畢業(yè)論文單片機串行通信協(xié)議

1、信息工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 單片機串行通信協(xié)議 TT Single chip computer serial communication protocol T院 別： 鄭州大學(xué)軟件技術(shù)學(xué)院 專 業(yè)： 計算機科學(xué)與技術(shù) T 姓 名： 侯靜靜 T 學(xué) 號： 20118120111 T 指導(dǎo)教師： 張長峰 T 日 期： 2015年5月23 T 單片機串行通信協(xié)議摘 要本文介紹了89C51單片機的發(fā)展歷史和簡單介紹，并展望了它們的前景。著重介紹了單片機串行接口技術(shù)，指出了它們的重要性并闡述了其實現(xiàn)原理。在現(xiàn)代單片機測控系統(tǒng)中，信息交換大多采用串行通信方式。而串行通信將所傳送的數(shù)據(jù)按順序一位接

2、一位的傳送，數(shù)據(jù)傳送帶來了很大方便。該單片機的存儲器配置共有4個存儲空間，也可使用外部振蕩脈沖信號，這些都方便了單片機進行串行通信協(xié)議。AbstractThis article describes the development and give a brief history of the 89C51 microcontroller and look forward to their future.Focused on single-chip serial interface technology, pointed out the importance of them and describ

3、ed the principles of its realization. Serial communication in accordance with the principle of combining the design of a serial RS232 serial Communication protocol, Based on the use of assembly language, the preparation of a RS232 serial communication based on the procedures, to achieve a single-chi

4、p dual-PC machine communication. Well-tested in hardware, testing showed that the single-chip-PC communications machine based on the design of communication protocols in good condition.索引關(guān)鍵詞：89C51單片機，串行通信原理，串行通訊協(xié)議Key words:89C51 microcontroller, principle of serial communication, serial communicatio

5、n protocol1.緒論1.1 單片機的發(fā)展歷史1.1.1 單片機的發(fā)展趨勢1.2 單片機的特點1.3單片機的應(yīng)用14 AT89C51單片機簡介1.4.1 AT89C51功能特性描述：2.單片機的串行接口2.1 基本概念2.2 MCS-51的串行和控制寄存器2.2.1 串行口和控制寄存器2.2.2 串行口工作方式3.串行通訊協(xié)議及硬件基本組成3.1硬件的基本組成：3.2串行通信原理3.3雙機通信連接方法4.軟件的設(shè)計和調(diào)整過程4.1 程序流程圖4.2 通信協(xié)議4.2.1 串行口控制寄存器SCON的設(shè)置4.2.2 定時器的初始化設(shè)置4.2.3 波特率的選擇和計算4.3程序演示總結(jié)參考文獻1.

6、緒論單片微型計算機簡稱單片機，是典型的嵌入式微控制器。單片機是微型計算機。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、成本低，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。它最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域?，F(xiàn)代人類生活中都在密切接觸單片機，現(xiàn)在很多地方都用到單片機，像計算器、電器、筆記本電腦里面都用到了單片機。1.1 單片機的發(fā)展歷史早期的單片機都是8位或者4位的，單片機最早誕生于70年代80年代末，經(jīng)歷了經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。第一階段（19761978）：單片機的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表，探索發(fā)現(xiàn)微型計算機，這也是單片機一詞的來源。第二階段（19781982）：單片機

7、的完善階段。1. 完善的外部總線。 2.CPU外圍功能單元的集中管理模式。3.體現(xiàn)工控特性的地址空間及位操作方式。4.指令系統(tǒng)逐漸豐富和完善，而且增加了很多突出控制功能的指令。第三階段（19831992）：微型控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。第四階段（1992）：微控制器的全面發(fā)展階段目前應(yīng)用廣泛的主流機型。1.1.1 單片機的發(fā)展趨勢 1）低功耗CMOS化 本著低功耗的原則，現(xiàn)在的很多的單片機制造商基本都采用了CMOS。因為CMOS則具備了高速和低功耗的特點，使它更適合應(yīng)用于低耗電池供應(yīng)場合所，這也成了重要的發(fā)展途徑。2）微型單片化 單

8、片機是典型的嵌入式微控制器。它是一種在線形式的時控制計算機。單片機雖然是是微型數(shù)位計算機，它的設(shè)備和其他計算機一樣，僅僅缺少一個輸入輸出設(shè)備。3）主流與多品種共存 現(xiàn)在，隨著工業(yè)的高速的發(fā)展，人類對單片機的需求頁不斷擴大。單片機由剛開始的單一型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)用在各個領(lǐng)域和各個電子器件中。如今我們生活中的大多數(shù)電子產(chǎn)品中都置有不同數(shù)量的單片機。1.2 單片機的特點單片機主要有如下特點：1.有優(yōu)異的性能價格比。 2.單片機的集成度很高，體積也是最小的。3.制功能強。單片機的邏輯控制功能比同一檔次的微機要高。4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。5.外部總線增加了I2C及SPI等串行總線方式，縮小了體積

9、，簡化了結(jié) 構(gòu)。6. 單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系 統(tǒng)。1.3單片機的應(yīng)用（1） 單片機的顯著有點已使它成為科技領(lǐng)域的有力工具。它的應(yīng)用遍及各 個領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.單片機在智能儀表中的應(yīng)用2.單片機在機電一體化中的應(yīng)用3.單片機在實時控制中的應(yīng)用4.單片機在分布式多機系統(tǒng)中的應(yīng)用5.單片機在人類生活中的應(yīng)用（2）用單片機組成的微機控制系統(tǒng)具有以下特點:1.技術(shù)集成系統(tǒng)復(fù)雜程度高。2.可靠性高和可維修性好。 3.抗干擾能力強。 4.多樣性的控制功能。5.應(yīng)用的靈活性。使原有機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡化、控制智能化。14 AT89C51單片機簡介目前最廣泛應(yīng)用的

10、單片機就是 AT89C51單片機，它是由美國ATMEL公司開發(fā)生產(chǎn)的，它是一種低電壓、高性能的CMOS8位單片機，因為將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在這個芯片中，使得單片機更加廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。 主要性能參數(shù)：與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)的全兼容 4k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次可擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz三級加密程序存儲器1288字節(jié)內(nèi)部RAM 32個可編程I/O口線2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式 圖1.1 單片機AT89C511.4.1 AT89C51功能特性描述： AT89C51是一種帶4K字節(jié)flash存儲器的低

11、電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件具有ATMEL高密度、強大存儲性能。它是一種高性能的微控制器。（1） AT89C51引腳功能說明：Vcc：電源電壓GND：接地功能。P0口：PO口地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，它能接收 輸出4TTL門電流。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口在FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4 個TTL門電流。它的一些特殊功能下表所示： 口管腳備選功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口

12、）P3.2/INT0（外部中斷0）P3.3/INT1（外部中斷1）P3.4T0（計時器0外部輸入）P3.5T1（計時器1外部輸入）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RST：復(fù)位輸出。當(dāng)震蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期 的高電平時間。 EA/VPP：外部訪問允許。XTAL1：震蕩器反向放大器及內(nèi)部時鐘的輸入端。XAAL2：震蕩器反向放大器的輸出端。Flash閃速存儲器的特點： （1） 具有不揮發(fā)性：它具有不需要通過電來保持?jǐn)?shù)據(jù)的優(yōu)點，這一特 點與磁存儲器相似。 （2）方便更新性：Flash存儲器具有電可擦除特點。 （3）成本低、密度高。編程方

13、法： 時鐘震蕩器AT89C51的編程方法如下：1.0 在地址線上加上要編程單元的地址信號。1.在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。2.激活相應(yīng)的控制信號。3.在高電壓編程時，將EA/Vpp端加上+1V編程電壓。4.每對Flash存儲陣列寫入一個字節(jié)，加上一個ALE/PROG編程脈沖。 AT89C51控制信號 即RST/VPD（引腳9）復(fù)位信號，時鐘電路，高水平的兩個機器周期的引腳，芯片初始化復(fù)位后，記憶狀態(tài)是P1，P3輸出高電平復(fù)位，堆棧指針的07初值寫SP，0 PC程序計數(shù)器的特殊功能寄存器的休息，但始終不影響它的內(nèi)存狀態(tài)，只要引腳保持高，89C51單片機復(fù)位，從高電平到單片機的程序從0號機組開

14、始執(zhí)行水平低，除了引腳具有復(fù)用功能，只要VPD + 5V備用電源，一旦Vcc電位突然減小或關(guān)閉，可以保護芯片的RAM中的信息不丟失，能恢復(fù)正常工作后。單片機的串行接口計算機與外界的信息交換稱為通信。在通信領(lǐng)域，有兩種數(shù)據(jù)通信方式：并行通信和串行通信。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和分布式應(yīng)用系統(tǒng)，溝通的作用越來越重要。通信是指計算機與外部的信息傳輸，無論是傳輸?shù)挠嬎銠C與計算機之間，包括計算機和外圍設(shè)備，如終端之間的傳輸，打印機和磁盤設(shè)備。串行通信是指使用數(shù)據(jù)線，數(shù)據(jù)位的傳輸，每個數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間，這種通信方式只需要幾行的信息交換完成。2.1 基本概念串行通信的兩種通信形式1. 異步通信 在這種通信

15、方式中，接收器和發(fā)射器有各自的時鐘，他們的工作是非同步的，異步通信用一幀來表示一個字符，其內(nèi)容如下：一個起始位，緊接著是若干個數(shù)據(jù)位，下圖是異步通信的一幀數(shù)據(jù)格式。2.同步通信 在同步通信格式，發(fā)射機和接收機都是由同一個時鐘源控制。為了克服異步傳輸，傳輸?shù)拿恳粠急仨毤由掀鹗己屯Ｖ刮弧．?dāng)每個數(shù)據(jù)塊發(fā)送，一個或兩個同步字符發(fā)送第一，并發(fā)送和接收同步，然后傳送數(shù)據(jù)的順序，這樣可以提高通信速度。下圖為同步通信數(shù)據(jù)幀格式。3. 串行數(shù)據(jù)通信的傳輸速率： 這兩個概念進行串行數(shù)據(jù)傳輸率，既每秒傳輸?shù)谋忍財?shù)，BPS（比特/秒）秒，每秒符號數(shù)-波特率（波特率），在調(diào)制解調(diào)通信，波特率和調(diào)制速率。2.2 MCS

16、-51的串行和控制寄存器2.2.1 串行口和控制寄存器（1）串行口 MCS-51單片機的串行端口有4種基本工作方式，方式0和方式1分別用于外接移位寄存器和與外設(shè)電路通信。方式2、3除有方式1的功能外，還有可以作多機通信的功能。串行端口有一個數(shù)據(jù)寄存器SBUF在99h特殊功能寄存器的字節(jié)地址，發(fā)送和接收共用寄存器。串口控制寄存器SCON兩，設(shè)定工作主機，發(fā)送或接收的狀態(tài)、特點，數(shù)據(jù)傳輸波特率每秒傳送的位數(shù)作為一個符號例如：中斷。（2）控制寄存器 串行端口有兩個控制寄存器SCON、PCON，用于設(shè)置工作方式、發(fā)送或接收狀態(tài)以及作為終端標(biāo)志。在串口通信，發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)傳輸速率（波特率）的同意。在M

17、CS-51單片機串行口模式四，模式0和2的波特率是固定的，1和3的波特率是可變的，定時器T1溢出率控制。1 方式1方式1的波特率固定為主振頻率的1/12。2 方式2 方式2的波特率模式由PCON、 SMOD確定可以表述為：波特率= 2smod *比值64也就是當(dāng)SMOD = 1，波特率為1 / 32 * Fosc。當(dāng)SMOD = 0，波特率為1 / 64 * Fosc。3方式1和方式3定時器T1作為波特率發(fā)生器，公式時：波特率=2SMOD32定時器T1溢出率 T1溢出率=Fsoc12256-X 4由上述，方式0的波特率：固定為振蕩頻率的1/12。并不受PCON寄存器中SMOD位的影響。即方式0

18、的波特率=fosc/12方式2的波特率：當(dāng)SMOD=0時，波特率為fosc的1/64；若SMOD=1，則波特率為fosc的1/32。即方式2的波特率= 2SMODfosc/64方式1和方式3的波特率：T1作為波特率發(fā)生器時： 即波特率= /（2n -初值）T2作波特率發(fā)生器時： 即波特率=2.2.2 串行口工作方式 串行口具有4種工作方式，我從應(yīng)用和畢業(yè)設(shè)計的角度，重點討論方式1發(fā)送。在一個工作的串行接口定義，控制8位異步通信接口，為10位發(fā)送一幀信息，其中的一個開始，8位數(shù)據(jù)位（低-高），1個停止位。（1）方式1輸出 串行接口以方式1發(fā)送時，數(shù)據(jù)由TXD端輸出。CPU執(zhí)行寫數(shù)據(jù)的發(fā)送緩沖器S

19、BUF指令（例如，MOV SBUF，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)），開始寫SBUF串行發(fā)送器，發(fā)送一幀后，置中斷標(biāo)志TI。（2）方式1輸入 串行口以方式1接收時，數(shù)據(jù)從RXD端輸入。在REN置1以后，就允許接收器接收。接收器以所建立的波特率的16倍分頻計數(shù)器，以便實現(xiàn)時間同步。計數(shù)器16的狀態(tài)分為16次，每次在7，8和9的計數(shù)狀態(tài)，位置檢測器接收采樣值，接收的值是3倍采樣至少兩次相同的值，消除噪聲干擾。如果收到的價值起點不是0，出發(fā)點是無效的，復(fù)位接收電路。如果在起始接收的值不是0，則起始位無效，復(fù)位接收電路。在檢測到另一個1到0的跳變時，再重新啟動接收器。如果接收到值為0，起始位有效，則開始接收本幀的其余

20、信息。當(dāng)RI = 0和收到停止位為1（或SM2 = 0），停止位輸入中，接收8位數(shù)據(jù)到接收緩沖器SBUF，設(shè)置RI中斷標(biāo)志。接著接收便搜索另一幀信息的起始位。3.串行通訊協(xié)議及硬件基本組成通常情況下，人們使用計算機的外部設(shè)備，但由于種種原因，往往與CPU直接連接不連接的外設(shè)，它們之間的信息交換需要一個中間環(huán)節(jié)（或接口），我們稱為接口電路。串行接口是計算機的一種接口標(biāo)準(zhǔn)。串口是常用的計算機與外部串行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸通道，同時，串行接口也可以用來實現(xiàn)短距離的雙機通信。串行通信只是用兩條線就完成通信，成本低、效率高。3.1硬件的基本組成：51單片機、11.059M晶體2只、22pF瓷片電容、10u

21、f/10V電解電容、RES電阻、雙列電阻網(wǎng)絡(luò)（RX8 300R）、七段數(shù)碼管7SEG-MPX1-CA。3.2串行通信原理所謂的“串行通信”是指與計算機外圍設(shè)備或使用數(shù)據(jù)線兩計算機，控制線與地線連接，在數(shù)據(jù)線的傳輸數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)占據(jù)一個固定的時間長度。在計算機系統(tǒng)中，每個字符一般使用一個8位二進制代碼表示。在數(shù)據(jù)通信中，通常將待傳送的每個字符的二進制代碼按照由低位到高位的順序依次發(fā)送的方式成為串行通信。 圖3.1 串行通信的示意圖3.3雙機通信連接方法 兩機通信方式可以分為單工，半雙工通信，全雙工通信，其通信原理及通信方式：單工通信：指消息只能單方向傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?。單工通信信道是單向信道，發(fā)送端

22、和接收端的身份是固定的，發(fā)送端只能發(fā)送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能發(fā)送信息，數(shù)據(jù)信號僅從一端傳送到另一端，即信息流是單方向的。例如：生活中的廣播就是一種單工通信的工作方式。廣播站是發(fā)送端，聽眾是接收端。廣播站向聽眾發(fā)送信息，聽眾接收獲取信息。廣播站不能作為接收端獲取到聽眾的信息，聽眾也無法作為發(fā)送端向廣播站發(fā)送信號。4.軟件的設(shè)計和調(diào)整過程4.1 程序流程圖程序流程圖是編寫軟件的重要前提，它是在圖表上直觀的體現(xiàn)擬設(shè)計的目的及過程。它是進行程序流程分析過程中最基本的工具,也是編譯的重要依據(jù)，按照流程圖一步一步編寫程序，下面是我的流程圖; 圖4.1 串口程序設(shè)計流程 圖4.2 程序

23、設(shè)計流程4.2 通信協(xié)議 在計算機通信中，通信協(xié)議是用來實現(xiàn)計算機與網(wǎng)絡(luò)連接之間的標(biāo)準(zhǔn)。如果沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議，計算機之間的信息傳輸不被認(rèn)可的。通信協(xié)議是指通信雙方事先約定的規(guī)則，可以簡單地理解為每一臺計算機用于彼此溝通的共同語言。有兩臺計算機通信時，必須使用的通信協(xié)議。4.2.1 串行口控制寄存器SCON的設(shè)置串行口控制寄存器的在上一節(jié)已經(jīng)介紹，我們采用了串行工作方式1，REN設(shè)置為“1”（允許接收），綜上所述我們設(shè)SCON的初始值為50H，如下表所示：SM0SM1SM2RENTB8TB8TIRI01010000 表4.1 串行口控制寄存器4.2.2 定時器的初始化設(shè)置在定時器為方式1時，方

24、式字為：M1MO，選定定時器1工作方式2所以定時器TMOD初始值為20HCATEC/M1MOT10010T0 表4.2 定時計數(shù)器的初始化GATE：表示不參與控制C/：選擇計數(shù)/時鐘方式4.2.3 波特率的選擇和計算 波特率就是在串口通信中每秒能夠發(fā)送的位數(shù)，51串行端口在四種工作模式下有不同的波特率計算方法。模式0和2計算方法比較簡單，在這里不再介紹。模式1和3的計算方法相同，此僅以工作模式1為例來說明串口通信波特率的選擇。波特率=（1+SMOD）*晶振頻率/（384*（256-TH1） 在選擇波特率的時候需要考慮兩點：首先，系統(tǒng)需要的通信速率。這要根據(jù)系統(tǒng)的運作特點，確定通信的頻率范圍。然

25、后考慮通信時鐘誤差。使用同一晶振頻率在選擇不同的通信速率時通信時鐘誤差會有很大差別。為了通信的穩(wěn)定，我們應(yīng)該盡量選擇時鐘誤差最小的頻率進行通信。通過查閱資料并計算誤差，在通信中做好選用波特率為1200，2400，4800中的一個4.3程序演示本設(shè)計主要是通過89C51單片機的串行通信端口TX（RC7）發(fā)送引腳，RX（RC6）接收引腳，繪制信息，把下位機（單片機）的信息通過RS232總線傳輸給上位機（PC機），上位機借助串口調(diào)試軟件接手或發(fā)送信息給下位機。為了能夠在計算機端看到單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)，我們必須借助一個WINDOWS軟件進行觀察.這里我們主要使用串口調(diào)試軟件做演示工具：1. 用于串口調(diào)試，支持常用的110-25600波特率，能設(shè)置端口參數(shù)；2. 能以字符或十六進制收發(fā)數(shù)據(jù)，真正支持中文字符的收發(fā)；3. 支持文件數(shù)據(jù)的發(fā)送；4.允許設(shè)置發(fā)送周期，自動發(fā)送數(shù)據(jù)；5.