单片机应用技术项目教程（C语言版）（第3版）课件 项目四 通信系统设计

项目四通信系统设计任务4.1串口彩屏显示系统设计“十四五”职业教育国家规划教材单片机应用技术项目教程/learn/NTVU-1206695819?tid=1474236512#/learn/content项目导读随着科技的发展，远程监控已应用到各个领域，如智能工厂、智能家居、智能交通、智慧环保、智慧农业、智慧畜牧养殖等。项目导读通常远程监控系统由两大主要组成部分：监控中心和现场端设备。监控中心负责集中监控各现场端的数据，并下发相应的控制命令，而现场端设备主要负责信号的采集和命令的执行。那么它们之间是如何实现信息交互的？如何实现远程监控功能的呢？

学海领航

[自主创新—探索未知]自首次实施“神舟五号”载人飞行任务以来，我国载人航天工程实现了从一人一天到多人多天、从舱内工作到太空行走、从短期停留到中期驻留的不断跨越。每一步跨越，都凝聚着航天员们飞天逐梦的勇敢与执着，为人类和平利用太空贡献了中国智慧和力量。任务内容组装一个彩屏显示系统，由单片机外接一个Usart-GPU串口彩屏和两个按键，要求按按键1后，单片机控制串口彩屏显示“Wemuststudyhard!”，按按键2后，单片机控制串口彩屏显示“WelcometoChina!”。学习目标素养目标

感受我国航天事业取得的巨大发展，增强民族自豪感知识目标1.了解串行通信的原理、方式；2.掌握STC15单片机串口的结构与工作原理；3.了解波特率的概念，掌握其计算方法；技能目标1.了解Usart-GPU串口彩屏的指令系统，并通过串口通信实现彩屏显示；2.掌握虚拟终端工具辅助通信系统调试的方法。知识点知识1

串行通信基础知识知识2

单片机串口的结构知识3

串口的工作方式及波特率知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统1串行通信和并行通信（1）并行通信数据的各位同时进行传送的通信方式。知识1

串行通信基础知识

特点：传输速度快，信息数据有多少位就需要多少条传输线，因而在短距离通信中占有优势；但对于长距离通信来说，因信号线太多容易受干扰而处于劣势。/previewIndex/10605211串行通信和并行通信（2）串行通信

数据的各位一位一位地依次传输的通信方式。特点：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。知识1

串行通信基础知识2异步通信和同步通信（1）异步通信在异步通信中，被传送的信息通常是一个字符代码或一个字节数据，它们以规定的相同传送格式（字符帧格式）一帧一帧地发送或接收。知识1

串行通信基础知识字符帧格式由四部分组成：起始位，数据位，奇偶校验位和停止位（2）同步通信

特点是在每个数据块传送开始前先发送一个或两个事先约定好的同步字符，当接收端收到同步字符并确认后，表示发送数据开始，发送和接收两端开始协调传送数据块的具体数据字符，这期间不允许有空隙，当一个数据块传送完后，再发送一个或两个检验字符，用于接收端对接收到的数据字符的正确性检验，并表示此次传送结束。知识1

串行通信基础知识同步通信的数据传送格式3波特率在串行通信中，发送设备和接收设备之间除了采用相同的字符帧格式（异步通信）或相同的同步字符（同步通信）来协调同步工作外，两者之间发送数据的速度和接收数据的速度也必须相同，这样才能保证数据的成功传送。串行通信中表示数据传送速度的物理量叫波特率，是指单位时间内传送的信息量，以每秒传送的位（bit）的个数表示，单位为波特，即1波特=1位/秒。送每位的时间Td=1/波特率。例如，电传打字机传送速率为10字符/秒，每个字符11位，则波特率为：11位/字符×10字符/秒=110位/秒=110波特，传送每位的时间Td=1/110波特=0.0091秒/位。知识1

串行通信基础知识4串行通信制式（1）单工方式在单工方式下，通信线的A端只有发送器，B端只有接收器，信息数据只能单方向传送，即只能由A端传送到B端而不能反传。知识1

串行通信基础知识4串行通信制式（2）半双工方式半双工方式中，通信线路两端的设备都有一个发送器和一个接收器。数据可双方向传送但不能同时传送，即A端发送B端接收或B端发送A端接收，A、B两端的发送/接收只能通过半双工通信协议切换交替工作。例如RS485通信。知识1

串行通信基础知识4串行通信制式（3）全双工方式在全双工方式下，通信线路A、B两端都有发送器和接收器，A、B之间有两个独立通信的回路，两端数据允许同时发送和接收。因此通信效率比前两种要高。该方式下所需的传输线至少要有三条，一条用于发送，一条用于接收，一条用于公用信号地。例如RS232通信。知识1

串行通信基础知识5串行通信数据的校验串行通信的目的不只是传送数据信息，更关键的是要进行准确无误的传送。为此需要对传送的数据进行检验和改正，以保证信息的准确性。常用的方法有奇偶校验、和校验、异或校验、循环冗余码校验等。知识1

串行通信基础知识（1）奇偶校验奇偶校验的特点是按字符校验，即在数据发送时，在每一个字符的最高位之后都附加一个奇偶校验位“l”或“0”，使被传送字符（包括奇偶校验位）中含“l”的个数为偶数（偶校验）或为奇数（奇校验）。接收端按照发送端所确定的奇偶性，对接收的每一个字符进行校验，若奇偶性一致则传输正确，若不一致则说明出了差错。知识1

串行通信基础知识奇偶校验实现方法在单片机中，特殊功能寄存器PSW中的位P就是奇偶标志位，和A配合使用，相当于偶校验。

P=1，A中“1”的个数为奇数；

P=0，A中“1”的个数为偶数。

因此发送时，可以把发送的数据送A中，即可得到偶校验码P，将P送入SCON的TB8即可。

接收时，把接收到的数据放A中，然后将P和RB8比较，若相等，就说明数据正确。知识1

串行通信基础知识（2）和校验和校验是针对数据块的校验。

发送端在发送数据块时，对块中的数据算术求和，然后将产生的单字节的算术和作为校验字符，附加到数据块的结尾传给接收端。

接收端对收到的数据块按与发送端相同的方法求算术和，其结果与接收到的校验字符比较，若两者相同，表示传送正确；若不同则表示传送出错。知识1

串行通信基础知识（3）异或校验异或校验与和校验类似，也是针对数据块的校验。发送端在发送数据块时，对块中的数据逻辑异或，然后将产生的单字节的异或结果作为校验字符，附加到数据块的结尾传给接收端。接收端对收到的数据块以及校验字符依次求异或，其结果为0，表示传送正确；若不为0则表示传送出错。异或校验同样无法检验出字节排序的错误。知识1

串行通信基础知识（4）循环冗余码校验（CRC）CRC检验对一个数据块校验一次，它被广泛地应用于同步串行通信方式中。具体参考相关资料。知识1

串行通信基础知识知识2单片机串口的结构MCS-51系列单片机内含有一个可编程全双工的串口，其结构如图所示，主要由发送缓冲器、接收缓冲器、发送控制器、接收控制器和串口控制寄存器等组成。串口结构的控制寄存器除了串口控制寄存器还有电源控制寄存器。

知识2单片机串口的结构

要使用多个串口，可以选STC15W4K32S4系列单片机，其内部有4个可编程全双工串行通信接口，它们具有UART（UniversalAsychronousReceiver/Transmitter）的全部功能，以下链接供参考。/previewIndex/10605171．串口数据缓冲器串口的两个数据缓冲器（SBUF）在物理上是独立的发送、接收缓冲器，可以同时发送、接收数据，共用地址码是99H，当对缓冲器进行读操作时，如执行语句“buffer[i]=SBUF;”，把SBUF赋值给buffer数组，操作对象是串口的接收缓冲器；当对缓冲器进行写操作时，如执行语句“SBUF=send[j];”，把数组send的值赋给SBUF，操作对象是串口的发送缓冲器。知识2单片机串口的结构2．串口控制寄存器串口控制寄存器（SCON）用于设置串口的工作方式、监视串口工作状态等。它是一个既可进行字节寻址又可进行位寻址的特殊功能寄存器。在复位时，所有位被清零，字节地址为98H。知识2单片机串口的结构串口控制寄存器SCON

的格式为：SM0/SM1/SM2：工作方式控制位REN：接收允许控制，=1时允许接收。TB8/RB8：发送/接收的第9位TI/RI：发送/接收中断标志位知识2单片机串口的结构知识2单片机串口的结构

串口工作方式选择3.电源控制寄存器PCONPCON的SMOD位为波特率选择位。在工作方式1、方式2和方式3时，若SMOD=1，则波特率增加一倍；若SMOD=0，波特率不加倍。另外，PCON的低4位是CHMOS单片机掉电方式控制位。（1）GF1、GF0：通用标志位，由软件置位、复位。（2）PD：掉电模式控制位，PD=1，进入掉电模式。（3）IDL：待机模式控制位，IDL=1，进入待机模式。位D7D6D5D4D3D2D1D0位名称SMOD———GF1GF0PDIDL知识2单片机串口的结构1方式0同步通信RXD数据口，TXD同步时钟波特率：fOSC/12知识3串口的工作方式及波特率/previewIndex/1060519例1：利用单片机串口扩展并行输出口74LS164引脚解：选用串入并出移位寄存器74LS164和单片机连接。输入输出CLRCLKSASBQAQB…QHL×××LL…LHL××QA0QB0

…QH0H↑HHHQA0

…QG0H↑L×LQA0

…QG0H↑×LLQA0

…QG0上升沿实现数据移位知识3串口的工作方式及波特率单片机扩展并行输出口知识3串口的工作方式及波特率例2利用4片74LS164扩展四组I/O口，实现4位数码管的静态显示。其中：RXD与74LS164的SA\SB连接知识3串口的工作方式及波特率2方式110位异步通信RXD数据收，TXD数据发波特率：可变知识3串口的工作方式及波特率3方式211位异步通信RXD数据收，TXD数据发波特率：固定知识3串口的工作方式及波特率4方式311位异步通信RXD数据收，TXD数据发波特率：可变知识3串口的工作方式及波特率5方式1、方式3波特率计算

例：设波特率为2400，单片机晶振频率fosc为11.0592MHz，求T1的初值。

解：在通信中，将T1作为波特率发生器使用时，选择其工作方式2，8位计数初值自动重装载方式。

设SMOD=0，波特率不加倍。则：知识3串口的工作方式及波特率Usart-GPU串口彩屏是目前流行的串口屏之一，如图所示。该屏将液晶屏、单片机和存储器3部分集成在一起，由计算机将图片和汉字点阵通过GPUMaker程序预先存储到串口屏的存储器中，然后由单片机通过串口发送指令调用显示即可，因此单片机部分的编程会变得异常简单。知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统/previewIndex/10605201.硬件连接

Usart-GPU串口彩屏，有4个标准的引脚，见图右侧的4个点，依次为+5V、RX、TX、GND。•+5V和GND是串口屏的供电引脚，直接接上5V电源。•RX是串口屏的数据接收引脚，TTL电平，接单片机的数据发送端TXD。•TX是串口屏的数据发送引脚，TTL电平，接单片机的数据接收端RXD。知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统2．设置串口屏的波特率

从网站/product/gpu/

下载GPCMaker并运行，选择菜单命令“编辑→工程参数”，设置串口屏的波特率，在进行数据与串口屏同步之后，重启串口屏才可以生效。知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统3．Usart-GPU串口彩屏指令单片机通过串口发送指令给串口屏，在每条语句的最后需要跟\r\n即0d0a表示指令结束。主要的几条指令介绍如下。知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统（1）指令：DRn描述：切换液晶屏的显示方向。参数：n为0～3，分别对应屏的4个方向，可以使用此命令调整横竖屏显示。另外此命令不清屏，因此可以在横屏下显示部分竖显汉字。说明： DR0；横屏显示

DR1；竖屏显示

DR2；横屏倒立

DR3；竖屏倒立知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统（2）指令：

CLS(c)描述：用c号颜色清屏。参数：c为颜色序号，常用的有0—黑色，1—红色，2—绿色，

3—蓝色，4—黄色。范例：CLS(3);//清屏为蓝色。（3）指令：DS12（x1，y1，'显示内容字符串'，c，limitX）描述：在（x1，y1）处用颜色c显示一行12点阵字。参数：（x1，y1）为字符串左上角的坐标。c为点的颜色序号。limitX设置右边界，确保不超过右边界，可不使用。知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统（4）指令：DS16（x1，y1，'显示内容字符串'，c，limitX）；描述：在（x1，y1）处用颜色c显示一行16点阵字。其与DS12指令相比除了显示字体不同外，其余一样，下同。（5）指令：DS24（x1，y1，'显示内容字符串'，c，limitX）；描述：在（x1，y1)处用颜色c显示一行24点阵字。（6）指令：DS32（x1，y1，'显示内容字符串'，c，limitX）；描述：在（x1，y1）处用颜色c显示一行32点阵字。（7）指令：DS48（x1，y1，'显示内容字符串'，c，limitX）；描述：在（x1，y1）处用颜色c显示一行48点阵字。（8）指令：DS64（x1，y1，'显示内容字符串'，c，limitX）；描述：在（x1，y1）处用颜色c显示一行64点阵字。知识4

Usart-GPU串口彩屏概述及指令系统任务实施/previewIndex/1060518参考电路1初始化编程（1）设置SCON的值，确定串口的工作方式。（2）设置波特率：通过TMOD设置定时器T1的工作方式为2，参考例4.1计算出的定时初值赋给TH1、TL1，启动定时器T1。由于上电复位后特殊功能寄存器PCON=0x00，默认波特率不加倍，如果波特率要加倍，还需设置PCON的SMOD=1，即PCON=0x80。（3）打开定时器中断，包括设置EA=1、ES=1。任务实施软件设计注意点2中断服务程序清标志位接收中断/发送中断判断接收/发送中断对应的处理任务实施任务小结

（1）掌握单片机串口中断的初始化。在理解了初始化内容后，在其他应用场合，只需将提供的初始化参考程序结合波特率大小修改TH1、TL1的值即可。（2）掌握Usart-GPU串口彩屏的指令系统，例如竖屏显示指令DR1、用蓝色清屏的指令CLS(3)、显示32点阵字的指令DS32等。（3）为了方便程序编写，常将要发送的内容放置在数组里，本任务程序中的“strcpy(S1sendbuf,"CLS(3);\r\n");”就是采用strcpy()函数，将要发送的"CLS(3);\r\n"字符串复制到S1sendbuf中。任务小结（4）本任务在主程序中准备通信协议，将要发送的内容赋给数组S1sendbuf，将要发送的字节个数保存在全局变量S1fjsq里，然后发送数组中的第一个数据，该数据发送结束后，便产生中断，在串口中断程序中，S1fjsq−−的意思是要发送的个数−1，直到0为止。若不为0，S1fsw++指向数组的下一个数据，然后用“SBUF=S1sendbuf[S1fsw];”完成其他数据的发送。（5）在其他通信系统中应用时，只需参考本程序，将要发送的内容赋给数组S1sendbuf及设置发送数据数，中断程序的发送程序无须更改。课后练习

1.修改晶振和波特率，完成该任务。2.搭建彩屏显示电路，完成实物制作。3.技能训练串口扩展并口的设计/learn/NTVU-1206695819?tid=1474236512#/learn/content加入国家在线精品课程，进行复习和预习项目四通信系统设计任务4.2双机通信系统设计“十四五”职业教育国家规划教材单片机应用技术项目教程/learn/NTVU-1206695819?tid=1474236512#/learn/content项目导读随着物联网技术的发展，常常将传感器节点的数据发送到汇聚节点进行汇总。那么它们之间是如何实现信息交互的？学海领航

[自主创新—探索未知]自首次实施“神舟五号”载人飞行任务以来，我国载人航天工程实现了从一人一天到多人多天、从舱内工作到太空行走、从短期停留到中期驻留的不断跨越。每一步跨越，都凝聚着航天员们飞天逐梦的勇敢与执着，为人类和平利用太空贡献了中国智慧和力量。任务内容组装一个双机通信系统，由主机和从机构成。主机外接两个按键作为输入，选择不同协议内容发送给从机。从机接收协议，并按照对应的协议，控制两个不同的信号灯点亮。/previewIndex/1060563学习目标素养目标

感受我国航天事业取得的巨大发展，增强民族自豪感。知识目标掌握单片机双机串行通信系统的组成、通信实现方法和步骤；了解多机通信的实现方法和步骤。技能目标能够设计并制作简单的双机通信系统，完成通信过程知识点知识

多机通信51系列单片机串口工作在方式1、方式2或方式3时，可实现多机通信功能，即一台主机和多台从机通信。知识

多机通信/previewIndex/1060556在方式1中，首先要给从机定义一个地址字节即地址编号，用来区分从机，然后将从机的地址编号和数据一起组成通信协议，接收方接收到该协议后，根据地址编号决定是否要对数据进行处理。一般情况下，建议采用方式1。知识

多机通信串口工作在方式2或方式3时，多机通信还可以通过设置通信控制位SM2和传送数据帧的第9数据位TB8来实现。通信编程前，首先要给从机定义一个地址字节，用来区分从机。主机和从机之间传送的信息分为地址和数据两类，以第9数据位作为区分标志，第9数据位为l时表示地址，为0时表示数据。知识

多机通信当主机向从机发送信息时，主机首先发送一个地址帧，此帧数据的第9数据位TB8应设置为1，以表示是地址帧，8位数据位是某台从机的地址。在从机方面，为了接收信息，初始化时应将SCON的SM2设置为1，REN设置为1表示允许接收。每台从机都接收到主机发来的地址帧信息后，因第9数据位RB8为1（主机发出的第9数据位为TB8=l），且SM2=l，则置位中断标志位RI并申请中断，从机响应中断后判断主机发来的地址与本机地址是否一致，若一致，则被寻址的从机清除其SM2标志（SM2=0），准备接收将要从主机送来的数据帧，而地址不一致的其他从机仍保持SM2=l的状态。知识

多机通信此后主机发送数据帧，由于TB8被设置为0（表示发送数据），因此虽然每台从机都能够收到该数据，但只有SM2=0的那台被寻址的从机才把数据送入缓冲器，并置位RI=l，申请中断，该从机响应中断后读入该数据并置SM2=l，RI=0，准备下一次通信。其余从机皆因SM2=l和RB8=0而舍弃该数据，等待主机的下一次寻址。这样就实现了主机与从机之间的通信。知识

多机通信串口工作在方式2或方式3时，多机通信的过程可总结如下。（1）主机、从机均初始化为方式2或方式3，且置SM2=1、REN=1，打开串口中断。（2）主机置位TB8=1，向从机发送寻址地址帧，各台从机因满足接收条件（SM2=1、RB8=1），从而接收到主机发来的地址，并与本机地址比较。（3）本机地址与主机发送的地址一致的从机将SM2清零，并向主机返回地址，供主机核对，不一致的恢复初始状态。（4）主机核对返回的地址，若与前面发出的地址一致则准备发送数据，若不一致则返回步骤（1）重新开始。（5）主机向从机发送数据，此时主机TB8=0，只有被选中的那台从机能接收到该数据，其他从机则舍弃该数据。（6）本次通信结束后，从机重新置SM2=l，可进行下一次的通信。知识

多机通信任务实施/previewIndex/1060558硬件设计2通讯协议的约定（1）固定长度：引导位+数据/命令+校验码，其中：引导位：标识协议开始数据/命令：每个字节根据需要规定固定的含义校验码：异或校验、和校验、CRC校验。本方法的优点：数据/命令的各字节含义明确，可根据字节位置直接找到所需的数据，处理数据速度快。

例如：FE

A1温度高字节温度低字节湿度高字节湿度低字节异或校验。其中：FE为引导位,不参加校验，A1是协议1的标识，其余是温度、湿度的数值以及校验码，这样一目了然。

任务实施（2）变长度：引导位+地址+数据长度+数据+校验码+结束符，各部分按需要可进行调整，其中：引导位：标识协议开始

地址：多机通讯时的从机号

数据长度：确定本协议的字节数，便于接收方知道。数据：几个字节构成1个参数的数据，其中采用1个或几个字节表示参数的代号，再跟几个字节表示具体数据和单位。校验码：异或校验、和校验、CRC校验。

结束符：一般采用回车换行（0xOD0x0A），表示本协议结束。本方法的优点：可根实际情况增减参数个数。

例如：国标HJ/T212协议。任务实施本设计中采用定长协议：（1）甲机按下K1键，发送数据协议0xA0

0x01

0x02

1字节异或校验码；（2）甲机按下K2键，发送数据协议0xA1

0x03

0x04

1字节异或校验码

；（3）乙机接收第一条数据协议，则点亮D1信号灯；若收到第二条数据协议，则点亮D2信号灯。（4）双方波特率为2400bps。任务实施3软件设计（1）主机（本任务的甲机）发送时可以采用查询方式，也可以采用中断方式。一般情况下建议采用中断方式。

任务实施/previewIndex/10605603软件设计（2）从机（本任务的乙机）负责接收数据，一般采用中断方式，避免查询等待造成的资源浪费或通讯数据丢失。任务实施/previewIndex/1060561任务小结（1）发送程序既可用查询的方式也可用中断的方式实现，建议采用中断的方式。结合本任务的发送程序，熟练掌握中断方式发送程序的编写。（2）本任务中，接收程序主要用中断方式实现，在初始化中通过SCON=0x50设置串口工作在方式1，允许接收。（3）掌握通信协议的约定，本任务中，协议的引导位用不同的字节表示，代表不同的协议，例如扩展为3个协议，可用0xA0、0xA1、0xA2作为引导位，代表3个协议的开始。（4）在中断服务程序中，判断RI=1后处理中断接收过程。为了区分不同的执行过程，建议用一个变量来表示。课后练习修改通讯协议，并增加一个按键，实现双跳灯的功能。/learn/NTVU-1206695819?tid=1474236512#/learn/content加入国家在线精品课程，进行复习和预习项目四通信系统设计任务3远程交通信号灯控制系统设计“十四五”职业教育国家规划教材单片机应用技术项目教程/learn/NTVU-1206695819?tid=1474236512#/learn/content项目导读单片机被越来越广泛地应用于智能控制、数据采集、嵌入式自动控制等场合，当需要处理较复杂的数据或需要对多个采集数据进行综合处理以及需要进行集散控制时，单片机的算术运算和逻辑运算能力都有些不足，这时往往需要借助计算机系统，将单片机采集的数据通过串口传送给PC，由PC高级语言或数据库语言对数据进行处理，或者实现PC对远端单片机进行控制。因此，实现单片机与PC之间的远程通信更具有实际意义。学海领航

[自主创新—探索未知]自首次实施“神舟五号”载人飞行任务以来，我国载人航天工程实现了从一人一天到多人多天、从舱内工作到太空行走、从短期停留到中期驻留的不断跨越。每一步跨越，都凝聚着航天员们飞天逐梦的勇敢与执着，为人类和平利用太空贡献了中国智慧和力量。任务内容组装一个远程交通信号灯控制系统，由主机和从机构成。要求：主机（PC）进行红绿灯时间的设定，从机（单片机）根据所设定的时间进行交通信号灯的控制。学习目标素养目标

感受我国航天事业取得的巨大发展，增强民族自豪感.知识目标了解RS-232C总线标准；

掌握RS-232C接口电路设计。技能目标能够设计并制作简单的PC-单片机通信系统，完成通信过程；

掌握虚