深入理解51单片机串口通信及通信实例

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1、深入理解51单片机串口通信及通信实例串口通信的原理串口通信（SerialCommunicaTIons）的概念非常简单，串口按 位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte ）的并行通信慢，但是串口可以在使用一 根线发送数据的同时用另一根线接收数据。它很简单并且能够实现远距离通信。比如 IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的 长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。典型地，串口用于ASCII码字 符的传输。通信使用3根线完成，分别是地线、发送、接收。由于串口通信是异步的，端 口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线

2、用于握手，但不是必须的。 串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。对于两个进行通信的端口， 这些参数必须匹配。a,波特率：这是一个衡量符号传输速率的参数。指的是信号被调制以后在单位时间内的 变化，即单位时间内载波参数变化的次数，如每秒钟传送240个字符，而每个字符格式包 含10位（1个起始位，1个停止位，8个数据位），这时的波特率为240Bd，比特率为10 位*240个/秒=2400bps。一般调制速率大于波特率，比如曼彻斯特编码）。通常电话线的波 特率为14400，28800和36600。波特率可以远远大于这些值，但是波特率和距离成反比。 高波特率常常用于放置的很近的仪器间的

3、通信，典型的例子就是GPIB设备的通信。b，数据位：这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据 往往不会是8位的，标准的值是6、7和8位。如何设置取决于你想传送的信息。比如， 标准的ASCII码是0127 （7位）。扩展的ASCII码是0255 （8位）。如果数据使用简单 的文本（标准ASCII码），那么每个数据包使用7位数据。每个包是指一个字节，包括开 始/停止位，数据位和奇偶校验位。由于实际数据位取决于通信协议的选取，术语包指任 何通信的情况。c，停止位：用于表示单个包的最后一位。典型的值为1，1.5和2位。由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，

4、很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适 用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。d,奇偶校验位：在串口通信中一种简单的检错方式。有四种检错方式：偶、奇、高和低。 当然没有校验位也是可以的。对于偶和奇校验的情况，串口会设置校验位（数据位后面的 一位），用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。例如，如果数据是011,那么 对于偶校验，校验位为0,保证逻辑高的位数是偶数个。如果是奇校验，校验位为1,这 样就有3个逻辑高位。高位和低位不真正的检查数据，简单置位逻辑高或者逻辑低校验。 这

5、样使得接收设备能够知道一个位的状态，有机会判断是否有噪声干扰了通信或者是否传 输和接收数据是否不同步。RS232概述在我们电脑上，一般都会有一个9针的串行接口，这个串行接口叫做RS232 接口，它和UART通信有关联，但是由于现在笔记本电脑不带9针串口，所以和单片机通 信越来越趋于使用USB虚拟串口。九针串口分工头和母头公头上5下4，上5从左到右为123.4.5；下4从左到右为6.7.8.9；母头上5下4，上 5从左到右为5.4.3.2.1； 下 4从左到右为9.8.7.6；RS232接口一共有9个引脚，分别定义是：1、载波检测DCD； 2、接收数据RXD； 3、发 送数据TXD； 4、数据终

6、端准备好DTR； 5、信号地线SG； 6、数据准备好DSR； 7、请 求发送RTS； 8、清除发送CTS； 9、振铃提示RI。我们要让这个串口和我们单片机进行 通信，我们只需要关心其中的2脚RXD、3脚TXD和5脚GND即可虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样，但是却不能直接和单片机对连通 信，这是为什么呢？随着我们了解的内容越来越多，我们得慢慢知道，不是所有的电路都 是5V代表高电平而0V代表低电平的。对于RS232标准来说，它是个反逻辑，也叫做负 逻辑。为何叫负逻辑？它的TXD和RXD的电压，-3V-15V电压代表是1，+3+15V 电压代表是0。低电平代表的是1，而高电平代表

7、的是0，所以称之为负逻辑。因此电脑的 9针RS232串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个电平转换芯片MAX232来完成这个芯片就可以实现把标准 RS232串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的 UART0V/5V电平。从这里大家似乎慢慢有点明白了，其实RS232串口和UART串口，它 们的协议类型是一样的，只是电平标准不同而已，而MAX232这个芯片起到的就是中间 人的作用，它把UART电平转换成RS232电平，也把RS232电平转换成UART电平，从 而实现标准RS232接口和单片机UART之间的通信连接。USB转串口通信随着技术的发展，工业上还有RS232串口通信的大量使用，但是商业

8、技 术的应用上，已经慢慢的使用USB转UART技术取代了 RS232串口，绝大多数笔记本电 脑已经没有串口这个东西了，那我们要实现单片机和电脑之间的通信该怎么办呢？ 们只需要在电路上添加一个USB转串口芯片，就可以成功实现USB通信协议和标准UART 串行通信协议的转换，在我们的开发板上，我们使用的是CH340T这个芯片 我们需要用跳线帽把中间和下边的针短接在一起。右侧的CH340T这个电路很简单，把电 源、晶振接好后，6脚和7脚的DP和DM分别接USB 口的2个数据引脚上去，3脚和4 脚通过跳线接到了我们单片机的TXD和RXD上去。CH340T的电路里3脚位置加了个4148的二极管，是一个小

9、技巧。因为STC89C52这个单 片机下载程序时需要冷启动，就是先点下载后上电，上电瞬间单片机会先检测需要不需要 下载程序。虽然单片机的VCC是由开关来控制，但是由于CH340T的3脚是输出引脚， 如果没有此二极管，开关后级单片机在断电的情况下，CH340T的3脚和单片机的P3.0（即 RXD）引脚连在一起，有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成 后级有一定幅度的电压，这个电压值虽然只有两三伏左右，但是可能会影响到正常的冷启 动。加了二极管后，一方面不影响通信，另外一个方面还可以消除这种不良影响。这个地 方可以暂时作为了解，大家如果自己做这类电路，可以参考一下。IO 口模拟

10、UART串口通信UART串口波特率，常用的值是300、600、1200、2400、4800、 9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200 等速率。IO 口模拟 UART 串行通信 程序是一个简单的演示程序，我们使用串口调试助手下发一个数据，数据加1后，再自动返回。串口调试助手，这里我们直接使用STC-ISP软件自带的串口调试助手，先把串口调试助手 的使用给大家说一下，如图11-6所示。第一步要选择串口助手菜单，第二步选择十六进 制显示，第三步选择十六进制发送，第四步选择COM 口，这个COM 口要和自己电脑设 备管理器里的那个COM 口一致，波特率按我们

11、程序设定好的选择，我们程序中让一个数 据位持续时间是1/9600秒，那这个地方选择波特率就是选9600，校验位选N,数据位8, 停止位1。串口调试助手的实质就是利用电脑上的UART通信接口，发送数据给我们的单片机，也可 以把我们的单片机发送的数据接收到这个调试助手界面上。因为初次接触通信方面的技术，所以我把后面的IO模拟串口通信程序进行一下解释，大 家可以边看我的解释边看程序，把底层原理先彻底弄懂。变量定义部分就不用说了，直接看main主函数。首先是对通信的波特率的设定，在这里 我们配置的波特率是9600，那么串口调试助手也得是9600。配置波特率的时候，我们用 的是定时器T0的模式2。模式2

12、中，不再是TH0代表高8位，TL0代表低8位了，而只 有TL0在进行计数，当TL0溢出后，不仅仅会让TF0变1，而且还会将TH0中的内容重 新自动装到TL0中。这样有一个好处，就是我们可以把想要的定时器初值提前存在TH0 中，当TL0溢出后，TH0自动把初值就重新送入TL0 了，全自动的，不需要程序中再给 TL0重新赋值了，配置方式很简单，大家可以自己看下程序并且计算一下初值。波特率设置好以后，打开中断，然后等待接收串口调试助手下发的数据。接收数据的时候， 首先要进行低电平检测while (PIN_RXD)，若没有低电平则说明没有数据，一旦检测到低 电平，就进入启动接收函数StartRXD (

13、)。接收函数最开始启动半个波特率周期，初学可 能这里不是很明白。大家回头看一下我们的图11-2里边的串口数据示意图，如果在数据 位电平变化的时候去读取，因为时序上的误差以及信号稳定性的问题很容易读错数据，所 以我们希望在信号最稳定的时候去读数据。除了信号变化的那个沿的位置外，其它位置都 很稳定，那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态，这样能够保证我们读的一定是正确的。一旦读到了起始信号，我们就把当前状态设定成接收状态，并且打开定时器中断，第一次 是半个周期进入中断后，对起始位进行二次判断一下，确认一下起始位是低电平，而不是 一个干扰信号。以后每经过1/9600秒进入一次中断，并且把这个

14、引脚的状态读到RxdBuf 里边。等待接收完毕之后，我们再把这个RxdBuf加1,再通过TXD引脚发送出去，同样 需要先发一位起始位，然后发8个数据位，再发结束位，发送完毕后，程序运行到while （PIN_RXD）,等待第二轮信号接收的开始。uart模块介绍IO 口模拟串口通信，让大家了解了串口通信的本质，但是我们的单片机程 序却需要不停的检测扫描单片机IO 口收到的数据，大量占用了单片机的运行时间。这时 候就会有聪明人想了，其实我们并不是很关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果， 最终得到接收到的数据就行了。这样我们可以在单片机内部做一个硬件模块，让它自动接 收数据，接收完了，通知我们一

15、下就可以了，我们的51单片机内部就存在这样一个UART 模块，要正确使用它，当然还得先把对应的特殊功能寄存器配置好。51单片机的UART串口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路三部分构成， 先来了解一下串口控制寄存器SCON。SCON串行控制器的位分配（地址：0x98）位：符号：复位值：0： RI： 0； 1： TI： 0； 2:RB8:0;3:TB8:0;4:REN:0;5:SM2:0;6:SM1:0;7:SM0:0;0位RI：接收中断标志位，当接收电路接收到停止位的中间位置时，RI由硬件置1，必须 通过软件清零1位TI：发送中断标志位，当发送电路发送到停止位的中间位置时，TI由

16、硬件置1，必须 通过软件清零。2位RB8：模式2和3中接收到的第9位数据（很少用），模式1用来接收停止位。3位TB8：模式2和3中要发送的第9位数据（很少用）。4位REN：使能串行接收。由软件置位使能接收，软件清零则禁止接收。5位SM2:多机通信控制位（极少用），模式1直接清零。6位SM1和7位SMO：这两位共同决定了串口通信的模式0模式3共4种模式。我们最常用的就是模式1,也 就是SMO=O, SM1=1，下边我们重点就讲模式1,其它模式从略。对于串口的四种模式，模式1是最常用的，就是我们前边提到的1位起始位，8位数据位 和1位停止位。下面我们就详细介绍模式1的工作细节和使用方法，至于其它3

17、种模式与 此也是大同小异，真正遇到需要使用的时候大家再去查阅相关资料就行了。在我们使用IO 口模拟串口通信的时候,串口的波特率是使用定时器TO的中断体现出来的。在硬件串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于 STC89C52单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器T1或定时器T2产生，而不能由 定时器TO产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。如果用定时器2,需要配置额外的寄存器，默认是使用定时器1的，我们本章内容主要就 使用定时器T1作为波特率发生器来讲解，方式1下的波特率发生器必须使用定时器T1 的模式2,也就是自动重装载模式，定时器的重载值计算公式为：TH

18、1 = TL1 = 256 -晶振值/12 /2/16 /波特率和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器PCON,他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写PCON 1= 0x80以后，计算公式就成了：TH1 = TL1 = 256 -晶振值/12 /16 /波特率公式中数字的含义这里解释一下，256是8位定时器的溢出值，也就是TL1的溢出值，晶 振值在我们的开发板上就是11059200, 12是说1个机器周期等于12个时钟周期，值得关 注的是这个16,我们来重点说明。在IO 口模拟串口通信接收数据的时候，采集的是这一 位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些

19、。他采取的方式是 把一位信号采集16次，其中第7、8、9次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那 么就认定这一位数据是1,如果两次是低电平，那么就认定这一位是0,这样一旦受到意 外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。串口通信的发送和接收电路在物理上有2个名字相同的SBUF寄存器，它们的地址也都是0x99，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有2个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我 们就可以实现UART的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次 只操作SBUF，单片机会自动根据对它执行的是

20、读还是写操作来选择是接收SBUF还是发 送SBUF，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。UART串口程序：一般情况下，我们编写串口通信程序的基本步骤如下所示：1、配置串口为模式1。2、配置定时器T1为模式2,即自动重装模式。3、根据波特率计算TH1和TL1的初值，如果有需要可以使用PCON进行波特率加倍。4、打开定时器控制寄存器TR1，让定时器跑起来。这里还要特别注意一下，就是在使用T1做波特率发生器的时候，千万不要再使能T1的中 断了。我们先来看一下由IO 口模拟串口通信直接改为使用硬件UART模块时的程序代码，看看 程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和

21、IO 口模 拟的是完全一样的。通信实例与ASCLL码先抛开我们使用的汉字不谈，那么我们常用的字符就包含了 09的 数字、AZ/az的字母、还有各种标点符号等。那么在单片机系统里面我们怎么来表示它 们呢？ ASCII 码（AmericanStandardCodeforlnformationlnterchange,即美国信息互换标准代 码）可以完成这个使命：我们知道，在单片机中一个字节的数据可以有0255共256个 值，我们取其中的0127共128个值赋予了它另外一层涵义我们用字符格式发送一个小写的a，返回一个十六进制的0x61，数码管上显示的也是61，ASCII码表里字符a对应十进制是97，等于

22、十六进制的0x61 ；我们再用字符格式发送一 个数字1，返回一个十六进制的0x31，数码管上显示的也是31，ASCII表里字符1对应的十进制是49,等于十六进制的0x31。这下大家就该清楚了：所谓的十六进制发送和十六 进制接收，都是按字节数据的真实值进行的；而字符格式发送和字符格式接收，是按ASCII 码表中字符形式进行的，但它实际上最终传输的还是一个字节数据。这个表格，当然不需 要大家去记住，理解它，用的时候过来查就行了。51单片机串口通信实例（字符串接收和发送）#includereg52.h/串口通信协议/*客户端数据包格式解释（长度恒为15）：例如：A01_fmq_01Off_#A数据包

23、的开始标记（可以为A到乙 意味着数据包可以有26种）01-设备代号fmq_01Off指令（长度恒为10），指令的前4个人字符是指令头部，指令的后6个字符是指令尾部# 数据包的结束标记服务器端数据包格式解释（长度恒为15）：例如：A02_SenT010250#A数据包的开始标记（可以为A到乙 意味着数据包可以有26种）02-设备代号SenT010250指令（长度恒为10），指令的前4个人字符是指令头部，指令的后6个字符是指令尾部# 数据包的结束标记*/char buf_string 16; 定义数据包长度为15个字符#define deviceID_1Bit 0 用于串口通信时，定义本地设备ID

24、的第1位#define deviceID_2Bit 2 用于串口通信时，定义本地设备ID的第2位#define datapackage_headflag A /用于串口通信时，定义数据包头部的验证标记char DataPackage_DS18B20 16 =datapackage_headflag, deviceID_lBit, deviceID_2Bit, _, S, e, n, T, X, X, X, X, X, X, #;char HeartBeat 16 =datapackage_headflag, deviceID_1Bit, deviceID_2Bit, _, B, e, a, t

25、, X, X, X, X, X, X, #;/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* !串口通信MCU:89C52RC 11.0592MHz /11.0592MHz 0xd0 1200bps/12MHz 0xcc 1200bps/11.0592MHz 0xfa 9600bps0xf4 11.0592MHz 0xf3 12MHz 4800bps均在SMOD=1的情况下（波特率倍增模式）*1

26、* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* /!串口发送函数void PutString (unsigned char *TXStr) ES=0;while (*TXStr! =0)SBUF=*TXStr;while (TI=0);TI=0;TXStr+;ES=1;串口接收函数bit ReceiveString ()char * RecStr=buf_string;char num=O;unsig

27、ned char count=0;loop：*RecStr=SBUF;count=0;RI=0;if (num14) 数据包长度为15个字符，尝试连续接收15个字符num+;RecStr+;while (! RI)count+;if (count130) return 0; /接收数据等待延迟，等待时间太久会导致CPU运算闲置，太短 会出现数据包被分割，默认count=130goto loop;return 1;定时器1用作波特率发生器void Init_USART()SCON=Ox5O; 串口方式1，使能接收TMODI=Ox2O; /定时器1工作方式2(8位自动重装初值)TMOD二0x10;

28、TH1=0xfa; /9600bpsTLl=Oxfa;PCONI=0x80; SMOD=1TR1=1;TI=0;RI=0;/PS=1; /提高串口中断优先级ES=1;/开启串口中断使能比较指令头部bit CompareCMD_head (char CMD_head )unsigned char CharNum;for (CharNum=O;CharNum4;CharNum+) 指令长度为 10 个字符if(！ (buf_string CharNum+4 =CMD_head CharNum)return 0; /指令头部匹配失败return 1; /指令头部匹配成功比较指令尾部(start:从哪

29、里开始比较，quality:比较多少个字符，CMD_tail ：要比 较的字符串)bit CompareCMD_tail (unsigned char start, unsigned char quality, char CMD_tail )unsigned char CharNum;for (CharNum=0;CharNumquality;CharNum+)if (! (buf_string start+CharNum =CMD_tail CharNum)return 0;return 1;bit Deal_UART_RecData () 处理串口接收数据包函数(成功处理数据包则返回1，否

30、则 返回0)/PutString (buf_string);if (buf_string 0二二datapackage_headflagbuf_string 14 =#) 进行数据包头尾标记验 证switch (buf_string 1) 识别发送者设备ID的第1位数字case 0：switch (buf_string 2) 识别发送者设备ID的第2位数字case 3:if (CompareCMD_head (Ligt) 判断指令头部是否为 Ligt下面是指令尾部分析switch (buf_string 8)case 0：switch (buf_string 9) case 0：return

31、0;case 1: if (CompareCMD_tail (10, 3, Off) A03_Ligt01Off_#要执行的代码return 1;if (CompareCMD_tail (10, 3, On_)return 1;return 0;default：return 0;case 1:default：return 0;if (CompareCMD_head (SenT)if (CompareCMD_head (jdq_)if (CompareCMD_head (Try!)return 0;default：return 0;default：return 0;return 0; *1* *

32、1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* !*Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw中断函数*1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *

33、Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw*Jw *Jw *Jw *Jw !串口中断服务函数void USART () interrupt 4 标志位TI和RI需要手动复位，TI和RI置位共用一个中断入口if(ReceiveString()数据包长度正确则执行以下代码Deal_UART_RecData();else数据包长度错误则执行以下代码/LED1二LED1;RI=0; /接收并处理一次数据后把接收中断标志清除一下，拒绝响应在中断接收忙的时候发来的请求/ *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1*

34、 *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* / y y *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw主函数*1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* *1* / *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw*Jw *Jw *Jw *Jw *Jw *Jw !void main ()EA=1;Init_USART ();while (1)/PutString (buf_string);空格 20H,回车 ODH