单片机与PC机的串口通信-毕业论文

引言 第 1 页 (共 43 页) 安徽矿业职业技术学院安徽矿业职业技术学院 毕业课题（设计）任务书毕业课题（设计）任务书 （2015 届）届） 题题目目 指导教师指导教师 院院系系 专专业业 班班级级 学学号号 姓姓名名 20年年月月日至日至 20年年月月日共日共周周 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 2 页 (共 43 页) 1 引言引言 1.1选题背景选题背景3 1.2目的和意义目的和意义4 1.3国内外发展现状国内外发展现状5 2 系统分析系统分析 2.1系统功能概述系统功能概述6 2.2系统要求及主要内容系统要求及主要内容6 2.3系统技术指标系统技术指标7 3 系统总体设计系统总体设计 3.1硬件电路设计思路硬件电路设计思路8 3.2软件设计思路软件设计思路9 4 硬件电路设计硬件电路设计10 4.1单片机模块单片机模块10 4.2红外通信（发射与接收）模块红外通信（发射与接收）模块18 4.3PC 机模块机模块21 5 串行口通信技术串行口通信技术24 5.1单片机串行口通信技术单片机串行口通信技术25 5.2PC 机串口通信技术机串口通信技术28 6 软件设计软件设计30 6.1单片机通信程序设计单片机通信程序设计 30 6.2PC 机通信程序设计机通信程序设计 6.2PC 机通信程序设计机通信程序设计 引言 第 3 页 (共 43 页) PC 机机 MCS-51 单片机的串口通信单片机的串口通信 1 引言引言 1.1选题背景选题背景 在国内外，以 PC 机作为上位机，单片机作为下位机的控制系统中，PC 机通常 以软件界面进行人机交互， 以串行通信方式与单片机进行积极交互，而单片机系统根 据被控对象配置相应的前向，后向信息通道，工作时作为主控机测对象，作为被控机 接受 PC 机监督，指挥，定期或受命向上位机提供对象及本身的工作状态信息。 目前，随着集成电路集成度的增加，电子计算机向微型化和超微型化方向发展， 微型计算机已成为导弹， 智能机器人，人类宇宙和太空和太空奥妙复杂系统不可缺少 的智能部件。 在一些工业控制中，经常需要以多台单片机作为下位机执行对被控对象 的直接控制，以一台 PC 机为上位机完成复杂的数据处理，组成一种以集中管理、分 散控制为特点的集散控制系统。 为了提高系统管理的先进性和安全性， 计算机工业自动控制和监测系统越来越多 地采用集总分算系统。较为常见的形式是由一台做管理用的上位主计算机（主机）和 一台直接参与控制检测的下位机（单片机）构成的主从式系统，主机和从机之间以通 讯的方式来协调工作。 主机的作用一是要向从机发送各种命令及参数：二是要及时收 集、整理和分析从机发回的数据，供进一步的决策和报表。从机被动地接受、执行主 机发来的命令， 并且根据主机的要求向主机回传相应烦人实时数据， 报告其运行状态。 用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、 系统的体积减小、 可靠性提高。 同时，系统的更改和扩充极为容易。MCS-51 系列单片机，由于内部带有一个可用于 异步通讯的全双工的穿行通讯接口，阴齿可以很方便的构成一个主从式系统。 串口是计算机上一种非常通用的设备通讯协议，大多数计算机包容两个基于 RS232 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通过用的通讯协议，很多 GPIB 兼容的设 备也带有 RS-232 口。同时串口通讯协议也可以用于获取远程采集设备数据。所以， 深入的理解学习和研究串口通信相关知识是非常必要的。 此次毕业设计选题为“PC 机 与 MCS-51 单片机的串口通讯”，使用 51 单片机来实现一个主从式的总线通讯系统。 通过此次设计， 对串口通讯的原理和应用融会贯通，为以后的时间工作储备知识和研 究方法。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 4 页 (共 43 页) 1.2目的和意义目的和意义 为了提高系统管理的先进性和安全性， 计算机工业自动控制和监测系统越来越多 地采用集总分算系统。较为常见的形式是由一台做管理用的上位主计算机（主机）和 一台直接参与控制检测的下位机（单片机）构成的主从式系统，主机和从机之间以通 讯的方式来协调工作。 主机的作用一是要向从机发送各种命令及参数：二是要及时收 集、整理和分析从机发回的数据，供进一步的决策和报表。从机被动地接受、执行主 机发来的命令， 并且根据主机的要求向主机回传相应烦人实时数据， 报告其运行状态。 用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、 系统的体积减小、 可靠性提高。 同时，系统的更改和扩充极为容易。MCS-51 系列单片机，由于内部带有一个可用于 异步通讯的全双工的穿行通讯接口，阴齿可以很方便的构成一个主从式系统。 串口是计算机上一种非常通用的设备通讯协议，大多数计算机包容两个基于 RS232 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通过用的通讯协议，很多 GPIB 兼容的设 备也带有 RS-232 口。同时串口通讯协议也可以用于获取远程采集设备数据。所以， 深入的理解学习和研究串口通信相关知识是非常必要的。 此次毕业设计选题为“PC 机 与 MCS-51 单片机的串口通讯”，使用 51 单片机来实现一个主从式的总线通讯系统。 通过此次设计， 对串口通讯的原理和应用融会贯通，为以后的时间工作储备知识和研 究方法。 1.3国内外发展现状国内外发展现状 在国内外，以 PC 机作为上位机，单片机作为下位机的控制系统中，PC 机通常 以软件界面进行人机交互， 以串行通信方式与单片机进行积极交互，而单片机系统根 引言 第 5 页 (共 43 页) 据被控对象配置相应的前向，后向信息通道，工作时作为主控机测对象，作为被控机 接受 PC 机监督，指挥，定期或受命向上位机提供对象及本身的工作状态信息。 目前，随着集成电路集成度的增加，电子计算机向微型化和超微型化方向发展， 微型计算机已成为导弹， 智能机器人，人类宇宙和太空和太空奥妙复杂系统不可缺少 的智能部件。 在一些工业控制中，经常需要以多台单片机作为下位机执行对被控对象 的直接控制，以一台 PC 机为上位机完成复杂的数据处理，组成一种以集中管理、分 散控制为特点的集散控制系统。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 6 页 (共 43 页) 2 系统分析系统分析 2.1系统功能概述系统功能概述 系统主要实现功能是:由PC机键盘的输入发送给MCS-51单片机,单片机接收 到 PC 机发来的数据后,回送同一数据给 PC 机,并在 PC 机屏幕上显示出来。只要 PC 机屏幕上显示的字符与键入的字符相同，即表明 PC 机与单片机间通信正常， 红外通信成功。 微机与单片机红外线通信系统,由于我们本次毕业设计采用的是红外通信方 式，考虑到红外通信存在发射与接收之间的相互干扰，所以本次设计采用是半双 工(Half Duplex)串口通信，微机与单片机两个部分。微机部分是通过串口 RS-232 的 TXD 口发送数据，经电平转换电路之后送红外发射电路发射出去，由单片机 部分接收，并相应的处理、显示之后再经红外发射电路返回给 PC 机，PC 机检验 发送与接受是否一致，标志着设计的成与败。微机部分用 Visual Basic 软件编写 的界面作为 PC 机部分与单片机进行串口之间通信，其界面的设计、电平转换电 路和红外发射、接收电路以及单片机部分的电路的设计等将在以下章节作详细地 设计。 从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会 生活和科技观念有多大的贡献。随着生活节奏的加快，人们将更加钟情于个人信 息终端的智能化互联。 另一方面， 用无线设备来代替安全隐患的工作区采集数据， 更加安全。因此，红外线有其不可估量的实用价值！ 2.2系统要求及主要内容系统要求及主要内容 将微机中的二进制或 ASC数据通过微机的 RS232 串口经红外发射器发 送缎带单片机， 再由单片机将接收的二进制或 ASC数据通过串口经红外发射器 发送给微机， 在微机中检查发送的二进制或 ASC数据与接收到的二进制数据是 否一致。 （1）单片机部分主要完成接收微机发送的数据和将接收的数据回送给 机； （2）红外发发射部分完成将微机或单片机发送的数据通过红外发送给红 外接收器。 系统分析 第 7 页 (共 43 页) （3）红外接收部分主要完成接收红外信号并将红外信号转换为数据送给 计算机。 （4） PC机部分主要完成将数据的发送给单片机和接受单片机发送的数据。 2.3系统技术指标系统技术指标 微机与单片机红外线通信的主要完成以下功能： 单片机部分： （1）设计并制作单片机的串口通信的硬件系统； （2）用汇编语言编制串口通信软件； （3）要求把从微机发送来的原样发送回微机； 红外发射部分： （1）自行设计红外发送器 （2）红外发送距离大于 50cm （3）系统稳定、抗干扰能力强 红外接收部分： （1）自行设计红外接收器 （2）红外接收器的稳定、抗干扰能力要强 PC 机部分： （1）在微机部分采用 Visual Basic 编制 RS232 通信软件 （2）通信软件具有数据发送和数据接受编辑框 （3）通信软件要实现发送数据与接受数据一致 根据系统要实现的功能以及要求，要实现单片机和PC机之间的红外通信，主要 是实现上下微机之间能够互通信息，而采用红外通信，就是利用这种非电信号传送控 制信息和数据信息， 省去了有线方式信号线的直接连接， 属完全隔离状态， 安全可靠， 能有效地隔离电气干扰，同时使用简单，移动方便，实现了通信双方非接触式的数据 传送。它可以应用于高压、辐射、潮湿、有毒气体、粉尘等不利于人们现场控制的环 境下，这种红外通信方案也可用于其它遥控、遥测的单片机应用场合。红外通信的重 点在于信号的调制与解调，完成低误码率、高速率的信息传输。目前红外通信技术和 集成技术的发展已将此方面做的比较平民化了。 以普通的集成红外头为核心的红外收 发模块即可完成此功能。 单片机可通过编程控制外围部件， 能实现较高的自动化程度。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 8 页 (共 43 页) 以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。系统的进一步升级是 与上位机实现红外通信，实现与整个网络的连通，达到资源共享和远程控制，这在当 今这个信息化的社会里是非常有价值的! 3 系统总体设计系统总体设计 3.1硬件电路设计思路硬件电路设计思路 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中 所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 89C51单片机通过普通I/O口与PC机RS232串口实现通信的硬件接口电路如图2 所示。由于PC 系列微机串行口为RS232C 标准接口，与输入、输出均采TTL 电平的 89C51 单片机在接口规范上不一致，因此TTL 电平到RS232 接口电平的转换采用 MAXIM 公司的MAX232 标准MAX232CPE接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V） 实现RS232接口逻辑“1”（-3V-15V）和逻辑“0”（+3V+15V）的电平转换。 (1) 单片机部分硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如图31所示。 图图31单片机部分硬件框图单片机部分硬件框图 (2) PC 机部分硬件设计思路：PC 机与单片机之间的红外数据收发装置的结构非 常简单，其结构框图如图 32 所示。PC 机及其兼容机的标准串行通信接口 RS-232C 有一个 9 芯的 D 型插座，该红外收发装置便是通过此接口插座与计算机连接，并由 计算机通信软件控制其数据的收发，并由计算机通信软件控制其数据的收发。由于数 CPU 执行 单元 显示电路 红外发射电路 红外接收电路 时钟电路 复位电路 系统总体设计 第 9 页 (共 43 页) 据的传输采用了 38KHZ 信号进行调制、解调和发射、接收，因而更加安全可靠。具 体的电路原理图将在第三章中作详细地分析设计。 图图32PC机部分硬件框图机部分硬件框图 3.2软件设计思路软件设计思路 软件需要解决的是设定 PC 机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通 讯速率、奇偶校验位、停止位等。 软件工作流程是：软件工作流程是： PC 机发送一个数据信号，通过红外通信方式传送到单片机，单片机接收数据作 相应的处理后回送到 PC 机。经测试，此系统可以在 2400kbit/s 速率下稳定工作，比 较理想。 (1) 单片机部分软件设计思路： AT89C51 单片机的 P3.0 和 P3.1 口分别串行通 信的接收和发送端，其接口程序主要由 INPUT 发送子程序和 OUTPUT 接收子程序 组成。通信速率 2400 bit /s，帧格式为 N.8.1。发送时，先发送一个起始位（低电平） ， 接着按低位在先的顺序发送 8 位数据，最后发送停止位。接收时，先判断 P3. 0 接收 端口是否有起始低电平出现， 如有则按低位在先的顺序接收8 位数， 最后判断P3.0 口 是否有停止高电平出现，如有则完成一个数据接收，否则继续等待。其中软件编写要 严格按照异步通信的时序进行，每 bit 位传送时间间隔按通信速率 2400 bit /s 计算为 833s，系统要求单片机晶振为 11.0592MHZ。 (2) PC 机部分软件设计思路：PC 机有多种支持串行通信的软件，Visual Basic 通 信语句、C 语言等等，本次毕业设计准备采用 Visual Basic 语言来实现 PC 机部分的 通信，VB 具有面向对象的设计方法，友好的用户界面，简单方便的串行通讯和实用 性强等优点。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 10 页 (共 43 页) 4 硬件电路设计硬件电路设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的 机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要 时做一些部件实验， 以难电路图的正确性， 以及工艺结构的设计加工、 印制板的制作、 样机的组装等。 根据本次毕业设计的要求以及要实现的功能，查阅了很多有关 PC 机与单片机之 间通信的书籍以及红外通信方面的知识，对硬件电路的设计做了很深刻的研究。 我们将整个 PC 机与单片机之间的红外通信系统分成三大模块：PC 机模块、红 外通信模块(红外发射和红外接收)以及单片机模块，各个模块都承担着各自的任务。 在设计单片机模块时， 考虑到单片机本身并不具备红外通信接口，利用单片机的 串行接口与单片机外的红外发射和接收电路， 组成一个应用于单片机系统的红外串行 通信接口；PC 机通过 RS232 进行数据的传输，考虑到 PC 微机串口的电平和单片 机的输入输出的 TTL 电平不一致，在整个电路设计时要考虑电平转换电路，除此之 外本系统的传输是采用的无线通信，因此还需要设计红外发射与接收电路，具体每一 部分的设计将在以下章节中详细分析。 4.1单片机模块单片机模块 根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如图 21）对单片机模块进 行设计，要使单片机准确的接收与发送，并且使接收到的数据能显示出来，所以整个 单片机部分分为时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路四个部分。 4.1.1执行元件执行元件 本次毕业设计的单片机部分的执行元件我们采用 MCS-51T 系列的 AT89C51(其 引脚图如图 41)，由于它本身带有一定的优点。AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可 编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能 CMOS8 位微处理器，俗称单片机。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼 容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器， AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且 价廉的方案。 硬件电路设计 第 11 页 (共 43 页) 图图41AT89C51引脚图引脚图 一、主要特性： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命：1000 写/擦循环 数据保留时间：10 年 全静态工作：0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位定时器/计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 二、管脚说明： (1)VCC：供电电压； (2)GND：接地； (3)P0 口：P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。P0 能够用于外部程序数据存储器， 它可以被定义为数据/地址的第八位。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 12 页 (共 43 页) FIASH 进行校验时，P0 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 (4)P1 口：P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 口缓冲器能接收 输出 4TTL 门电流。P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入，P1 口被外 部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 FLASH 编程和校验 时，P1 口作为第八位地址接收。 (5)P2 口：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输 出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘 故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出 地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存 储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验 时接收高八位地址信号和控制信号。 (6） P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口， 可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由 于外部下拉为低电平，P3 口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表 41 所示： 表表 4-1P3 口的第二功能口的第二功能 引脚第二功能信 号 名 称 P3.0RXD串行数据接收 P3.1TXD串行数据发送 P3.2INT0外部中断 0 请求 P3.3INT1外部中断 1 请求 P3.4T0定时器/计数器 0 计数输入 P3.5T1定时器/计数器 1 计数输入 P3.6WR外部 RAM 写选通 P3.7RD外部 RAM 读选通 硬件电路设计 第 13 页 (共 43 页) P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 (7)RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电 平时间。 (8)ALE/PROG： 当访问外部存储器时， 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变 的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执 行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器 在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 (9)/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN 信号将不 出现。 (10)/EA/VPP： 当/EA 保持低电平时， 则在此期间外部程序存储器 （0000H-FFFFH） ， 不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/EA 将内部锁定为 RESET；当/EA 端保持高电平时， 此间内部程序存储器。 在 FLASH 编程期间， 此引脚也用于施加 12V 编程电源（VPP） 。 (11)XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 (12)XTAL2：来自反向振荡器的输出。 三、振荡器特性： XTAL1 和 XTAL2 分别为反向放大器的输入和输出。 该反向放大器可以配置为片 内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2 应 不接。 有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉 宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 四、芯片擦除： 整个 PEROM 阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE 管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何 非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 14 页 (共 43 页) 种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU 停止工作。但 RAM，定时器，计数器， 串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM 的内容并且冻结振荡器，禁止 所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4.1.2时钟电路时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51 单片机允许的 时钟频率是因型号而异的典型值为 12MHZ MCS-51 内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2 分别为反相放大器输入和 输出端， 外接定时反馈元件以后就组成振荡器， 产生时钟送至单片机内部的各个部件。 AT89C51 是属于 CMOS8 位微处理器，它的时钟电路在结构上有别于 NMOS 型的单 片机。 CMOS 型单片机内部（如 AT89C51）有一个可控的负反馈反相放大器，外接晶 振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器，图 42 为 CMOS 型单片机时钟电路框图。 振荡器工作受/PD 端控制，由软件置“1”PD（即特殊功能寄存器 PCON.1）使/PD0， 振荡器停止工作，整个单片机也就停止工作，以达到节电目的。清“0”PD，使振荡器 工作产生时钟，单片机便正常运行。图中 SYS 为晶振或陶瓷谐振器，振荡器产生的 时钟频率主要由 SYS 参数确定（晶振上标明的频率） 。电容 C1 和 C2 的作用有两个： 其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率 f 起微调作用（C1、C2 大，f 变小） ， 其典型值为 30pF。 硬件电路设计 第 15 页 (共 43 页) 图图42CMOS型单片机时钟电路框图型单片机时钟电路框图 4.1.3复位电路复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器 CPU 和系统中的其它部件都处 于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。 MCS-51 单片机有一个复位引脚 RST，它是史密特触发输入(对于 CHMOS 单片 机，RST 引脚的内部有一个拉低电阻)，当振荡器起振后，该引脚上出现 2 个机器周 期(即 24 个时钟周期)以上的高电平，使器件复位，只要 RST 保持高电平，MCS-51 保持复位状态。此时 ALE、PSEN、P0、P1、P2、P3 口都 输出高电平。RST 变为低 电平后，退出复位，CPU 从初始状态开始工作。 本次毕业设计采用的复位方式是自动复位方式。对于 CMOS(AT89C51)单片机只 要 接一个电容至 VCC 即可(见图 43)。 在加电瞬间， 电容通过电阻充电， 就在 RST 端出现一定时间的高电平，只要高电平时间足够长，就可以使 MCS-51 有效的复位。 RST 端在加电时应保持的高电平时间包括 VCC 的上升时间和振荡器起振的时间， Vss 上升时间若为 10ms，振荡器起振的时间和频率有关。10MHZ 时约为 1ms，1MHZ 时 约为 10ms，所以一般为了可靠的复位，RST 在上电进应保持 20ms 以上的高电平。 图 3-8 中，RC 时间常数越大，上电进 RST 端保持高电平的时间越长。当振荡频率为 12MHZ 时，典型值为 C=10uf，R=8.2k。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 16 页 (共 43 页) 若复位电路失效，加电后 CPU 从一个随机的状态开始工作，系统就不能正常运 转。 图图4-3上电复位电路上电复位电路 4.1.4 显示电路显示电路 本次毕业设计的显示电路采用 LED 数码管动态显示， LED （Light-Emitting Diode） 是一种外加电压从而渡过电流并发出可见光的器件。LED 是属于电流控制器件，使 用时必须加限流电阻。LED 有单个 LED 和八段 LED 之分，也有共阴和共阳两种。 一、显示器结构 常用的七段显示器的结构如图 44（a）所示。发光二极管的阳极连在一起的称 为共阳极显示器(如图 44（b）所示),阴极连在一起的称为共阴极显示器(如图 34 （c）所示)。1 位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管 ag 控制七个 笔画（段）的亮或暗，另一个控制一个小数点的亮和暗，这种笔画式的七段显示器能 显示的字符较少，字符的开头有些失真，但控制简单，使用方便。 （a）外形（b）共阳极(C)共阴极 图图4-4七段发光显示器的结构七段发光显示器的结构 二、显示方式 为了节省 I/O 口线，我们采用的动态显示方式。 硬件电路设计 第 17 页 (共 43 页) 所谓动态显示，就一位一位地轮流点亮各位显示器（扫描） ，对于每一位显示器 来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间 隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。若显示器 的位数不大于 8 位，则控制显示器公共极电位只需 8 位口（称为扫描口） ，控制各位 显示器所显示的字形也需一个 8 位口 （称为段数据口） 。 4 位共阴极显示器和 AT89C51 的接口逻辑如图 8-7 所示。AT89C51 的 P0 口作为段数据口， 经同相驱动器 7407 接显 示器的各个段；P2 口作为扫描口，经反相驱动器 7406 接显示器公共极。 对于图 4-5 中的 4 位显示器，在 AT89C51RAM 存贮器中设置四个显示缓冲器单 元 30H34H，分别存放 4 位显示器的显示数据，AT89C51 的 P2 口扫描输出总是只 在一位为高电平，即 4 位显示器中仅有一位公共阴极为低电平，其它位为高电平， AT89C51 的 P0 口相应位（阴极为低）的显示数据的段数据，使该位显示出一个字符， 其它们为暗，依次地改变 P2 口输出为高的位，P0 口输出对应的段数据，4 位显示器 就显示出由缓冲器中显示数据所确定的字符。 图图4-54位动态显示电路位动态显示电路 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 18 页 (共 43 页) 4.2红外通信（发射与接收）模块红外通信（发射与接收）模块 红外线通讯是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应 用于无线数据传输，有时也用于无线网络接入和近程遥控。 红外通信的基本原理： 红外通信的基本原理是发送端将基带二进制信号调制为一 系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。红外通信是利用 950nm 近红外 波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。常用的有通过脉冲宽度来实现信号 调制的脉宽调制（PWM）和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制 （PPM）两种方法。本系统采用的为脉宽调制方法，发送端采用脉宽调制（PWM） 方式， 将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的 形式发送出去；接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送 给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简而言之，红外通信的实质就 是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输。 单片机红外通信系统（硬件原理图见图 4-6）的红外发射和红外接收电路主要由 单片机 AT89C51、CD4011 与非门、红外发射管 PH30B、红外一体化接收头 SM0038 （见图 4-7 所示） ，以及驱动三极管 8550、电阻和电容组成。我们将红外通信模块分 为红外发射和接收两部分。 硬件电路设计 第 19 页 (共 43 页) 图图4-6单片机红外通信硬件原理图单片机红外通信硬件原理图 （a） 红外发射管（b）红外接收管 图图4-7 红外发射管和红外一体化接收头红外发射管和红外一体化接收头 一、红外发射硬件电路 红外线发射器由于控制方式不同， 很难做到一体化， 大多是由分力元件组装而成。 本章节将重点讲一下红外线发射器电路原理图见图 4-8 所示。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 20 页 (共 43 页) 图图 4-8 红外发射电路原理图红外发射电路原理图 红外发送电路的工作原理为：串行数据由单片机的串行输出端 TXD（接图中 IN 端）送出并驱动 YF1，若数位“0”使 YF1 输出高电平，通过 YF2、YF3 和电阻 R2 电 容 C 组成的震荡电路，将信号调制成 38kHz 的载波信号，并利用红外发射管 D 以光 脉冲的形式向外发送。若数位“1”YF1 输出低电平，使 YF2 和 YF3 停止震荡，使 YF4 输出高电平使驱动管 8550 截止，红外发射管 D 不发射红外光。 二、红外接收硬件电路 红外线接收器是红外线通信成败的关键所在， 以前大多采用红外线接收专用芯片 CA20106A 以及外围部分元器件（红外线接收管、电阻、电容等） 。实际使用时常出 现接收灵敏度过高或过低，工作欠稳定，加之装配焊接麻烦、调试不便、体积大、抗 干扰能力较差等等， 现已基本被淘汰。 目前采用最多的是一种一体化的红外线接收头， 体积小巧（外形类似三极管） 、价格低廉、使用方便、无须调整、抗干扰能力强、工 作稳定可靠。红外接收电路选用新日本株式会社公司生产的专用红外一体化接收头 SM0038，集红外线接收和放大于一体，不需要任何外接元件，就能完成从红外线接 收到输出与 TTL 电平信号兼容的所有工作，因此它适合于各种红外线数据的传输， 是代替 CA20106A 和接收二极管等红外接收放大器的理想元件。 图 4-7（b）是其正视图（半球面的红外线接收面正对我们） ，三个输出脚依次为： GND（地） 、+（电源正端） 、OUT（红外线经接收后经解调、整形的输出脚） 。 图图 4-11 红外接收基本电路红外接收基本电路 硬件电路设计 第 21 页 (共 43 页) 根据 SM0038 的工作原理对其外围电路进行设计， 具体硬件原理图见图 411 所 示，其中 1 端为接地脚，2 端接电源，3 端接信号输出端，R 和 C 组成去耦电路抑制 电源干扰。由于红外一体化接收头 SM0038 的灵敏度高，因此在实际应用电路中要在 电源和地之间外接上拉电阻来抗干扰。 4.3PC 机模块机模块 根据系统功能要求以及 PC 机硬件电路设计思路（如图 32 所示）对 PC 机模块 进行设计， 要使 PC 机通过红外线准确的接收与发送， 必须要对其外围电路进行设计。 由于无线收发装置工作于 TTL 逻辑电平（0V 和 5V） ，而计算机 RS-232 总线上输入、 输出数据和控制信号为+12V 左右的电压，因此用 IC1（MAX232CPE）进行转换。如 图 412 为 PC 机部分的电路原理图。 图图 412PC 机收发数据电路原理图机收发数据电路原理图 一、数据的传输 对所设计的原理图进行分析， 数据的传输分为两大部分：数据的发送和数据的接 收。下面就两部分作一下介绍。 1、数据发送 当电路工作于发送数据状态时，PC 机的 RTS 端输出高电平，经 IC1 电平转换打 开 IC3（74LS08）的与门 B1，使 PC 机 TXD 端输出的数据经红外发射电路发射出去； RTS 信号 IC1 反相后作为 CTS 信号送入计算机，同时还关闭与门 B2；使计算机不接 收其它数据信号。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 22 页 (共 43 页) 2、数据接收 当电路工作于接收数据状态时， 计算机的 RTS 端输出和 CTS 端输入均为低电平， 使 IC3 的 B1、B2 的工作状态正好相反，发射部分被 B1 封锁，与门 B2 则打开使用 权电路处于接收工作状态，从红外接收端接收过来的数据由 RXD 端送处计算机。该 必发器的数据传输速率最好设在 2400b/s 为宜，以确保数据传输的可靠性。 二、器件的介绍 1、RS-232C RS-232C 是美国电气工业协会推广使用的一种串得通信总路线标准，是 DCE(数 据通信设备，如微机)和 DTE(数据终端设备，如 CRT)间传输串行数据的接口总线。 RS-232C 最大传输距离为 15m，最高传输速率约 20kbps，信号的逻辑 0 电平为 +3V+15V。逻辑 1 电平为-3V-15V。 电气特性： EIA-RS-232C 对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定； 在 TxD 和 RxD 上：逻辑 1(MARK) =-3V-15V 逻辑 0(SPACE)=+315V 在 RTS、CTS、DSR、DTR 和 DCD 等控制线上： 信号有效（接通，ON 状态，正电压）+3V+15V 信号无效（断开，OFF 状态，负电压）-3V-15V 2、RS-232 连接器 DB-9 DB-9 是 RS-232 信号线的连接器，其连接器的机械特性见图(413)，表 1 所示 RS-232 信号线名称、符号以及对应在 DB-9 上的针脚号。 图 413 连接器的机械特性 表表 3-1RS-232 信号线和信号线和 DB-9 引脚关系引脚关系 符号名称引脚 DCD接收信号载波检测1 RXD数据接收线2 硬件电路设计 第 23 页 (共 43 页) TXD数据发送线3 DTRDTE 装置数据就绪4 GND公共地5 DSRDCE 装置就绪6 RTS请求发送7 CTS清除发送8 RI振铃指示9 3、电平转换器 MAX232CPE 由于 RS-232C 总线上传输的信号逻辑电平与 TTL 逻辑电平差异很大，所以就存 在这两种电平的转换问题，下面就介绍一下电平转换器 MAX232CPE。 MAX232CPE 能将 RS-232C 电平转换成 TTL 电平，也能将 TTL 电平转换成 RS-232C 电平，只需单+5V 供电，由内部升高电路产生 10V+12V。内部有两个发 送器(TTL 电平转换为 RS-232C 电平)和两个接收器(RS-232 电平转换为 TTL 电平)。 MAX232CPE 芯片引脚排列和外部元件连接线路如图 414 所示。 图图 414MAX232CPE 电平转换器及外接元件图电平转换器及外接元件图 5 串行口通信技术串行口通信技术 在设计单片机与 PC 机程序时，PC 机串口和单片机串行口的设置是至关重要的 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 24 页 (共 43 页) 一个环节， 所以在软件设计前必须对串行口的通信技术作系统的研究。本章节是为软 件设计服务的。 串行数据通信指数据是一位一位顺序传送的通信方式， 它的突出优点是只需一对 传送线（利用电话线就可作为传送线） ，这样就大大降低了传送成本，特别适用于远 距离通信；其缺点是传送速度较低。 串行通信的主要特点： 串行通讯：一条信息的各位数据被逐位按顺序传送的通讯方式称为串行通讯。 串行通讯的特点是：数据位传送，传按位顺序进行，最少只需一根传输线即可完 成， 成本低但送速度慢。串行通讯的距离可以从几米到几千米。 根据信息的传送方向，串行通讯可以进一步分为单工、半双工和全双工三种。 串行口通信技术 第 25 页 (共 43 页) 接 收 器 乙 如图 51 所示。 发送 器甲 (a) 单工方式 发送器 发送器 (b) 半双工方式 数据流 发送器 发送器 (C) 全双工方式 图图 5-1串行通信传输方式串行通信传输方式 系统设计时采用半双工方式通信， 这主要是为了尽量避免红外通信存在发射与接 收之间的相互干扰。 5.1单片机串行口通信技术单片机串行口通信技术 MCS-51 单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器 （SBUF） ，这两个在物理上独立的接收发送器，既可以接收数据也可以发送数据。但 接收器 接收器 接收器 接收器 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 26 页 (共 43 页) 接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，它们的地址为 99H。这个通信口既可以用于网络通信，亦可实现串行异步通信，还可以构成同步移 位寄存器使用。 如果在串行口的输入输出引脚上加上电平转换器，就可方便地构成标 准的 RS-232 接口。 MCS-51单片机串行口寄存器结构如图53所示。 SBUF为串行口的收发缓冲器， 它是一个可寻址的专用寄存器， 其中包含了接收器和发送器寄存器，可以实现全双工 通信。但这两个寄存器具有同一地址（99H） 。MCS-51 的串行数据传输很简单，只要 向发送缓冲器写入数据即可发送数据。而从接收缓冲器读出数据即可接收数据。 此外，从图 5-3 中可看出，接收缓冲器前还加上一级输入移位寄存器，MCS-51 这种结构目的在于接收数据时避免发生数据帧重叠现象，以免出错，部分文献称这种 结构为双缓冲器结构。而发送数据时就不需要这样设置，因为发送时，CPU 是主动 的，不可能出现这种现象。 图图 53MCS51 串行口寄存器结构串行口寄存器结构 1、波特率的设置 要实现单片机与 PC 机的串行通信，双方的波特率必须一致.PC 机串行通信的波 特率参数通常为一些标准的参数，可直接使用.因此实现 MCS-51 单片机和 PC 机的 串行通信时，选择 MCS51 单片机串行通信的波特率至关重要. 波特率根据串行口的工作方式不同而不同：波特率根据串行口的工作方式不同而不同： (1)方式 0 波特率 串行口方式 0 的波特率由振荡器的频率所确定： 方式 0 波特率=振荡器频率/12 (2)方式 2 波特率 串行口方式 2 的波特率由振荡器的频率和 SMOD（PCON.7）所确定： SMOD 为 0 时，波特率等于振荡器频率的六十四分之一；SMOD 为 1 时，波特率 串行口通信技术 第 27 页 (共 43 页) 等于振荡器的三十二分之一。 (3) 方式 1 和方式 3 的波特率 串行口方式 1 和方式 3 的波特率由定时器 T1 或 T2(8051 等单片机)的溢出率和 SMOD 所确定。T1 和 T2 是可编程的，可以选的波特率范围比较大，因此串串行口方 式 1 和方式 3 是最常用的方式。 当定时器 T1 作为串行口的波特率发生器时，串行口方式 1 和方式 3 的波特率由 下式确定： 方式 1 和方式 3 波特率=2SMOD*(T1 溢出率)/32 SMOD 为 0 时，波特率竽 T1 溢出三十分之一；SMOD 为 1 时，波特率等于 T1 的六十四分之一。 定时器 T1 作为时，应禁止 T1 中断。通常 T1 工作于定时方式(C/T=0)，计数脉冲 为振荡器的十二分频信号。也可以选择外部 T1(P3.5)上输入脉冲作为 T1 计数信号 (C/T=1)。T1 的溢出率又和它的工作方式有关，一般选方式 2 定时，此时波特率的计 算公式为： 方式 1 和方式 3 波特率=2SMOD*Fosc/32*12(256-(TH1) 表表 4-1 常用波特率常用波特率 波特率（b/s）Fosc（mhz）SMODC/T模式初值 19.2K11.0592102FDH 960011.0592002FDH 480011.0592002FAH 240011.0592002F4H 120011.0592002E8H 注：定时器注：定时器 T1 作波特率发生器，所以在程序设计时要注意到禁止作波特率发生器，所以在程序设计时要注意到禁止 T1 中断中断 2、串行通信控制寄存器 SCON SCON 控制寄存器，它是一个可寻址的专用寄存器，用于串行数据的通信控制， 单元地址是 98H，其结构格式如下： PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 28 页 (共 43 页) 表表 4-2SCON 寄存器结构寄存器结构 SCOND7D6D5D4D3D2D1D0 SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI 位地址9FH9EH8DH9CH9BH9AH99H98H 3、电源管理寄存器 PCON PCON 主要是为 CHMOS 型单片机的电源控制而设置的专用寄存器， 单元地址是 87H，其结构格式如下： 表表 4-3PCON 电源管理寄存器结构电源管理寄存器结构 PCOND7D6D5D4D3D2D1D0 位符号SMOD-GF1GF0PDIDL 在 CHMOS 型单片机中，除 SMOD 位外，其他位均为虚设的，SMOD 是串行口 波特率倍增位，当 SMOD=1 时，串行口波特率加倍。系统复位默认为 SMOD=0。 4、中断允许寄存器 IE 中断允许寄存器在前一节中已阐述，这里重述一下对串行口有影响的位 ES。ES 为串行中断允许控制位，ES=1 允许串行中断，ES=0，禁止串行中断。 表表 4-4IE 中断允许控制寄存器结构中断允许控制寄存器结构 位符号EA-ESET1EX1ET0EX0 位地址AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H 5.2PC 机串口通信技术机串口通信技术 PC 机串行通信接口设计是整个 PC 机部分的重点，在本章节中将详细分析串口 的设计问题。 1.通信芯片的选择 由于 RS-232C 的逻辑电平兼容，因此为了 TTL 器件连接，必须进行电平转换。 MC1488 和 MC1489 是 RC-232C 通信接口常用的集成电路转换芯片，但他们是两个 独立的驱动器和发送芯片，而且 MC1488 驱动器还需要外接正负电源，很不方便。目 串行口通信技术 第 29 页 (共 43 页) 前市场上出现了一些新型的 RS-232C 电平转换芯片 MAXIM 系列的产品，AXIM 公 司生产的 MAX 系列 RS-232C 收发器芯片。 2.波特率设置 PC 机的波特率必须和单片机相匹配，所以只要单片机的波特率定了，PC 机只要 设置一下即可。 3、串行口工作方式的选择 为了确保数据传输无误， 采用软件握手的方式。即发送方给接收方传送的一个数 据，接收方收到后再将这个数据发送回来，发送方将两