单片机学习系列（5）：串口通信原理与应用

单片机学习系列（5）：串口通信原理与应用

一、串口通信概述

• 定义与作用：串口通信是一种常用的数据传输方式，它通过串行的方式在单片机与外部设备之间逐位地传输数据，具有连线简单、成本低等优点。在很多应用场景中都起着关键作用，比如单片机与电脑进行数据交互，将采集到的传感器数据发送给电脑端进行分析和显示；或者多个单片机之间相互通信，协同完成更复杂的任务等。

二、串口通信基本原理

• 数据传输方式：串口通信采用异步传输模式，即发送端和接收端不需要使用同一时钟信号来同步数据传输。它通过起始位、数据位、奇偶校验位（可选）和停止位来构成一帧数据进行传输。发送端先发送一个起始位（通常为低电平）来告知接收端数据即将开始传输，接着依次发送规定数量的数据位（常见的有 5 位、6 位、7 位、8 位等），然后可根据需要添加奇偶校验位用于数据校验，最后发送一个或多个停止位（通常为高电平）表示一帧数据传输结束。
• 波特率：波特率是指单位时间内传输的二进制位数，它决定了数据传输的速度。例如波特率为 9600bps，表示每秒传输 9600 位数据，发送端和接收端需要设置相同的波特率才能正确地进行数据通信，否则会出现数据接收错误或者丢失的情况。

三、串口通信相关寄存器（以 51 单片机为例）

串口控制寄存器（SCON）

• 功能描述：主要用于控制串口的工作方式、接收和发送的状态等。例如，它可以设置串口是工作在方式 0、方式 1、方式 2 还是方式 3，不同的工作方式有着不同的数据格式和波特率计算方式；同时还能通过其相关位来判断数据是否接收完成、是否可以发送数据等情况。
• 重要位说明：比如 RI 位（接收中断标志位），当接收完一帧数据时，该位会被硬件自动置 1，需要软件将其清零；TI 位（发送中断标志位），在发送完一帧数据后，此位会被置 1，同样需要软件清零来准备下一次发送操作。

波特率发生器相关寄存器

• 定时器 1（在方式 2 时常用作波特率发生器）：在 51 单片机中，串口波特率通常与定时器 1 的设置相关。通过对定时器 1 的计数初值进行设置，可以改变其溢出频率，进而确定串口的波特率。例如，要设置波特率为 9600bps（晶振频率为 12MHz 时），就需要按照相应的计算公式来给定时器 1 的 TH1 和 TL1 寄存器赋合适的初值。

四、串口通信工作方式（以 51 单片机为例）

方式 0

• 特点：这是一种同步移位寄存器方式，常用于扩展 I/O 口或者外接一些简单的并行设备实现数据传输。数据通过 RXD 引脚进行输入输出，TXD 引脚输出同步移位脉冲，传输的数据为 8 位，低位在前，高位在后，且波特率固定为晶振频率的 1/12。
• 应用场景：比如连接一些简单的数码管显示模块，通过串口方式 0 来传输要显示的数据，实现数码管显示内容的控制。

方式 1

• 特点：这是最常用的一种异步通信方式，数据格式为 1 个起始位、8 个数据位、1 个停止位，没有奇偶校验位，波特率可变，由定时器 1 或定时器 2（部分 51 单片机支持）的溢出率和相关的波特率计算公式来确定。
• 应用场景：广泛应用于单片机与电脑、单片机与其他带有串口通信功能的设备之间的数据传输，如将单片机采集到的温度、湿度等传感器数据发送给电脑进行记录和分析。

方式 2

• 特点：这种方式的数据格式为 1 个起始位、9 个数据位、1 个停止位，其中第