毕业论文单片机串行通信协议.doc

信息工程大学毕业设计（论文）题 目： 单片机串行通信协议 TT Single chip computer serial communication protocol T院 别： 郑州大学软件技术学院 专 业： 计算机科学与技术 T 姓 名： 侯静静 T 学 号： 20118120111 T 指导教师： 张长峰 T 日 期： 2015年5月23 T 单片机串行通信协议摘 要本文介绍了89C51单片机的发展历史和简单介绍，并展望了它们的前景。着重介绍了单片机串行接口技术，指出了它们的重要性并阐述了其实现原理。在现代单片机测控系统中，信息交换大多采用串行通信方式。而串行通信将所传送的数据按顺序一位接一位的传送，数据传送带来了很大方便。该单片机的存储器配置共有4个存储空间，也可使用外部振荡脉冲信号，这些都方便了单片机进行串行通信协议。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 described 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-chip 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.索引关键词：89C51单片机，串行通信原理，串行通讯协议Key words:89C51 microcontroller, principle of serial communication, serial communication protocol1.绪论1.1 单片机的发展历史1.1.1 单片机的发展趋势1.2 单片机的特点1.3单片机的应用14 AT89C51单片机简介1.4.1 AT89C51功能特性描述：2.单片机的串行接口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.串行通讯协议及硬件基本组成3.1硬件的基本组成：3.2串行通信原理3.3双机通信连接方法4.软件的设计和调整过程4.1 程序流程图4.2 通信协议4.2.1 串行口控制寄存器SCON的设置4.2.2 定时器的初始化设置4.2.3 波特率的选择和计算4.3程序演示总结参考文献1.绪论单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器。单片机是微型计算机。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、成本低，为学习、应用和开发提供了便利条件。它最早是被用在工业控制领域。现代人类生活中都在密切接触单片机，现在很多地方都用到单片机，像计算器、电器、笔记本电脑里面都用到了单片机。1.1 单片机的发展历史早期的单片机都是8位或者4位的，单片机最早诞生于70年代80年代末，经历了经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。第一阶段（19761978）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表，探索发现微型计算机，这也是单片机一词的来源。第二阶段（19781982）：单片机的完善阶段。1. 完善的外部总线。 2.CPU外围功能单元的集中管理模式。3.体现工控特性的地址空间及位操作方式。4.指令系统逐渐丰富和完善，而且增加了很多突出控制功能的指令。第三阶段（19831992）：微型控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机体现了单片机的微控制器特征。第四阶段（1992）：微控制器的全面发展阶段目前应用广泛的主流机型。1.1.1 单片机的发展趋势 1）低功耗CMOS化 本着低功耗的原则，现在的很多的单片机制造商基本都采用了CMOS。因为CMOS则具备了高速和低功耗的特点，使它更适合应用于低耗电池供应场合所，这也成了重要的发展途径。2）微型单片化 单片机是典型的嵌入式微控制器。它是一种在线形式的时控制计算机。单片机虽然是是微型数位计算机，它的设备和其他计算机一样，仅仅缺少一个输入输出设备。3）主流与多品种共存 现在，随着工业的高速的发展，人类对单片机的需求页不断扩大。单片机由刚开始的单一型转变为应用在各个领域和各个电子器件中。如今我们生活中的大多数电子产品中都置有不同数量的单片机。1.2 单片机的特点单片机主要有如下特点：1.有优异的性能价格比。 2.单片机的集成度很高，体积也是最小的。3.制功能强。单片机的逻辑控制功能比同一档次的微机要高。4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。5.外部总线增加了I2C及SPI等串行总线方式，缩小了体积，简化了结 构。6. 单片机的系统扩展和系统配置较典型，容易构成各种规模的应用系 统。1.3单片机的应用（1） 单片机的显著有点已使它成为科技领域的有力工具。它的应用遍及各 个领域，主要表现在以下几个方面：1.单片机在智能仪表中的应用2.单片机在机电一体化中的应用3.单片机在实时控制中的应用4.单片机在分布式多机系统中的应用5.单片机在人类生活中的应用（2）用单片机组成的微机控制系统具有以下特点:1.技术集成系统复杂程度高。2.可靠性高和可维修性好。 3.抗干扰能力强。 4.多样性的控制功能。5.应用的灵活性。使原有机械产品的结构简化、控制智能化。14 AT89C51单片机简介目前最广泛应用的单片机就是 AT89C51单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的，它是一种低电压、高性能的CMOS8位单片机，因为将多功能8位CPU和闪速存储器组合在这个芯片中，使得单片机更加广泛应用在工业领域。 主要性能参数：与MCS-51产品指令系统的全兼容 4k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次可擦写周期全静态操作：0Hz-24MHz三级加密程序存储器1288字节内部RAM 32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式 图1.1 单片机AT89C511.4.1 AT89C51功能特性描述： AT89C51是一种带4K字节flash存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件具有ATMEL高密度、强大存储性能。它是一种高性能的微控制器。（1） AT89C51引脚功能说明：Vcc：电源电压GND：接地功能。P0口：PO口地址/数据总线复用口。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，它能接收 输出4TTL门电流。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。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。它的一些特殊功能下表所示： 口管脚备选功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（计时器0外部输入）P3.5T1（计时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输出。当震荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期 的高电平时间。 EA/VPP：外部访问允许。XTAL1：震荡器反向放大器及内部时钟的输入端。XAAL2：震荡器反向放大器的输出端。Flash闪速存储器的特点： （1） 具有不挥发性：它具有不需要通过电来保持数据的优点，这一特 点与磁存储器相似。 （2）方便更新性：Flash存储器具有电可擦除特点。 （3）成本低、密度高。编程方法： 时钟震荡器AT89C51的编程方法如下：1.0 在地址线上加上要编程单元的地址信号。1.在数据线上加上要写入的数据字节。2.激活相应的控制信号。3.在高电压编程时，将EA/Vpp端加上+1V编程电压。4.每对Flash存储阵列写入一个字节，加上一个ALE/PROG编程脉冲。 AT89C51控制信号 即RST/VPD（引脚9）复位信号，时钟电路，高水平的两个机器周期的引脚，芯片初始化复位后，记忆状态是P1，P3输出高电平复位，堆栈指针的07初值写SP，0 PC程序计数器的特殊功能寄存器的休息，但始终不影响它的内存状态，只要引脚保持高，89C51单片机复位，从高电平到单片机的程序从0号机组开始执行水平低，除了引脚具有复用功能，只要VPD + 5V备用电源，一旦Vcc电位突然减小或关闭，可以保护芯片的RAM中的信息不丢失，能恢复正常工作后。单片机的串行接口计算机与外界的信息交换称为通信。在通信领域，有两种数据通信方式：并行通信和串行通信。随着计算机网络的发展和分布式应用系统，沟通的作用越来越重要。通信是指计算机与外部的信息传输，无论是传输的计算机与计算机之间，包括计算机和外围设备，如终端之间的传输，打印机和磁盘设备。串行通信是指使用数据线，数据位的传输，每个数据占据一个固定的时间，这种通信方式只需要几行的信息交换完成。2.1 基本概念串行通信的两种通信形式1. 异步通信 在这种通信方式中，接收器和发射器有各自的时钟，他们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，其内容如下：一个起始位，紧接着是若干个数据位，下图是异步通信的一帧数据格式。2.同步通信 在同步通信格式，发射机和接收机都是由同一个时钟源控制。为了克服异步传输，传输的每一帧都必须加上起始和停止位。当每个数据块发送，一个或两个同步字符发送第一，并发送和接收同步，然后传送数据的顺序，这样可以提高通信速度。下图为同步通信数据帧格式。3. 串行数据通信的传输速率： 这两个概念进行串行数据传输率，既每秒传输的比特数，BPS（比特/秒）秒，每秒符号数-波特率（波特率），在调制解调通信，波特率和调制速率。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（1）串行口 MCS-51单片机的串行端口有4种基本工作方式，方式0和方式1分别用于外接移位寄存器和与外设电路通信。方式2、3除有方式1的功能外，还有可以作多机通信的功能。串行端口有一个数据寄存器SBUF在99h特殊功能寄存器的字节地址，发送和接收共用寄存器。串口控制寄存器SCON两，设定工作主机，发送或接收的状态、特点，数据传输波特率每秒传送的位数作为一个符号例如：中断。（2）控制寄存器 串行端口有两个控制寄存器SCON、PCON，用于设置工作方式、发送或接收状态以及作为终端标志。在串口通信，发送和接收的数据传输速率（波特率）的同意。在MCS-51单片机串行口模式四，模式0和2的波特率是固定的，1和3的波特率是可变的，定时器T1溢出率控制。1 方式1方式1的波特率固定为主振频率的1/12。2 方式2 方式2的波特率模式由PCON、 SMOD确定可以表述为：波特率= 2smod *比值64也就是当SMOD = 1，波特率为1 / 32 * Fosc。当SMOD = 0，波特率为1 / 64 * Fosc。3方式1和方式3定时器T1作为波特率发生器，公式时：波特率=2SMOD32定时器T1溢出率 T1溢出率=Fsoc12256-X 4由上述，方式0的波特率：固定为振荡频率的1/12。并不受PCON寄存器中SMOD位的影响。即方式0的波特率=fosc/12方式2的波特率：当SMOD=0时，波特率为fosc的1/64；若SMOD=1，则波特率为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作为波特率发生器时： 即波特率= /（2n -初值）T2作波特率发生器时： 即波特率=2.2.2 串行口工作方式 串行口具有4种工作方式，我从应用和毕业设计的角度，重点讨论方式1发送。在一个工作的串行接口定义，控制8位异步通信接口，为10位发送一帧信息，其中的一个开始，8位数据位（低-高），1个停止位。（1）方式1输出 串行接口以方式1发送时，数据由TXD端输出。CPU执行写数据的发送缓冲器SBUF指令（例如，MOV SBUF，一个字节的数据），开始写SBUF串行发送器，发送一帧后，置中断标志TI。（2）方式1输入 串行口以方式1接收时，数据从RXD端输入。在REN置1以后，就允许接收器接收。接收器以所建立的波特率的16倍分频计数器，以便实现时间同步。计数器16的状态分为16次，每次在7，8和9的计数状态，位置检测器接收采样值，接收的值是3倍采样至少两次相同的值，消除噪声干扰。如果收到的价值起点不是0，出发点是无效的，复位接收电路。如果在起始接收的值不是0，则起始位无效，复位接收电路。在检测到另一个1到0的跳变时，再重新启动接收器。如果接收到值为0，起始位有效，则开始接收本帧的其余信息。当RI = 0和收到停止位为1（或SM2 = 0），停止位输入中，接收8位数据到接收缓冲器SBUF，设置RI中断标志。接着接收便搜索另一帧信息的起始位。3.串行通讯协议及硬件基本组成通常情况下，人们使用计算机的外部设备，但由于种种原因，往往与CPU直接连接不连接的外设，它们之间的信息交换需要一个中间环节（或接口），我们称为接口电路。串行接口是计算机的一种接口标准。串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道，同时，串行接口也可以用来实现短距离的双机通信。串行通信只是用两条线就完成通信，成本低、效率高。3.1硬件的基本组成：51单片机、11.059M晶体2只、22pF瓷片电容、10uf/10V电解电容、RES电阻、双列电阻网络（RX8 300R）、七段数码管7SEG-MPX1-CA。3.2串行通信原理所谓的“串行通信”是指与计算机外围设备或使用数据线两计算机，控制线与地线连接，在数据线的传输数据，每个数据占据一个固定的时间长度。在计算机系统中，每个字符一般使用一个8位二进制代码表示。在数据通信中，通常将待传送的每个字符的二进制代码按照由低位到高位的顺序依次发送的方式成为串行通信。 图3.1 串行通信的示意图3.3双机通信连接方法 两机通信方式可以分为单工，半双工通信，全双工通信，其通信原理及通信方式：单工通信：指消息只能单方向传输的工作方式。单工通信信道是单向信道，发送端和接收端的身份是固定的，发送端只能发送信息，不能接收信息；接收端只能接收信息，不能发送信息，数据信号仅从一端传送到另一端，即信息流是单方向的。例如：生活中的广播就是一种单工通信的工作方式。广播站是发送端，听众是接收端。广播站向听众发送信息，听众接收获取信息。广播站不能作为接收端获取到听众的信息，听众也无法作为发送端向广播站发送信号。4.软件的设计和调整过程4.1 程序流程图程序流程图是编写软件的重要前提，它是在图表上直观的体现拟设计的目的及过程。它是进行程序流程分析过程中最基本的工具,也是编译的重要依据，按照流程图一步一步编写程序，下面是我的流程图; 图4.1 串口程序设计流程 图4.2 程序设计流程4.2 通信协议 在计算机通信中，通信协议是用来实现计算机与网络连接之间的标准。如果没有统一的通信协议，计算机之间的信息传输不被认可的。通信协议是指通信双方事先约定的规则，可以简单地理解为每一台计算机用于彼此沟通的共同语言。有两台计算机通信时，必须使用的通信协议。4.2.1 串行口控制寄存器SCON的设置串行口控制寄存器的在上一节已经介绍，我们采用了串行工作方式1，REN设置为“1”（允许接收），综上所述我们设SCON的初始值为50H，如下表所示：SM0SM1SM2RENTB8TB8TIRI01010000 表4.1 串行口控制寄存器4.2.2 定时器的初始化设置在定时器为方式1时，方式字为：M1MO，选定定时器1工作方式2所以定时器TMOD初始值为20HCATEC/M1MOT10010T0 表4.2 定时计数器的初始化GATE：表示不参与控制C/：选择计数/时钟方式4.2.3 波特率的选择和计算 波特率就是在串口通信中每秒能够发送的位数，51串行端口在四种工作模式下有不同的波特率计算方法。模式0和2计算方法比较简单，在这里不再介绍。模式1和3的计算方法相同，此仅以工作模式1为例来说明串口通信波特率的选择。波特率=（1+SMOD）*晶振频率/（384*（256-TH1） 在选择波特率的时候需要考虑两点：首先，系统需要的通信速率。这要根据系统的运作特点，确定通信的频率范围。然后考虑通信时钟误差。使用同一晶振频率在选择不同的通信速率时通信时钟误差会有很大差别。为了通信的稳定，我们应该尽量选择时钟误差最小的频率进行通信。通过查阅资料并计算误差，在通信中做好选用波特率为1200，2400，4800中的一个4.3程序演示本设计主要是通过89C51单片机的串行通信端口TX（RC7）发送引脚，RX（RC6）接收引脚，绘制信息，把下位机（单片机）的信息通过RS232总线传输给上位机（PC机），上位机借助串口调试软件接手或发送信息给下位机。为了能够在计算机端看到单片机发出的数据，我们必须借助一个WINDOWS软件进行观察.这里我们主要使用串口调试软件做演示工具：1. 用于串口调试，支持常用的110-25600波特率，能设置端口参数；2. 能以字符或十六进制收发数据，真正支持中文字符的收发；3. 支持文件数据的发送；4.允许设置发送周期，自动发送数据；5.