基于单片机的RS-C串行通信接口设计

基于单片机的RS-232C串行通信接口设计

课程设计任务书

课程名称专业综合课程设计

院（系）专业

课程设计时间: 2011 年1 月3 日至2011 年1 月14 日课程设计的内容及要求：

利用WAVE仿真器、8051 单片机开发基于单片机的RS-232C串行通信系统，实现单片机与PC机的通讯，要求实现数据收发功能.

具体要求如下：

（1）按以上要求制定设计方案，并绘制出系统工作框图；

（2）按要求设计单片机系统，给出电路原理图；

（3）用仿真器及单片机系统和PC机进行程序设计与调试；

（4）接受PC机发送数据，并将其会发给PC机；

指导教师年月日

负责教师年月日

学生签字年月日

目录

0. 前言

(1)

..........

1. 总体方案设计 (2)

2. 硬件电路的设计 (2)

2.1单片机介绍 (2)

2.2串口基本结构介绍 (3)

2.3电平转换电路设计 (4)

2.4整体电路设计 (5)

3 软件设计 (6)

3.1串行通信的实现 (6)

3.2流程框图 (6)

4.联合调试 (7)

5. 课设小结及进一步设想 (7)

参考文献 (9)

附录I 元件清单 (10)

附录II 整体电路图 (11)

附录III 源程序清单 (12)

杨毅沈阳航空航天大学自动化学院

摘要：随着计算机技术特别是单片机技术的发展，单片机的应用领域越来越广泛，单片机在工业控制、数据采集以及仪器仪表自动化等许多领域都起着十分重要的作用。但在实际应用中，在要求响应速度快、实时性强、控制量多的应用场合，单个单片机往往难以胜任，这时使用多个单片机接合PC 机组成分布式系统是一个比较好的解决方案。这样，单片机的数据通信技术就变得十分重要，在某种程度上说，掌握了单片机的数据通信技术也就是掌握了单片机的核心应用技术。现在单片机及PC机在结构、性能和经济上为实现远程串行通信提供了很好的条件，串行通信是指按照逐位顺序传递数据的通信方式，由于仅需三根传输线传送信息且通信距离相对较远，所以在控

制领域的现场监测、分布控制等场合有着重要的应用

价值。

关键字：单片机、PC机、串行口、通信

0. 前言

在各种单片机应用系统的设计中，如智能仪器仪表、各类手持设备、GPS接收器等，常常遇到计算机与外界的信息交换，即通讯。通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种。

并行通信是将组成数据的各位同时传送，并通过并行门（如P1口等）来实现。在并行通信中，数据传送线的根数与传送的数据位数相等，传送数据速度快，但所占用的传输线位数多。因此并行通信适合短距离通信。

串行通信是指数据一位一位地按顺序传送。串行通信通过串行口来实现。在全双工的串行通信中，仅需要一根发送线和一根接收线，串行通信

可大大节省传送线路的成本，但数据传送速度慢。因此，串行通信适合于远距离通信。

目前，在许多单片机应用系统中，上、下位机分工明确，作为下位机核心器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows 系统为操作平台，为便于查询和保存数据，还需要数据库的支持，如在测控系统中使用SQL Server数据库。

现阶段这种应用的核心便是数据通信，它包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间以及客户端和客户端之间的通信，而在单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础。单片机和PC的通信是通过单片

机的串口和PC机之间的硬件连接实现。鉴于PC 机具有强大的监控和管理功能，单片机则具有快速以及容易控制的特点，在数据量不大、传输要求不

高的情况下，一般都采用给PC机配置的RS-232标准串行接口COM1、COM2等

1. 总体方案设计

PC 机与单片机之间可以由RS-232C、接口相连，在PC机系统内部装

有异步通信适配器，利用它可以实现异步串行通信。该适配器的核心元件是可编程的Intel 8250 芯片，它使PC 机有能力与其他具有标准的RS-232C 接口的计算机或设备进行通信。而51 单片机本身具有一个全双工的串行

口，因此只要配以电平换换的驱动电路、隔离电路就可以组成一个简单的通信接口。同样，PC机和单片机之间的通信也分为双机通行与多机通信。

数据通信的硬件上采用3 线制，将单片机和PC串口的3 个引脚（TXD、RXD、GND）分别连在一起，即将PC机和单片机的发送数据线TXD 与接收数据线RXD交叉连接，两者的地线GND 直接相连，而其他信号线如握手信号线均不用，采用软件握手的方式。这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计。

PC机和单片机最简单的连接时零调制三线经济系。这是进行全双工通

信所必需的最少线路，因为51 单片机输入、输出电平为TTL电平，但由于单片机的TTL逻辑电平和RS-232的电气特性完全不同，RS-232的逻辑0 电平规定为+5~+15V之间，逻辑1 电平为-5~-15V之间，因此在将PC 机和单片机的TXD和RXD交叉连接时必须进行电平转换，这里我选用的是MAX232 电平转换芯片。其原理框图为图1

图1 串口通信原理图2. 硬件电路的设计

2.1 单片机介绍

标准型89 系列单片机是与MCS-51系列单片机兼容的。在内部含有

4KB 或8KB可重复编程的Flash存储器，可进行1000 次擦写操作。全静态工作为0-33MHz ，有3 级程序存储器加密锁定，内含有128-256 字节的RAM、32条可编程的I/O 端口、2-3个16位定时器/计数器，6-8级中断，此外有通用串行接口、低电压空闲模式及掉电模式。AT89C51相当于将8051 中的4KB ROM换成相应数量的Flash 存储器，其余结构、供电电压、引脚

图2 AT89C51芯片引脚

2.2串口基本结构介绍单片机的串行口的功能是与外部器件进行串行数据通信。串行口电路也称为通用异步收发器（UART）。从原理上说，一个

UART包括发送器电路、接收器电路和控制电路。8051 单片机的UART已集成在其中，构成一个全双工串口，全双工通信是指同时可以作双向通信，两个即可同时发送、接收，又可同时接收、发送。其示意图如图3 所示。这个口即可以实现串行异步通信，也可以作为同步移位寄存器使用。

图3 全双工通信示意图8051的串行口通过引脚RXD（P3.0串行口数据接收端）和引脚TXD（P3.1 串行口数据发送端）与外部设备进行串行通信。其中共有两个串口双缓冲寄存器（SBUF），一个是发送寄存器，一个

是接收寄存器，以便8051 能以全双工方式进行通信。串行发送时，从片内总线向发送SBUF写入数据；串行接收时，从接收SBUF向片内总线读出

数据。它们都是

在接收方式下，串行数据通过引脚RXD进入，由于在接收寄存器之前还有移位寄存器，从而构成了串行接收的双缓冲结构，以避免在数据接收过程中出现帧重叠错误，即在下一帧数据来时，前一帧数据还没有走。

在发送方式下口，串行数据通过引脚TXD发出。与接收数据情况不同，

发送数据时，由于CPU是主动的，不会发生帧重叠错误，因此发送电路就不需要双缓冲结构，这样可以提高数据发送速度。

2.3电平转换电路设计和其他的单片机器件一样，作为单片机的标准外围电路，串口的电平转换也有专用的芯片，但也可以使用三极管自行调整电平匹配。本次设计我主要采用专用芯片进行电平转换的方法。

目前较为广泛的是使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150 芯

片可完成TTL电平到EIA 电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA 电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTL和RS-232C的双向电平转换。在这里我采用的芯片是MAX232。如图

4

图4 电平转换芯片MAX232

在电气特性上RS-232C采用负逻辑，要求高、低两信号间有较大的幅度，标准规定为：逻辑‘ 1'：-5～-15V ，逻辑‘ 0':+5～+15V 。而单片机的信号电平与TTL电平兼容，逻辑1大于+2.4V，逻辑0为0.4V以下。很显然，RS-232C信号电平与TTL电平不匹配，为了实现两者的连接，必须进行电平转换。MAX232C为单一+5V供电，内置自升压电平转换电路，一个芯片能同时完成发送转换和接收转换的双重功能。MAX232 的引脚主要为5 个部分：

1）外接电容：有5 个外接电容、进行电压匹配和电源去耦（2）TTL的输入：电路TTL电平的输入引脚——11 和10 引脚，连接单片机的TXD 输出端口。

（3）TTL的输出：电路TTL电平的输出引脚——12 和9 引脚，连

接单片机的RXD输出端口。

（4）RS-232的输入：两路RS-232电平的输入引脚——13 和8 引脚，连接RS-232的TXD的输出端口。

（5）RS-232的输出：两路RS-232电平的输出引脚——14 和7 引脚，连接RS-232的RXD的输出端口。

通过MAX232 的TTL和RS-232 的输入/输出端口，自动地调节了单片机串口的TTL 电平信号和RS-232的串行通信信号的电平匹配。电平转换芯片与单片机的连接电路如下：地址分配和连接：只列出和系统相关的、关键部分的单片机与各个模块管脚的连接和相关的地址分配。

MAX232的11引脚：MAX232 的TTL电平输入引脚，连接单片机的TXD，TTL串口输入信号。MAX232 的12 引脚：MAX232 的TTL电平输出引脚，连接单片机的RXD、TTL串口输入信号。MAX232的14引脚：MAX232 的RS-232电平输出引脚，连接RS-232的RXD，RS-232的串口输入信号。

MAX232 的13 引脚：MAX232 的RS-232电平输入引脚，连接RS-232 的TXD，RS-232的串口输出信号。MAX232 和单片机串口连接的电路如图5。

图5 MAX232 和单片机串口连接电路图

2.4整体电路设计

PC机和单片机最简单的连接时零调制三线经济系。这是进行全双工通信所必需的最少线路，因为51 单片机输入、输出电平为TTL电平，但由于单片机的TTL逻辑电平和RS-232的电气特性完全不同，RS-232的逻辑

0 电平规定为+5~+15V之间，逻辑1电平为-5~-15V之间，因此在将PC 机和单片机的TXD和RXD交叉连接时必须进行电平转换，这里我选用的是MAX232 电平转换芯片。将PC机键盘的输入发送给单片机，单片机收到PC 机发来

的数据后，会送统一数据给PC机。并在屏幕中显示出来。只要屏幕中显示出来的字符与所键入的字符相同，说明二者之间的通信正常。总串行通信图为图6 所示

图6 串行通信电路图

3 软件设计

将PC 机键盘的输入发送给单片机，单片机收到PC 机发来的数据后，会送统一数据给PC机。并在屏幕中显示出来。只要屏幕中显示出来的字符与所键入的字符相同，说明二者之间的通信正常。3.1 串行通信的实现（1）串行口工作于方式1；用定时器1 产生9600bit/s 的波特率，工作于方式2。（3）通信协议:PC机首先发送数据，单片机接收到之后返回一个相同数据到PC机表示通信正常。

（4）通信过程使用第九位发送奇偶校验位。

（5）从机接收到一个数据后，立即进行奇偶校验，若数据没有错误，则返回00H，否则返回FFH。

（6）主机发送一个数据后，等待从机返回数据；若为00H，则继续发

送下一个数据，若为FFH，则重新发送数据。

3.2 流程框图

（1）51 单片机通过中断方式接收PC机发送数据，并回送。其程序

流程图，如图7

所示：

图7 发送端程序流程图

4.联合调试

在protues 上进行仿真实验。首先使用Keil uVsion 2 将编写完成的程序编译生成HEX文件，将HEX文件烧录到两片单片机中，进行仿真实验，可以看到，将PC机键盘的输入发送给单片机，单片机收到PC机发来的数据后，会送统一数据给PC机。ＰＣ机端已将发送的数据通过单片机回发过来能完整的显示出来。

5. 课设小结及进一步设想

单片机与PC机串行通信系统的设计告一段落，该系统的开发是一项非常有价值的项

为了开发通信系统，选择8051 单片机，必须掌握单片机控制系统硬件电路的设计，如复位电路和时钟电路等的设计，另外对汇编语言的灵活运用是少不了的，如单片机中断、定时器和串行口的汇编语言编程，而对单片机的串口知识深刻的理解下，确定以定时器T1的工作方式2 作为波特率发生器是一个关键的，计算机方面，首先是RS-232C接口，RS-232C 接口是最为常用的、应用最为广泛的串行接口标准，大量的集成设备、工业产品都提供了RS-232C接口，因此单片机应用系统的设计中，RS-232C 通信设计是十分重要的。51 兼容单片机通常都自带一个标准UART 端口，

这个端口用过电平转换电路就可以构成一个标准的RS-232C接口，并且与

计算机的接口相匹配，运用RS-232C连接的最简单形式：3 线制，将单片

机与PC机进行硬件连接。其中由于单片机系统使用的是TTL电平，单片

机中的串口输出的信号也是如此，但是串行通信中使用的RS-232C通信协议，二者的电平并不相同，在和单片机进行通信时，还需要有一定的外围电路的配合，使得单片机的通信电平和标准的串行通信协议相匹配。这一点用MAX232 芯片进行处理。以上所形成的通信系统的原理方案，便是本系统的硬件电路的设计依据。

接着到了系统软件的设计部分，一个完整的单片机系统只有硬件还不能工作，必须有软件来控制整个系统的运行，PC机部分的串口通信软件开发，采用的是VB的MSComm控件来实现串行通信，这一部分，我编制出了利用文本框接受和发送数据的界面，其中对如何接受单片机发送的16 进制代码和向单片机发送数据，是我做的不足的地方，采用的编程方法是正确的，但只形成了基本框架，不足的是不能很好的对收发数据进行代码处理，而这一部分，我认为应该单独作为一个课题进行研究。开发出强大的串口通信软件，鉴于VB 是一种弱字符语言，可以考虑用VC++等语言来开发，目的是使传输的数据不受任何限制，使通信系统更容易实现。而单片机的汇编程序方面，我一方面编写出了单片机自动发送和按键发送数据的程序，另一方面编写出了单片机查询接受数据和中断接受数据的程序，并在AT89C51单片机试验开发板上进行了测试，都达到了很好的效果，这也是让我满意的一部分。

最后，在硬软件设计完毕后，最重要的一步是对系统的调试，而对于可能出现的问题，需要从软件和硬件两个方面进行考虑，这一阶段需要大量的测试程序对系统等各个部分进行分别的测试，才能找到问题的所在，并进行

针对性地修改和完善，而最终目的是使软件和硬件能够很好的配合，完成预定的功能，再在实际的环境中对开发出来的系统进行考验，并随时对产生的问题进行处理，我认为这一步很费工夫，也存在着许多困难，但开发出成功的单片机系统，这一步是必经阶段，只有在这一阶段，多摸索，多探索，才能使自己的能力有所突破与提高。随着我一步一步做我的论文和设计，我才发现自己能力的不足与知识的贫乏，这是需要在后续的学习中，持续积累与拼搏的。

[1] 赵茂泰.智能仪器原理及应用.北京: 电子工业出版社,2004.7

[2]张毅刚,刘杰.MCS—51 单片机原理及应用.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2004.6

[3]何立民.单片机应用技术选编.北京: 北京航天航空大学出

版,2002.5

[4]张军,梅丽凤.单片机原理接口技术.北京交通大学出版社,2006.5

[5]张婧武,周灵彬.单片机系统的PROTEUS设计与仿真.北京: 电工出版社,2007.4

[6]周佩玲,彭虎.微机原理与接口技术.北京: 电子工业出版

社,2005.4

[7]李群芳,张士军.单片微型计算机与接口技术.北京: 电子工业出版社,2008.5

附录I 元件清单

附录II 整体电路图

附录III 源程序清单

START: MOV SP,#60H

MOV SCON,#01010000B ;设定串行方式

;8 位异步，允许接收

MOV P1,00H

MOV TMOD,#20H ;设定计数器1 为模式2

ORL PCON,#10000000B ;波特率加倍

MOV TH1,#0F3H ;设定波特率为4800

MOV TL1,#0F3H

SETB TR1 ;计数器开始计数

AGAIN: JNB RI,$ ;等待接收完成

CLR RI

MOV A,SBUF ;接收数据送缓存

PUSH ACC

CJNE A,#30H,SET1 ;将数据0～9的ASCII码转换为数字0～9，其余字符不变SJMP SET3

SET1: JC SET3

CJNE A,#39H,SET2

SJMP SET3

SET2: JNC SET4

CLR C

SET3: SUBB A,#30H

SET4: MOV P1,A

MOV SBUF,A ;发送接收到的数据JNB TI,$ ; 等待发送完成CLR TI

SJMP AGAIN

END