單片機與PC 機的通信原理的設計研究-設計應用

精品文檔-下載后可編輯單片機與PC機的通信原理的設計研究-設計應用隨著系統(tǒng)的廣泛應用和計算機網絡技術的普及，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。單片機通信是指單片機與計算機或單片機與單片機之間的信息交換，通常單片機與計算機之間的通信用的較多。本文以溫度檢測數(shù)據為基礎，研究了單片機與機的及電路的設計。

引言

本文研究的是一種基于串口的溫度檢測數(shù)據收發(fā)模塊。利用DS18B20溫度傳感器設計溫度監(jiān)測模塊，到0.1℃，用液晶顯示當前溫度，然后通過串口調試助手向單片機發(fā)送指令。當單片機收到十六進制指令01時，將當前溫度值以1s為間隔傳回PC機顯示，同時PC機顯示Turnontemp;當單片機收到十六進制指令02時，停止溫度值的回傳，PC機顯示Turnofftemp;當單片機收到其它指令時，PC機顯示Error。

1總體設計

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調完成，硬件部分主要完成信息的顯示；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。

本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設計，以AT89C52單片機為，與LCD顯示電路、串行口通信電路及DS18B20溫度檢測電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：

AT89C52主控模塊、LCD顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20溫度檢測模塊等。其中AT89C52主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LCD顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC機之間的通信功能，DS18B20溫度檢測模塊主要完成環(huán)境溫度檢測功能。系統(tǒng)組成方框圖如圖1.1所示。

圖1.1系統(tǒng)硬件組成方框圖

應用軟件采用模塊化設計方法。該系統(tǒng)軟件主要由主程序、串口接收發(fā)送數(shù)據中斷子程序、LCD顯示子程序等模塊組成，系統(tǒng)軟件結構框圖如圖1.2所示。

圖1.2系統(tǒng)軟件設計框圖

2系統(tǒng)工作原理

MCS-51單片機串行口發(fā)送/接收數(shù)據時，通過2個串行緩沖器SBUF進行，這2個緩沖器采用一個地址（98H），但在物理上是獨立的。其中接收緩沖器只能讀出不能寫入，50發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出。

1.發(fā)送過程

當數(shù)據被寫入SBUF寄存器后，單片機自動開始從起始位發(fā)送數(shù)據，發(fā)送到停止位的開始時，由內部硬件將TI置1,向CPU申請中斷，接下來可在中斷服務程序中做相應處理，也可選擇不進入中斷。

2.接收過程

串行口的接收與否受制于允許接收位REN的狀態(tài)，當REN被軟件置1后，允許接收器接收。串口的接收器以所選波特率的16倍速對RXD線進行監(jiān)視。當1到0跳變時，檢測器連續(xù)采樣到RXD線上低電平時。便認定RXD端出現(xiàn)起始位，繼而接收控制器開始工作。在每位傳送時間的第7、8、9三個脈沖狀態(tài)采樣RXD線，決定所接收的值為0或1.當接收完停止位后，控制電路使中斷標志R1置為1.

3.溫度檢測

溫度檢測采用DALLAS單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,DS18B20是一種新型的一線器件,其體積更小，更適用于多種場合，且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上片支持一線總線接口的溫度傳感器。

溫度測量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9位~12位轉換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9位分辨率時，多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字；在12位分辨率時，多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字。

3溫度傳感器

3.1溫度傳感器特性

DALLAS單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20[2]是一種新型的一線器件,其體積更小，更適用于多種場合，且適用電壓更寬、更經濟。DALLAS半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上片支持一線總線接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9位~12位轉換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9位分辨率時，多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字；在12位分辨率時，多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字。DS18B20的性能特點如下：

1.獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；

2.多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網功能

3.無須外部器件；

4.可通過數(shù)據線供電，電壓范圍為3.0~5.5V;

5.零待機功耗；

6.溫度以9或12位數(shù)字；

7.用戶可定義報警設置；

8.報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；

9.負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；

DS18B02可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。

當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間為10us.采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。

圖3.1DS18B20引腳圖

3.2工作時序圖

1.初始化

圖3.2初始化時序圖

1）先將數(shù)據線置高電平1;2）延時（該時間要求不是很嚴格，但是要盡可能短一些）；3）數(shù)據線拉到低電平0;4）延時750us（該時間范圍可以在480~960us）；5）數(shù)據線拉到高電平1;6）延時等待。如果初始化成功則在15~60ms內產生一個由DS18B20返回的低電平0,據該狀態(tài)可以確定它的存在。但是要注意，不能無限地等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時判斷；7）若CPU讀到數(shù)據線上的低電平0后，還要進行延時，其延時時間從發(fā)出高電平算起少要480us;8）將數(shù)據線再次拉到高電平后結束。

2.DS18B20寫數(shù)據

圖3.3寫數(shù)據時序圖

1）數(shù)據線先置低電平0;

2）延時確定的時間為15us;

3）按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據（只發(fā)送一位）；

4）延時時間為45us;

5）將數(shù)據線拉到高電平1;

6）重復1）到5）步驟，直到發(fā)送完整個字節(jié)；

7）將數(shù)據線拉高到1.

3.DS18B20讀數(shù)據

圖3.4讀數(shù)據時序圖

1）將數(shù)據線拉高為1;

2）延時2us;

3）將數(shù)據線拉低0;

4）延時6us;

5）將數(shù)據線拉高1;

6）延時4us;

7）讀數(shù)據線的狀態(tài)得到1個狀態(tài)位，并且進行數(shù)據處理；

8）延時30us;

9）重復1）到7）步，知道讀取完一個字節(jié)。

4硬件設計

4.1時鐘電路及復位電路

1.時鐘電路

時鐘電路可以產生CPU校準時序，是單片機的控制，本次設計是通過外接12MHz的晶振來實現(xiàn)時鐘電路的時序控制。在使用片內振蕩器時，XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C3和C5構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。當用外部時鐘驅動時，XTAL2引腳應懸空，而由XTAL1引腳上的信號驅動，外部振蕩器通過一個2分頻的觸發(fā)器而成為內部時鐘信號，故對外部信號的占空比沒有什么要求，但和的高電平持續(xù)時間和低電平持續(xù)時間應符合技術要求。電路如圖4.1所示。

圖4.1晶振電路

2.空閑方式

在空閑方式下，CPU的內部時鐘信號被門控電路所封鎖，CPU即進入睡眠狀態(tài)，但內部時鐘信號仍繼續(xù)供給中斷系統(tǒng)，定時器和串行口。這種方式由軟件調用。在空閑方式期間，片內RAM和所有專用寄存器的狀態(tài)仍被保留，空閑方式可通過任何允許的中斷或硬件復位來終止。當空閑方式由硬件復位終止時，通常系統(tǒng)在空閑處恢復程序的執(zhí)行。硬件復位只需要信號持續(xù)有效兩個機器周期。當用復位終止空閑方式時，為防止避免意外寫入端口引腳的可能性，調用空閑方式指令的下一條指令不應是寫端口引腳或外部存儲器。

3.掉電工作方式

5.2程序設計

5.2.1主程序設計

主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能。

1.初始化。

首先調用LCD初始化程序，在LCD上顯示數(shù)據RECEIVE:和TEMPis:*C.

然后調用中斷及串口初始化子程序程序，把串口接收數(shù)據單元RECDATA清零。設置寄存器SCON的SM0、SM1位定義串口工作方式，選擇波特率發(fā)生器為定時器T1;設定定時器T1工作方式為方式2;設置波特率參數(shù)為9600bps;允許串行中斷及總中斷；允許串口接收數(shù)據，定義REN=1;啟動定時/計數(shù)器T1工作，定義TR1=1.

2.串口收發(fā)數(shù)據。

判斷串口成功接收數(shù)據標志位flag_UART是否為0,若flag_uart為0,表明串口未接收到數(shù)據，則繼續(xù)等待串口接收數(shù)據；若flag_uart為1,表明串口成功接收或發(fā)送數(shù)據，進入串口中斷服務子程序，單片機接收數(shù)據，并將串口成功接收數(shù)據標志位flag_uart清零，調用LCD顯示接收數(shù)據子程序，在LCD上顯示單片機從

判斷串口成功接收數(shù)據標志位flag_UART是否為0,若flag_uart為0,表明串口未接收到數(shù)據，則繼續(xù)等待串口接收數(shù)據；若flag_uart為1,表明串口成功接收或發(fā)送數(shù)據，進入串口中斷服務子程序，單片機接收數(shù)據，并將串口成功接收數(shù)據標志位flag_uart清零，調用LCD顯示接收數(shù)據子程序，在LCD上顯示單片機從串口接收到的數(shù)據，同時回傳溫度值給PC機顯示。主程序設計流程圖如圖5.1所示。

圖5.1主程序流程圖

5.2.2串口中斷服務子程序

判斷串口發(fā)送標志位TI是否為1,若TI為1,則把數(shù)據從單片機發(fā)給PC機，并把TI清零，中斷子程序返回；若TI為0,表明RI=0,則把串口接收標志位RI清零，把串口接收緩沖器SBUF中的數(shù)據寫入串口接收數(shù)據單元RECDATA,再把該數(shù)據送到串口發(fā)送緩沖器SBUF中，傳給PC機，置串口成功接收數(shù)據標志位RECOKBIT為1,表明串口成功接收發(fā)送數(shù)據，中斷子程序返回。串口收發(fā)數(shù)據中斷服務子程序設計流程圖如圖5.2所示。

圖5.2串口中斷服務子程序

5.2.3讀溫子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM中的9字節(jié)，在讀出時需進行CRC校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據的改寫。其程序流程圖如圖5.3示。

圖5.3讀溫子程序

5.2.4溫度轉換命令子程序

溫度轉換命令子程序主要是發(fā)溫度轉換開始命令，當采用12位分辨率時轉換時間約為750ms,在本程序設計中采用1s顯示程序延時法等待轉換的完成。溫度轉換命令子程序流程圖如上圖，圖5.4所示。

圖5.4溫度轉換流程圖

5.2.5計算溫度子程序

計算溫濕度子程序將RAM中讀取值進行BCD碼的轉換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖5.5所示。

圖5.5計算溫度流程圖

5.2.6顯示數(shù)據刷新子程序

顯示數(shù)據刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數(shù)據進行刷新操作，當標志位位為1時將符號顯示位移入位。程序流程圖如圖5.6所示。

6結論

本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設計，以AT89C52單片機為，與LCD顯示電路、串行口通信電路及DS18B20溫度檢測電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：

AT89C52主控模塊、LCD顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20溫度檢測模塊等。其中AT89C52主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LCD顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC機之間的通信功能，DS18B20溫度檢測模塊主要完成環(huán)境溫度檢測功能。

在掉電方式下，片內振蕩器停止工作。調用掉電指令是執(zhí)行的一條指令。片內RAM和專用寄存器的值被保留，直到掉電方式終止。退出掉電方式只能靠硬件復位。復位后將重新定義所有專用寄存器，但不改變RAM的內容。在VCC未恢復到正常工作電壓之前，不能啟動復位，復位信號應保持足夠長的時間，以保證振蕩器的起振和達到穩(wěn)定。

為了使單片機正常工作，還需要加入上電復位電路和掉電檢測電路。上電復位簡要原理：

在系統(tǒng)不需要復位時，RST端是低電平；按下按鍵，RST端變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖4.2上電復位電路

AT89C51、晶振電路與上電復位電路共同組成單片機系統(tǒng)，如圖4.3所示。

圖4.3系統(tǒng)

4.2溫度傳感器

圖4.4DS18B20連線圖

從圖4.4可以看出，DS18B20與單片機的連接非常簡單，單片機只需要一個I/O口就可以控制DS18B20.這個圖的接法是單片機與一個DS18B20通信，如果要控制多個DS18B20進行溫度采集，只要將所有的DS18B20的I/O口全部連接到一起就可以了。

4.3LCD顯示模塊

顯示電路采用LCD1602液晶顯示屏，P2作為液晶8位數(shù)據輸入端口。P1.0口作為液晶數(shù)據/命令選擇端口，P1.1為液晶使能端口。

圖4.5LCD顯示模塊

4.4串行口通信模塊設計

51單片機有一個全雙工的串行通信口，使單片機和計算機之間可以方便地進行通信。

電平范圍是電路能夠安全可靠識別信號的電壓范圍。

CMOS電路的電平范圍一般是從0到電源電壓。CMOS電平中，高電平（3.5~5V）為邏輯1,低電平（0~0.8V）為邏輯0.

RS232接口的電平范圍是-15V到+15V,RS232電平采用負邏輯，即邏輯1:-3~-15V,邏輯0:+3~+15V.

單片機的串口是TTL電平的，而計算機的串口是RS232電平，要使兩者之間進行通信，兩者之間必須有一個電平轉換電路，即單片機的串口要外接電平轉換電路芯片把與TTL兼容的CMOS高電平表示的1轉換成RS232的負電壓信號，把低電平轉換成RS-232的正電壓信號。典型的轉換電路給出-9V和+9V.

本設計中實現(xiàn)邏輯電平轉換可以采用MAX232芯片的轉換接口：MAX232是MAXIM公司生產的，包含兩路驅動器和接收器的RS-232轉換芯片。MAX232芯片內部有一個電壓轉換器，可以把輸人的+5V電壓轉換為RS-232接口所需的±10V電壓，尤其適用于沒有±12V的單電源系統(tǒng)。與此原理相同的芯片還有MAX202、AD公司的ADDt101以及SIL公司的IC1232芯片。

圖4.6MAX232芯片引腳

由于protues仿真時不需進行電平轉換，所以仿真時沒有用上MAX232芯片電路，但做實物時需進行電平轉換，其硬件連線圖如圖4.7所示。MAX232芯片的T1in引腳連接AT89C51單片機的P3.1（TXD）引腳，MAX232芯片的R1out引腳連接AT89C51單片機的P3.0（RXD）引腳；MAX232芯片的T1out引腳連接DB9針接口的第2引腳，MAX232芯