单片机原理及应用课程设计方案参考样文

《单片机原理及应用》课程设计题目∶单片机与PC机串口通信院系∶机电工程系专业班级∶电子0814姓名∶***学号∶02指导教师∶祖一康成绩∶2010年PAGE1单片机原理及应用课程设计任务书学生姓名李海荣专业班级电子0814学号02课题名称单片机与PC机串口通信电路设计指导教师及职称祖一康（以下内容指导教师可根据实际情况进行调整）已知情况MAX232芯片，单片机为最小应用系统。二、控制要求设计单片机与PC机串口通信电路，实现串行通信三、设计要求根据实际应用的需要，本次设计要达到如下设计要求：(1)要求本次设计的控制装置采用单片机技术实现；(2)要能完全满足控制要求；(3)画出本次设计最小应用系统电气原理示意图。(4)画出程序流程图并写出相应程序目录第一章绪论 3第二章串口通信简介 42.1串行接口的基本特点 42.2串口通信原理 62.2.1波特率选择 62.2.2通信协议的使用 6第三章硬件设计 7第四章程序设计 12第五章设计心得 13参考文献 14第一章绪论一、设计的目的

1．进一步熟悉和掌握单片机的结构及工作原理。

2．掌握单片机的接口技术及相关外围芯片的外特性，控制方法。

3．通过课程设计，掌握以单片机核心的电路设计的基本方法和技术，了解有关电路参数的计算方法。

4．通过实际程序设计和调试，逐步掌握模块化程序设计方法和调试技术。

5．通过完成一个包括电路设计和程序开发的完整过程，使学生了解开发单片机应用系统的全过程，为今后从事相应打下基础。二、设计具体要求原理图设计

1．原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确，端了要不得有标号。

2．图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。

3．原理图要完整，CPU，外围器件，扩器接口，输入/输出装置要一应俱全。程序调试

1．根据要求，将总体功能分解成若干个子功能模块，每个功能模块完成一个特定的功能。

2．根据总体要求及分解的功能模块，确定各功能模块之间的关系，设直出完整的程序流程图。程序调试将设计完的程序输入，汇编，排除语法错误，生成*OBJ文件

1．按所设计的原理图，在实验平台上连线，检查无误。

2．将汇编后生成的*OBJ文件传送到实验装置的，执行该程序，检查该程序、是否达到设计要求，若未达到，修改程序，直到达到要求为止，设计说明书

1．原理图设计说明

简要说明设计目的，原理图中所使用的元器件功能及在图中的作用，各器件的工作过程及顺序。

2．程序设计说明

对程序设计总体功能及结构进行说明，对各子模块的功能以及各子模块之间的关系作较详细的描述。第二章串口通信简介MCS-51系列\o"就是一个微型的电脑，麻雀虽小，五脏俱全"单片机上有一个通用异步接收／发送器UART，通过引脚RXD[P3．O]和TXD[P3．1]可与外音B\o"电流流过的路叫做电路"电路进行全双工的串行异步通信，发送数据时由TXD端送出，接收时数据由RXD端输入。本文将具体介绍单片机串口的特点和编程方法，并且在最后给出一个实用的单片机与计算机通过串口通信的程序。

2.1串行接口的基本特点MCS-51\o"就是一个微型的电脑，麻雀虽小，五脏俱全"单片机的串行端口有4种基本工作方式，通过编程设置，可以使其工作在任一方式，以满足不同场合的需要。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的I／O\o"电流流过的路叫做电路"电路；工作方式1多用于双机之间或与外设电路的通信；方式2、3除有方式1的功能外，还可以作多机通信，以构成分布式多微机系统。串行端口有两个控制寄存器SCON、PCON，用于设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、数据传送波特率[每秒传送的位数]以及作为中断标志等。串行端口有一个数据寄存器SBUF[在特殊功能寄存器中的字节地址为99H，该寄存器为发送和接收所共用。串行端口的波特率可以用程序来控制。在不同工作方式中，由时钟振荡\o"频率"频率的\o""分频值或由定时器T1的定时溢出时间确定，使用十分方便灵活。

串口控制寄存器

输入：在(REN)=1时，串行口采样RXD引脚，当采样到1至O的跳变时，确认是串行发送来的一帧数据的开始位0，从而开始接收一帧数据。只有当8位数据接收完，并检测到高\o"电平"电平停止位后，只有满足①(R1)=0；②(SM2)=0或接收到的第9位数据为1时，停止位才进入RB8，8位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志RI；否则信息丢失。所以在方式1接收时，应先用软件清零RI和SM2标志。

1.方式2

方式2为固定波特率的11位uART方式。它比方式1增加了一位可程控为1或0的第9位数据。

输出：发送的串行数据由TXD端输出一帧信息为11位，附加的第9位来自SCON寄存器的TB8位，用软件置位或复位。它可作为多机通讯中地址／数据信息的标志位，也可以作为数据的奇偶校验位。当CPu执行一条数据写入SuBF的指令且TI=0时，就启动发送器发送。发送一帧信息后，置位中断标志TI。

输入：在(REN)=1时，串行口采样RXD引脚，当采样到1至O的跳变时，确认是串行发送来的一帧数据的开始位0，从而开始接收一帧数据。在接收到附加的第9位数据后，当满足①(RI)：0；②(SM2)=0或接收到的第9位数据为1时，第9位数据才进入RB8，8位数据才能进入接收寄存器，并由硬件置位中断标志Ri；否则信息丢失。且不置位RI。2.工作方式3方式3为波特率可变的11位UART方式。除波特率外，其余与方式2相同。

波特率的选择

如前所述，在串行通讯中，收发双方的数据传送率(波特率)要有一定的约定。在MCS-51串行口的四种工作方式中，方式0和2的波特率是固定的，而方式1和3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率控制。1．方式O方式0的波特率固定为主振\o"频率"频率

的1/12。2．方式2方式2的波特率由PCON中的选择位SMOD来决定，可表示为：波特率=2sMoD×fosc／64也就是当SMOD=1时，波特率为1／32×fosc，当SMOD=0时，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，其公式如下：波特率=2SMOD／32×定时器T1溢出率T1溢出率=T1计数率／产生溢出所需的\o"交流电完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期"周期数

式中T1计数率取决于它工作在定时器状态还是计数器状态。当工作于定时器状态时，T1计数率为fOSC门2：当工作于计数器状态时，T1计数率为外部输入\o"频率"频率，此频率应小于fOSC／24。产生溢出所需\o"交流电完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期"周期与定时器T1的工作方式、T1的预置值(×]有关。

定时器T1工作于方式O：溢出所需\o"交流电完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期"周期数=8192-×

定时器T1工作于方式1：溢出所需\o"交流电完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期"周期数=65536-X

定时器T1工作于方式2：溢出所需\o"交流电完成一次完整的变化所需要的时间叫做周期"周期数=256-X

因为方式2为自动重装入初值的8位定时器／计数器模式，所以用它来做波特率发生器最恰当。这种方式下，T1的溢出率[次／秒]计算式可以表示为：T1溢出率=fsoc／12[256-X]2.2串口通信原理

串口通讯对单片机而言意义重大，不但可以实现将单片机的数据传输到计算机端，而且也能实现计算机对单片机的控制。由于其所需电缆线少，接线简单，所以在较远距离传输中，得到了广泛的运用。2.2.1波特率选择

波特率（BoudRate）就是在串口通信中每秒能够发送的位数（bits/second）。MCS-51串行端口在四种工作模式下有不同的波特率计算方法。其中，模式0和模式2波特率计算很简单，请同学们参看教科书；模式1和模式3的波特率选择相同，故在此仅以工作模式1为例来说明串口通信波特率的选择。

在串行端口工作于模式1，其波特率将由计时/计数器1来产生，通常设置定时器工作于模式2（自动再加模式）。在此模式下波特率计算公式为：

波特率=（1+SMOD）*晶振频率/（384*（256-TH1））

其中，SMOD——寄存器PCON的第7位，称为波特率倍增位；

TH1——定时器的重载值。

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。

下面举例说明波特率选择过程：假设系统要求的通信频率在20000bit/s以下，晶振频率为12MHz，设置SMOD=1（即波特率倍增）。则

TH1=256-62500/波特率

根据波特率取值表，我们知道可以选取的波特率有：1200，2400，4800，9600，19200。列计数器重载值，通信误差如下表：因此，在通信中，最好选用波特率为1200，2400，4800中的一个。2.2.2通信协议的使用通信协议是通信设备在通信前的约定。单片机、计算机有了协议这种约定，通信双方才能明白对方的意图，以进行下一步动作。假定我们需要在PC机与单片机之间进行通信，在双方程式设计过程中，有如下约定：

0xA1：单片机读取P0端口数据，并将读取数据返回PC机；

0xA2：单片机从PC机接收一段控制数据；

0xA3：单片机操作成功信息。在系统工作过程中，单片机接收到PC机数据信息后，便查找协议，完成相应的操作。当单片机接收到0xA1时，读取P0端口数据，并将读取数据返回PC机；当单片机接收到0xA2时，单片机等待从PC机接收一段控制数据；当PC接收到0xA3时，就表明单片机操作已经成功。第三章硬件设计51单片机有一个全双工的串行通讯口，所以单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如计算机的串口是RS232电平的，而单片机的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和计算机的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和单片机的11脚连接，第9脚和单片机的10脚连接，第15脚和单片机的20脚连接。图3.1硬件连接图串口通讯的硬件电路如上图所示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，这里利用如下图标的一个免费计算机串口调试软件来观察。图3.2串口调试助手窗口

SBUF数据缓冲寄存器，这是一个可以直接寻址的串行口专用寄存器。有朋友这样问起过“为何在串行口收发中，都只是使用到同一个寄存器SBUF？而不是收发各用一个寄存器。”实际上SBUF包含了两个独立的寄存器，一个是发送寄存，另一个是接收寄存器，但它们都共同使用同一个寻址地址－99H。CPU在读SBUF时会指到接收寄存器，在写时会指到发送寄存器，而且接收寄存器是双缓冲寄存器，这样可以避免接收中断没有及时的被响应，数据没有被取走，下一帧数据已到来，而造成的数据重叠问题。发送器则不需要用到双缓冲，一般情况下我们在写发送程序时也不必用到发送中断去外理发送数据。操作SBUF寄存器的方法则很简单，只要把这个99H地址用关键字sfr定义为一个变量就可以对其进行读写操作了，如sfrSBUF=0x99;当然你也可以用其它的名称。通常在标准的reg51.h或at89x51.h等头文件中已对其做了定义，只要用#include引用就可以了。SCON串行口控制寄存器通常在芯片或设备中为了监视或控制接口状态，都会引用到接口控制寄存器。SCON就是51芯片的串行口控制寄存器。它的寻址地址是98H，是一个可以位寻址的寄存器，作用就是监视和控制51芯片串行口的工作状态。51芯片的串口可以工作在几个不同的工作模式下，其工作模式的设置就是使用SCON寄存器。它的各个位的具体定义如下：表3－1串行口控制寄存器SCON（MSB）（LSB）SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRISM0、SM1为串行口工作模式设置位，这样两位可以对应进行四种模式的设置。看表3－2串行口工作模式设置。表3－2串行口工作模式设置SM0SM1模式功能波特率000同步移位寄存器fosc/120118位UART可变1029位UARTfosc/32或fosc/641139位UART可变在这里只说明最常用的模式1，其它的模式也就一一略过，有兴趣的朋友可以找相关的硬件资料查看。表中的fosc代表振荡器的频率，也就是晶振的频率。UART为(UniversalAsynchronousReceiver）的英文缩写。SM2在模式2、模式3中为多处理机通信使能位。在模式0中要求该位为0。REM为允许接收位，REM置1时串口允许接收，置0时禁止接收。REM是由软件置位或清零。如果在一个电路中接收和发送引脚P3.0,P3.1都和上位机相连，在软件上有串口中断处理程序，当要求在处理某个子程序时不允许串口被上位机来的控制字符产生中断，那么可以在这个子程序的开始处加入REM=0来禁止接收，在子程序结束处加入REM=1再次打开串口接收。大家也可以用上面的实际源码加入REM=0来进行实验。TB8发送数据位8，在模式2和3是要发送的第9位。该位可以用软件根据需要置位或清除，通常这位在通信协议中做奇偶位，在多处理机通信中这一位则用于表示是地址帧还是数据帧。

RB8接收数据位8，在模式2和3是已接收数据的第9位。该位可能是奇偶位，地址/数据标识位。在模式0中，RB8为保留位没有被使用。在模式1中，当SM2=0，RB8是已接收数据的停止位。

TI发送中断标识位。在模式0，发送完第8位数据时，由硬件置位。其它模式中则是在发送停止位之初，由硬件置位。TI置位后，申请中断，CPU响应中断后，发送下一帧数据。在任何模式下，TI都必须由软件来清除，也就是说在数据写入到SBUF后，硬件发送数据，中断响应（如中断打开），这时TI=1，表明发送已完成，TI不会由硬件清除，所以这时必须用软件对其清零。

RI接收中断标识位。在模式0，接收第8位结束时，由硬件置位。其它模式中则是在接收停止位的半中间，由硬件置位。RI=1，申请中断，要求CPU取走数据。但在模式1中，SM2=1时，当未收到有效的停止位，则不会对RI置位。同样RI也必须要靠软件清除。

常用的串口模式1是传输10个位的，1位起始位为0,8位数据位，低位在先，1位停止位为1。它的波特率是可变的，其速率是取决于定时器1或定时器2的定时值（溢出速率）。AT89C51和AT89C2051等51系列芯片只有两个定时器，定时器0和定时器1，而定时器2是89C52系列芯片才有的。

波特率在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。有一些初学的朋友认为波特率是指每秒传输的字节数，如标准9600会被误认为每秒种可以传送9600个字节，而实际上它是指每秒可以传送9600个二进位，而一个字节要8个二进位，如用串口模式1来传输那么加上起始位和停止位，每个数据字节就要占用10个二进位，9600波特率用模式1传输时，每秒传输的字节数是9600÷10＝960字节。51芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON寄存器中的SMOD位，如SMOD为0，波特率为focs/64,SMOD为1，波特率为focs/32。模式1和模式3的波特率是可变的，取决于定时器1或2（52芯片）的溢出速率。那么我们怎么去计算这两个模式的波特率设置时相关的寄存器的值呢？可以用以下的公式去计算。波特率＝（2SMOD÷32）×定时器1溢出速率

上式中如设置了PCON寄存器中的SMOD位为1时就可以把波特率提升2倍。通常会使用定时器1工作在定时器工作模式2下，这时定时值中的TL1做为计数，TH1做为自动重装值，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式2下定时器1溢出速率的计算公式如下：

溢出速率＝（计数速率）/(256－TH1)

上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M的晶振用在51芯片上，那么51的计数速率就为1M。通常用11.0592M晶体是为了得到标准的无误差的波特率，那么为何呢？计算一下就知道了。如我们要得到9600的波特率，晶振为11.0592M和12M，定时器1为模式2，SMOD设为1，分别看看那所要求的TH1为何值。代入公式：11.0592MHz时：9600＝(2÷32)×((11.0592M/12)/(256-TH1))TH1＝250//看看是不是和上面实例中的使用的数值一样？12MHz时：9600＝(2÷32)×((12M/12)/(256-TH1))TH1≈249.49上面的计算可以看出使用12M晶体的时候计算出来的TH1不为整数，而TH1的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600波特率。当然一定的误差是可以在使用中被接受的，就算使用11.0592M的晶体振荡器也会因晶体本身所存在的误差使波特率产生误差，但晶体本身的误差对波特率的影响是十分之小的，可以忽略不计。图3.3使用MAX232串口通信电路图（9孔串口接头）第四章程序设计程序如下：ORG0000HLJMPSTARTORG0030HSTART：MOVTMOD，#20HMOVTH1，#OF4HMOVTL1，#OF4HCLRET1SETBTR1MOVSCON，#50HLOOOP：JNBRI，￥CLRR1MOVA，SUBFMOVSBUF，AJNBT1，￥CLRT1SJMPLOOPSJMP$END第五章设计心得做了一周的课程设计，有很多的心得体会，有关于单片机方面的，更多的是关于人与人之间关系方面的。所幸的是，我得到了很多同学的帮助。我想没有他们我可能都要放弃了，因为我本人对单片机也并不是很熟悉，学的东西好像它是它，我是我似的，理论联系不了实际。以前的汇编语言没学好，一开始的程序这块儿就要令我抓狂了。后来请教我们班的一个男生，每次跟