《单片机系统设计及应用》-学习情境五

学习情境五八人表决器学习情境概要八人表决器是以两个单片机为基础，通过单片机串行口进行联机通信的典型案例。以设计八人表决器为学习情境，通过表决器电路设计和表决器程序设计两大任务驱动掌握单片机串行通信工作方式，并具备应用单片机串行口进行单片机系统开发。学习目标1.知识目标①了解串行通信和并行通信特点。②掌握８９Ｓ５１单片机串行口的连接方法。③理解串行口的波特率。④掌握单片机串行口的４种工作方式。上一页下一页返回学习情境五八人表决器2.技能目标①熟练处理单片机串行口的连接。②熟练设计单片机串行通信的发送及接收程序。3.情感目标①具有独立思考和开拓创新能力。②具有较强的逻辑思维能力。③具有较强的获取和接受新知识的能力。④具有较强的计划、组织、协调和团队合作能力。⑤具有较强的口头与书面表达能力、人际沟通能力。教学资源配备装有KELL和PROTEUS的计算机一台上一页下一页返回学习情境五八人表决器返回上一页任务5.1表决器硬件系统设计

近年来，电子表决器在各种比赛、会议中被广泛应用。电子表决器不仅省去了人工统计的繁琐工作，而且也保证了表决的私密性及准确性。本任务中，设计一个八人表决器，使8个评委的表决结果通过8盏灯的亮灭显示出来。方案设计思路：在评委席放置一个按键系统，通过单片机A读取评委席中8个按钮的按下状态，经数据线将数据传送给单片机B，然后将数据通过与单片机B连接的8盏灯显示出来。结构如图5.1所示。下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计5.1.1单片机串行I／O口应用随着单片机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，单片机的通信功能愈来愈重要。单片机的通信通常是指单片机与计算机或者单片机与单片机之间的信息交换。在学习情境一中介绍了单片机的主要引脚，除了单片机最小系统的必要引脚外，还介绍了单片机的4个I／O口P0、P1、P2和P3。其中P3口除了可以做普通I／O口使用外，还具有第二功能，如表1.3所示。P3.1（10脚）和P3.1（11脚）引脚的第二功能是关于串行口数据通信的。P3.0为串行口数据接收端（RXD），P3.1为串行口数据发送端（TXD）。一、基本通信方式通信有并行通信和串行通信两种通信方式。在单片机系统中，多采用串行通信方式进行数据交换。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，每一位数据都需要一条传输线。对于单片机来讲，一次传输一个字节数据，就需要8根数据线，此外还有一条信号线和若干控制信号线。这种数据传送的方式就像“８车道”一样各条线同时传送，传输速度快，但需要传输线较多，适合短距离数据传输。并行通信示意图如图5.2所示。串行通信是将数据字节分成一位一位的形式在一条数据线上逐个传送，此时仅需一根数据线，再加上一条公共信号地线和若干控制信号线。这种数据传送方式就像“单车道”一样各位分时传送，传输速度较低，但节省传输线路，适合远距离的数据传输。串行通信示意图如图5.3所示。

1.串行通信方式串行通信方式又有异步串行通信和同步串行通信方式两种。所谓异步与同步指的是单片机发送设备与接收设备的时钟控制差值问题。异步串行通信是指通信的发送和接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程；而同步串行通信是指在通信时建立发送方对接收方上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

的时钟的直接控制，使双方达到完全同步。由于异步通信方式不要求收发双方时钟的严格一致，容易实现，设备开销较小，所以在单片机与单片机，单片机与计算机之间通信时，通常采用异步串行通信方式。异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输的，异步通信一帧信息由４部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位和停止位，其格式如图5.4所示。

2.串行通信的制式串行通信依数据传输方向及时间关系可分为：单工（Simplex）、半双工（HalfDuplex）和全双工（FullDuplex）。其传输方式示意图如图5.5所示。单工是指两个通信设备中一个只能作发送、另一个只能作接收，数据传送方向是单方向的，如图5.5（a）所示。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

半双工是指两个通信设备中都有一个发送器和一个接收器，相互可以发送和接收数据，但不能同时在两个方向上传送，即每次只能有一个发送器和一个接收器工作，如图5.5（b）所示。全双工是指两个通信设备可以同时发送和接收数据，数据传送可以同时在两个方向进行。尽管许多串行通信接口电路具有全双工功能，但在实际应用中，大多数情况下只工作于半双工方式，如图5.5（c）所示。

3.串行通信的错误校验无论在哪种通信过程中，对数据传送的正确性校验是必不可少的。常用的校验方法有奇偶校验、代码和校验及循环冗余校验等。１）奇偶校验奇偶校验即对传送的数据中“１”的个数加上校验位“１”的个数之和为奇数还是偶数的校验。当约定为奇校验时，数据中“１”的个数加上校验位“１”的个数之和应为奇数，反之应为偶数。接收方和发送方的校验方式应一致。接收字符时，对“１”的个数进行校验，若发现不上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计一致，则说明传输数据过程中出现了差错。２）代码和校验代码和校验是发送方将所发送数据块求和（或各字节异或），产生一个字节的校验字符（校验和）附加到数据块末尾。接收方接收数据同时对数据块（除校验字节外）求和（或各字节异或），将所得的结果与发送方的“校验和”进行比较，相符则无差错，否则即认为传送过程中出现了差错。３）循环冗余校验循环冗余校验是通过数学运算实现有效信息与校验位之间的循环校验，常用于对磁盘信息的传输、存储区的完整性校验等。这种校验方法纠错能力强，广泛应用于同步通信中。

4.串行口传输速率串行通信的数据传输速率是用波特率来表示的。波特率是指每秒钟传输二进制代码的位数，单位是位／秒（bps）。若每秒钟传送上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计240个字符，而每个字符格式包含10（１个起始位、１个校验位、1个停止位和7个数据位），则波特率为波特率越高，数据传输速度越快，一般异步通信的波特率在50～9600bps之间。5.串行口连接根据通信距离的不同，串行口的电路连接方式也是不同的。当传输距离很近时，仅需两根信号线（TXD、RXD）和一根地线（GND）即可实现互联，如图5.6所示。当距离在15米以内，可采用RS－232接口实现，如图5.7所示。当实现远程通信时，则需要借助公共电话网进行数据通信。由于计算机通信要求是数字信号，而公共电话网是为300～3400Ｈｚ的音频模拟信号设计的，不适合二进制的传输，因此，通常在发送端把数字信号转换为模拟信号，这个过程称调制，通过调制器完成；在接收端从电话网上接收数据时，需要将模拟信号恢复成数字信号，这个过程称解调，通过解调器完成。将调制器和解调器合并在一起为调制解调器，也就是我们所说的MODEM（猫）。如图5.8所示。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

二、串行口结构

1.串行口结构

89S51单片机的串行口是一个可编程的全双工通信接口，可作为通用异步接收和发送器UART使用，也可作同步移位寄存器使用。其帧格式为8位、10位或11位并可以设置多种不同的波特率。通过RXD（P3.0）和TXD（P3.1）与外界进行通信。

89S51的串行口主要由两个独立的串行数据缓冲寄存器SBUF（一个发送缓冲寄存器和一个接收缓冲寄存器）、串行口控制寄存器、输入移位寄存器及若干控制门电路组成，其结构如图5.9所示。

2.串行口相关寄存器１）串行口数据缓冲器

SBUF89S51单片机通过串行口接收数据需要有一个类似收发室功能的一个寄存器暂存接收来的数据，串行口缓冲器SBUF就起到了这个作用。通过对SBUF的读写操作，实现对串行接收或串行发送寄上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

存器的访问，串行接收和串行发送寄存器在串行口内部是两个独立的存储单元，共同使用一个地址99H。发送缓冲器只能写，不能读出；接收缓冲器只能读出，不能写入。串行发送与接收速率与移位时钟同步，定时器T1作为串行通信的波特率发生器，T1溢出率经2分频（或不分频）又经16分频作为串行发送或接收的移位时钟。串行口数据传送使用的是内部数据传送指令“MOVA，SBUF”或“MOVSBUF，A”。当执行写操作时，访问串行发送寄存器；当执行读操作时，访问串行接收寄存器。

89S51单片机传送“00101011”过程如图5.10所示。当向SBUF发“写”指令时（MOVSBUF，A），即向发送缓冲器SBUF装载并开始由TXD引脚向外发送一帧数据，发送完后发送中断标志TI＝1；在串行口接收中断标志RI＝0的条件下，置允许接收位REN＝1就会启动接口的接收过程，一帧数据一位一位的进入移位寄存器，然后转载到接收SBUF中，同时RI＝1。执行读SBUF的命令（MOVA，SBUF），则由接收缓冲器SBUF取出信息并通过内部总线送至CPU。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

２）串行口控制寄存器SCON89S51单片机串行口数据的接收与发送控制的设置以及工作方式的设定都是通过对串行口控制接存器SCON编程确定的。其地址为98H，可位寻址，其各位格式及功能如下：

SM0SM1：串行口工作方式选择位，工作方式选择如表5.1所示。其中fosc是晶体振荡器频率。

SM2：多机通信控制位。在方式0下，SM2应为0。在方式1下，如果SM2＝0，则只有收到有效的停止位时才会激活RI。在方式2和方式3下，如将SM2置1，则只有在收到的第9位数据为1时，RI被激活（RI＝I，申请中断，要求CPU取走数据）。

REN：允许接收控制位。由软件置位或清0。REN＝1，允许接收；REN＝0，禁止接收。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计TB8：在方式2和方式3下，存放要发送的第9位数据，常用作奇偶校验位。在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，若为地址帧，TB8＝1；若为数据帧，TB8＝0。

RB8：在方式2和方式3下，存放接收到的第9位数据；在方式1下，如SM2＝0，则该位为接收到的停止位；方式0不用此位。

TI：发送中断标志。在方式0下，发送完第8位数据位时，由硬件置位；在其他方式下，当开始发送停止位时，由硬件将TI置位，即向CPU申请中断，CPU可以发送下一帧数据。在任何方式下，TI必须由软件清0。

RI：接收中断标志。在方式0下，接收完第8位数据位时，由硬件置位；在其他方式下，当接收到停止位时RI置位，申请中断，要求CPU取走数据。它必须由软件清0。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计３）电源管理寄存器PCON89S51单片机电源管理寄存器PCON用来管理单片机的电源部分，包括上电复位检测、掉电模式、空闲模式等。单片机复位时PCON全部被清0。其字节地址为87H，不能位寻址，但各位有其独特的含义，其各位格式和功能如下

SMOD：标识串口通信波特率。SMOD＝0时，工作方式1、2、3时，波特率正常；SMOD＝1时，工作方式1、2、3时，波特率加倍。

GF1GF0：两个通用标志位，用户可以自由使用。

PD：工作模式位。PD＝0，正常工作状态；PD＝1，掉电模式。掉电模式下，外部晶振停振，CPU、定时器、串行口全部停止工作，只有外部中断继续工作，可由外部中断低电平触发或由下降沿触发或者硬件复位唤醒。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计IDL：空闲模式设定位。IDL＝0，单片机处于正常工作状态；IDL＝1，单片机进入空闲模式。空闲模式下，除CPU不工作外，其余继续工作，可由任一个中断或硬件复位唤醒。

SMOD0、LVDF、P0F是STC单片机特有功能。三、串行口四种工作方式在串行口控制寄存器SCON中通过对SM0SM1位的设置来定义串行口的工作方式。具体设置方法见表5.1。

1.工作方式0

方式0情况下串行口工作在同步移位寄存器方式。此时串行口相当于一个并入串出或串入并出的移位寄存器。数据从RXD输入或输出（低位在先，高位在后），TXD输出同步移位时钟，其传输波特率固定为fosc／12。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

对发送数据缓冲器SBUF写入一个数据，即执行指令“MOVSBUF，A”启动了发送过程，当8位数据传送完毕后，Ｔ１被置１。接收数据时，必须先使REN＝1、RI＝0，当8位数据接收完后，RI会置1，此时可由“MOVA，SBUF”，将数据读入累加器。若要再次发送和接收数据，必须用软件将TI、RI清0。这种方式常用于扩展单片机并行输入或输出接口。

2.工作方式1

方式1情况下串行口工作于10位数据的异步通信方式。TXD为数据发送引脚，RXD为数据接收引脚，传送一帧数据格式如图5.11所示，帧数据格式为10位（8位数据位，起始位、停止位各1位）。其传输波特率是可变的，89S51串行口的波特率由工作在方式２下的定时器T1的溢出率决定。此方式时常设置定时器T1工作在方式2下，且禁止中断。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

其中：SMOD为特殊功能寄存器PCON中的最高位，SMOD＝1时，表示波特率加倍，SMOD＝0时，表示波特率不加倍；X为定时器T1的初值。当串行口以方式１接收时，需控制SCON中的REN为1，此时对RXD引脚进行采样，当采样到起始位有效时，开始接收数据。当一帧数据接收完毕，且RI＝0、SM2＝0或接收到RB8＝1时，接收的数据有效，此时可利用读接收寄存器指令“MOVA，SBUF”将数据送入CPU，同时将RI置1。若要再次发送和接收数据，必须用软件将TI、RI清0。

3.工作方式2和方式3

方式2和方式3情况下串行口工作于11位数据的异步通信方式，帧数据格式为11位（起始位1位、8位数据位、1位可编程数据位、1位停止位）。其数据格式如图5.12所示。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

方式2与方式3的差别仅在于：方式２的波特率为fosc／32（SMOD＝1）或fosc／64（SMOD＝0），而方式3与方式1一样，波特率是可变的，是由定时器T1的溢出率决定。发送时，由软件设置TB8后构成第9位数据进行发送，TB8可作为多机通信中的地址／数据信息的标志位，也可作为奇偶校验位。方式2、方式3的发送过程与方式1的发送过程类似。方式2、方式3的接收过程与方式1类似，但接收到第9位数据后，将这一数据送入RB8中。在串行通信中，收发双方对发送或接收数据的速率要有约定。通过软件可对单片机串行接口编程为四种工作方式，其中方式0和方式2的波特率是固定的，而方式1和方式3的波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。串行口得四种工作方式对应三种波特率。由于输入的移位时钟的来源不同，所以，各种方式的波特率计算公式也不相同。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计方式0的波特率＝方式1的波特率＝方式2的波特率＝方式3的波特率＝在单片机应用系统中，常用的晶振频率为12ＭＨｚ、6ＭＨｚ和11.0592ＭＨｚ。所以，选用的波特率也相对固定。常用的串行口波特率以及各参数关系如表5.2所示。四、串行通信的常用标准接口

89S51单片机与其他51单片机或PC进行串行通信时，89S51单片机串行接口的信号电平为TTL类型，抗干扰能力差，传输距离短。为了提高串行通信的可靠性，延长通信距离，工程设计人员一般采用标准串行接口，如RS－232C、RS－422A、RS－485。这３种接口的标准最初都是美国电子工业联盟（EIA）制定并发布的。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计1.RS－232C接口

RS－232C接口实际上是一种串行通信标准，它是目前PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。它适合于数据传输速率在0～20Kb／s范围的通信，最大传输距离15ｍ，只能实现一收一发通信方式。１）信号接口目前较为常用的RS－232C接口连接器有9针串口（DB－9）和25针串口（DB－25）两种，其结构如图5.13所示。在计算机与终端设备通信的过程中DB－25一般只是用3～9根信号线，最常用的9个引脚的信号内容如表5.3所示。２）逻辑电平

RS－232C是早期为公用电话网络进行数据通信而制定的标准。它采用负逻辑，规定为：上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计

－１５Ｖ～－３Ｖ规定为逻辑１；＋３Ｖ～＋１５Ｖ规定为逻辑０；－３Ｖ～＋３Ｖ为过渡区，不作定义。３）电平转化电路

RS－232C信号的电平与单片机串口的电平不一致，二者之间必须进行转换。MAX232是常用的RS－232C／TTL电平转换芯片。MAX232芯片采用5V电源供电，配接5个1μＦ电解电容即可完成RS－232C电平与TTL电平之间的转换，其电路连接方式如图5.14所示。

2.RS－422A接口针对RS－232C总线标准存在的问题，EIA协会制定了新的串行通信标准RS－422AＡ。它是平衡型电压数字接口电路的电气标准。RS－422A与RS－232C相比传输距离远、速度快。传输距离为120ｍ时，传输速率可达10Ｍｂｐｓ；90Ｋｂｐｓ时，传输距离可达1200ｍ。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计RS－422A与TTL电平的常用转换芯片为传输线驱动器SN75174或MC3487或传输线接收器SN75175或MC3486。

3.RS－485接口

RS－485是RS－422A的变型。RS－422A用于全双工，而RS－485用于半双工。RS－485是一点对多点的通信接口，一般采用双绞线的结构。普通计算机一般不带RS485接口，因此要使用RS－232C／RS－485转换器。对于单片机可以通过芯片MAX485来完成TTL／RS－485的电平转换。其连接电路如图5.15所示。在单片机和计算机组成的RS－485通信系统中，下位机由单片机系统组成，主要完成工业现场信号的采集和控制，上位机为普通计算机，负责监视下位机的运行状态，并对其状态信息进行集中处理，以图文方式显示下位机的工作状态以及工业现场被控设备的工作状况。系统中各节点（包括上位机）的识别通过设置不同的站地址来实现。上一页下一页返回任务5.1表决器硬件系统设计5.1.2表决器硬件系统设计本任务中设计一个八人表决器，设计方案如下：1.选取单片机A的P1口作为评委按键系统数据的输入口。2.选取单片机B的P1口作为表决结果显示灯的输出口。3.采用单片机串行通信口P3.0和P3.1作为数据的传输口。元件清单如下表5.4所示。八人表决器接线图如图5.16所示。八人表决器实物图如图5.17所示。上一页返回任务5.2表决器软件系统设计5.2.1初始化编程设计串行口的初始化编程主要是对串行口控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON中的相关控制位设定及对串行口波特率发生器T1的初始化。如果涉及中断系统，则还需对中断允许控制寄存器IE及中断优先级控制器IP进行设定。具体步骤如下确定T1工作方式（编程TMOD寄存器）；计算T1的初值，装载TH1、TL1；启动T1（编程TCON中TR1位）；确定串行接口控制（编程SCON寄存器）；串行口在中断方式工作时，要进行中断设置（编程IE、IP寄存器）。常用初始化内容如下，可根据需要增减其中各项：下一页返回任务5.2表决器软件系统设计First;MOVSCON,#工作方式控制字;设定串行口工作方式

MOVPCON，#80H;波特率加倍时设定

MOVTMOD，#20H;波特率可变时用于设定T1工作方式

MOVTH1，#定时初值;参照表5.2MOVTL1，#定时初值;CLRET1;禁止定时器T1中断

SETBTR1;启动T1产生波特率

SETBEA;若使用中断方式，开CPU中断

SETBES;开串行口中断

SETBPS;设定串行口为高优先级中断上一页下一页返回任务5.2表决器软件系统设计5.2.2发送程序设计发送程序即单片机A中要烧录的程序。在八人表决器中，单片机需要将从P1口读取的数据通过串行口传送给单片机B。在程序设计时，一般采用两种方法：查询和中断。一、查询方式我们知道异步串行通信是以帧为基本单位传送的，并且在发送完一帧数据之后，硬件会将SCON中TI置1。所谓查询法，就是根据串行口控制寄存器TI位的状态是否有效，来判断一帧数据是否发送完成。在发送过程中，执行“先发后查”的原则，即先将数据发送出去，然后查询是否发送完毕。查询法发送程序设计流程如图5.18所示。二、中断方式中断方式设计发送程序同样根据串行口控制寄存器SCON的TI位的状态来确定程序走向。与查询方式不同的是将TI位作为中断申请标上一页下一页返回任务5.2表决器软件系统设计

志，发送数据作为一个中断服务程序，在设置系统允许串行口中断的情况下，每当TI＝1时，就表示一帧数据发送结束，CPU响应中断，执行中断服务程序。中断方式发送程序设计流程如图5.19所示。三、参考程序代码

ORG0000H;AJMPMAIN;ORG0100H;MAIN:MOVSP,#60H;MOVSCON,#40H;MOVTMOD,#20H;MOVTH1,#0FDH;SETBTR1;MOVP1,#0FFH;MOV30H,#0FFH;K0:MOVA，P1;上一页下一页返回任务5.2表决器软件系统设计CJNEA,30H，K1;SJMPK0;K1:MOV30H，A;MOVSBUF，A;WAIT:JBCTI，K0;SJMPWAIT;END5.2.3接收程序设计一、查询方式查询法设计接收程序与设计发送程序如出一辙，即根据SCON中RI的状态来判断一帧数据是否接收完成。不同的是在接收程序中，先判断是否接收到一帧数据，然后保存这帧数据，再查询是否接收到下上一页下一页返回任务5.2表决器软件系统设计

一帧数据，即“先查后收”。查询法接收程序设计流程如图5.20所示。二、中断方式中断方式设计接收程序同样根据串行口控制寄存器SCON的RI位的状态来确定程序走向。与查询方式不同的是将RI位作为中断申请标志，发送数据