fù)位引腳1根以及P1、P3口可編程I/O引腳15根。（1） 主電源引腳（2根）VCC(Pin20)：電源輸入，接+5V電源GND(Pin10)：接地線（2） 外接晶振引腳（2根） XTAL1(Pin5)：片內(nèi)振蕩電路的輸

12、入端 XTAL2(Pin4)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端（3） 控制引腳（1根） RST/VPP(Pin1)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（4） 可編程輸入/輸出引腳（15根）P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，P1.0P1.7，共8根P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，P3.0P3.5、P3.7，共7根3 硬件設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)各組成部分硬件設(shè)計(jì)（1）、硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖9所示： 圖9 硬件設(shè)計(jì)電路3.2 電路圖的原理（1）、利用電平轉(zhuǎn)換器件RS-232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC間的串行通信。本次試驗(yàn)利用虛擬終端仿真單片機(jī)與PC間的串行通知。PC先發(fā)送從鍵盤輸入的數(shù)據(jù)，單片機(jī)接收后回發(fā)給PC機(jī)，

13、雙方收發(fā)數(shù)據(jù)是相同的單片機(jī)將接收30-39H間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成0-9顯示，其他數(shù)據(jù)直接顯示為字符的ASCII碼。（2）、4個(gè)虛擬終端，分別給單片機(jī)的串行口及COMPIM的2腳、3腳，COMPIM的3腳與虛擬終端的發(fā)送端TXD相連，將單片機(jī)串口的RXD，TXD以及COMPIM的2腳分別接入虛擬終端的RXD，以此監(jiān)視單片機(jī)和串口模型收、發(fā)數(shù)據(jù)。（3）、PCS代表計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，PCR用來監(jiān)視PC接收到的數(shù)據(jù)，SCMS、SCMR分別為單片機(jī)發(fā)送、接收終端，分別監(jiān)視單片機(jī)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖12所示：圖12 軟件設(shè)計(jì)流程圖4.2 源程序設(shè)計(jì) ORG 0 ORG 30H S

14、JMP STARTSTART:MOV TMOD,#20H ;設(shè)計(jì)定時(shí)方式寄存器 MOV POCN,#0 ;設(shè)置電源制寄存器 MOV TH1，#0E6H ;裝初值 MOV TL1，#0E6H ;裝初值 SETB TR1 ;開中斷 CLR ES ;中斷允許 MOV SP,#5FH ;裝入指針初值LOOP:MOV SCON,#50H ;串行口工作于方式1 JNB RI,$ ;判斷RI=1？ CLR RI ;清零 MOV A,SBUF ;讀進(jìn)收到的數(shù)據(jù) PUSH ACC CJNE A,#3AH,RANG1 ;判斷A的內(nèi)容是否等于48RANG1:JC RANG3 ;判斷CY=1？ CJNE A,#3AH

15、,RANG2 ;判斷A的內(nèi)容是否等于58RANG2:JNC RANG3 ;判斷CY=0？ CLR C ;CY=0 SUBB A,#30H ;轉(zhuǎn)換為ASCII碼RANG3:MOV P1，A ;輸出到數(shù)碼管顯示 POP ACCRANG4:NOPNOPNOPNOPNOPMOV SBUF,A ;啟動(dòng)發(fā)送JNB TI，$ ;判斷TI=1?END5 調(diào)試和結(jié)果分析5.1 調(diào)試結(jié)果（1）、在剛開始設(shè)計(jì)完原理圖時(shí)，編譯運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了如圖13所示，表示該程序是錯(cuò)誤的，經(jīng)過我們的一起研究發(fā)現(xiàn)了程序的末尾沒有加上END結(jié)束標(biāo)志。圖13 編譯運(yùn)行圖 （2）、程序調(diào)試完了之后，在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了如圖14所示，在PCS中輸入數(shù)

16、字和字符而在數(shù)碼管、PCR、SCMR、SCMS沒有顯示跟蹤結(jié)果。在我們的研究和探討中發(fā)現(xiàn)了我們沒有在串行口的3引腳發(fā)送數(shù)據(jù)端沒有加上標(biāo)記PCS。 圖14 運(yùn)行圖（3）、在原理圖基本調(diào)試出來的時(shí)候，運(yùn)行在PCS中輸入數(shù)字“8”我們發(fā)現(xiàn)在PCR中沒有顯示跟蹤結(jié)果，如圖15所示，最后我們把PCR的屬性改成如下所示才把原理圖和程序調(diào)試出來。調(diào)試成功后的運(yùn)行圖如圖16所示： 圖15 編輯元件圖 5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（1）、在PCS中輸入“8”時(shí)，結(jié)果如圖17所示：圖17 結(jié)果圖（2）、當(dāng)PCS輸入數(shù)據(jù)位“3”時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖18所示：圖18 結(jié)果圖（3）、當(dāng)PCS輸入數(shù)據(jù)為“5”時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖19所示：圖19 結(jié)果圖（4）、當(dāng)PCS輸入數(shù)據(jù)為“1”時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖20所示：圖20 結(jié)果圖6 課程設(shè)計(jì)體會(huì)  本課程設(shè)計(jì)在進(jìn)行過程中得到李靜，魯旭濤老師的悉心指導(dǎo)。課程設(shè)計(jì)過程中，兩位老師多次幫助我們小組分析思路，開拓視角，在我們小組遇到困難想放棄的時(shí)候給予我們最大的支持和鼓勵(lì)。老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，踏實(shí)堅(jiān)韌的工作精神，將使我們終生