51 单片机串口通信 | 原理 / 实验

注：本文为 “51 单片机串口通信” 相关合辑。
图片清晰度受引文原图所限。
略作重排，如有内容异常，请看原文。

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单片机与 PC 机串口通信实验

Lzjusc2017 于 2019-01-22 17:57:24 发布

实验原理

51 单片机的串行口是一个可编程的全双工通信接口，具备 UART（通用异步收发器）的全部功能，能够同时进行数据的发送和接收，也可作为同步移位寄存器使用。51 单片机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，一个接收缓冲寄存器）、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器及若干控制电路组成。串行口方式 1 是最常用的通信方式，传输的数据共 10 位，包括 1 位起始位、8 位数据位（最低位在前，最高位在后）和 1 位停止位，帧与帧之间可以有空闲，也可以无空闲。

发送方式

当数据被写入 SBUF 寄存器后，单片机自动从起始位开始发送数据。发送到停止位的开始时，内部硬件将 TI 置 1，向 CPU 申请中断。此时，可以在中断程序中进行相应处理，也可以选择不进入中断。

接收方式

通过软件将 REN 置 1 时，接收器以选择波特率的 16 倍速率采样 RXD 引脚电平。检测到 RXD 引脚输入电平发生负跳变时，说明起始位有效，将其移入输入移位寄存器，并开始接收这一帧信息的其余位。接收过程中，数据从输入移位寄存器的右侧移入。当起始位移至输入移位寄存器最左边时，控制电路进行最后一次移位。若 RI = 0 且 SM2 = 0（或接收到的停止位为 1），则将接收到的 9 位数据的前 8 位装入接收 SBUF，第 9 位（停止位）进入 RB9，并置 RI = 1，向 CPU 请求中断。

在具体操作串行口之前，需要对单片机的一些与串口有关的特殊功能寄存器进行初始化设置，主要设置产生波特率的定时器 1、串行口控制和中断控制，具体步骤如下：

1. 确定 T1 的工作方式（编程 TMOD 寄存器）；
2. 计算 TI 的初值，装载 TH1 和 TL1；
3. 确定串行口工作方式（编程 SCON 寄存器）；
4. 若串行口工作在中断方式，需进行中断设置（编程 IE 和 IP 寄存器）。

相关寄存器的选择说明

实验代码

#include <reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar num, a; // 定义变量

void main()
{
    TMOD = 0x20; // 定时器设置
    TH1 = 0xFD;  // 设置初值 9600 = (2^SMOD / 32) * (TI 溢出率) = (1/32) * 11059200 / (256 - X) * 12
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1; // 开启定时器 1
    SM0 = 0; // 设置串行口工作方式
    SM1 = 1;
    REN = 1; // 允许串行接收位
    EA = 1;  // 开启总中断
    ES = 1;  // 开启串口中断
    while (1)
    {
        if (num == 1) // 判断是否有串口数据的传送
        {
            ES = 0; // 关闭串口中断
            num = 0;
            SBUF = a; // 发送数据 a 到 SBUF，即将单片机的数据发送到计算机
            while (!TI); // 发送数据后，TI 自动置 1
            TI = 0; // TI 置 0，才能进行下次发送
            ES = 1; // 打开中断
        }
    }
}

void ser() interrupt 4
{
    RI = 0; // 接收到数据后，将 RI 置 0
    a = SBUF; // 接收数据
    num = 1; // 标志位
}

串口通信的特征

串口通信具有以下六个特征：

1. 物理连接：至少需要 3 根线，分别是 Tx（数据发送线）、Rx（数据接收线）和 GND（共用地线）。
2. 电平约定：
   • RS232 电平：约定 -5V 至 -25V 之间的电压信号为 1，+5V 至 +25V 之间的电压信号为 0。
   • TTL 电平：约定 5V 的电压信号为 1，0V 电压信号为 0。
   • CMOS 电平：约定 3.3V 的电压信号为 1，0V 电压信号为 0（常用于 ARM 芯片）。
3. 发送顺序：低位先发。
4. 波特率：收发双方共同约定的一个数据位（0 或 1）在数据传输线上维持的时间，也可理解为每秒可以传输的位数。常用的波特率有 300 bit/s、600 bit/s、2400 bit/s、4800 bit/s、9600 bit/s。
5. 起始信号：发送方在没有发送数据时，应将 Tx 置 1。当需发送时，先将 Tx 置 0，并保持 1 位的时间。接收方不断侦测 Rx，若发现 Rx 从高电平突然变为低电平，则视为发送方将要发送数据，迅速启动自己的定时器，从而保证收发双方定时器同步。
6. 停止信号：发送方发送完最后一个有效位后，必须再将 Tx 保持 1 位的时间，即为停止位。

注意事项

读取 SBUF 数据或接收 SBUF 数据均采用 ASCII 码，数据类型为 unsigned char，以二进制形式处理。

实验：从串口中输入 0-999，数码管显示 0-999

#include <reg52.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit wela1 = P1^0; // 第一位
sbit wela2 = P1^1; // 第二位
sbit wela3 = P1^2; // 第三位
uint a;
uchar num, ge, shi, bai;

uchar code table[] = {0x3f, 0x06, 0x5b, 0x4f, 0x66, 0x6d, 0x7d, 0x07, 0x7f, 0x6f}; // 不带小数点的共阴数码管段值 0-9
uchar code tablewe[] = {0x04, 0x02, 0x01};

uchar table1[2];
uchar k = 0;

void delay(uchar x) // 延时
{
    uchar i, j;
    for (j = x; j > 0; j--)
    {
        for (i = 113; i > 0; i--){}
    }
}

void main()
{
    TMOD = 0x20; // 用定时器设置串口波特率 9600
    TH1 = 0xFD;  // 赋初值 9600 = (2^SMOD / 32) * (TI 的溢出率) = (1/32) * 11059200 / (256 - X) * 12, X = 253
    TL1 = 0xFD;  // 赋初值
    TR1 = 1;     // 开启定时器 1
    SM0 = 0;     // 模式选择
    SM1 = 1;
    REN = 1;     // 串口初始化
    EA = 1;      // 开启总中断
    ES = 1;      // 开启串口中断
    P1 = 0x00;
    while (1)
    {
        if (num == 1) // 判断是否有串口数据的传送
        {
            num = 0;
            if (table1[1] == 0x00)
            {
                bai = table1[1];
                shi = (table1[0] >> 4) & 0xf;
                ge = table1[0] & 0xf;
            }
            else
            {
                bai = (table1[0] >> 4) & 0xf;
                shi = table1[0] & 0xf;
                ge = table1[1];
            }
        }
        if (bai != 0x00)
        {
            P1 = 0x04;
            P0 = table[bai];
            delay(5);
        }
        if (shi != 0x00)
        {
            P1 = 0x02;
            P0 = table[shi];
            delay(5);
        }
        P1 = 0x01;
        P0 = table[ge];
        delay(5);
    }
}

void ser() interrupt 4 // 串口中断号 4
{
    table1[0] = 0;
    table1[1] = 0; // 清零
    if (RI)
    {
        for (k = 0; k < 2; k++)
        {
            while (!RI); // 查询接收标志
            RI = 0;
            table1[k] = SBUF; // 一次读 8 位
            delay(10);
            if (RI == 0) break; // 表示只发一位
        }
    }
    num = 1; // 表示有接收
}

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51 单片机之——串口通信（含实现部分）

Patarw_Li 已于 2024-01-30 17:10:26 修改

一 串口通信简介

本篇文章将实现两个部分：第一部分为 单片机通过串口向电脑发送数据；第二部分为 电脑通过串口控制单片机 LED 灯。

二 前置知识

简单的串口通信需要两根通信线：发送端 TXD（transmit exchange data） 和接收端 RXD（receive exchange data），并且它们是交叉连接的。

如下图所示，RXD 和 TXD 即为单片机芯片上串口通信的两个引脚（注意它们与 P3.0 和 P3.1 引脚是复用的）。

上图中的两个引脚连接至单片机 USB 转 TTL 下载模块的 RXD-U 和 TXD-U 引脚（如下图所示，TXD 为发送端，RXD 为接收端，并且可以看到它们与 RXD-U 和 TXD-U 交叉连接）。

以下是一些术语的简单介绍：

接下来介绍需要用到的寄存器：

1. SCON：串行控制寄存器（可位寻址），用于选择串行通信的工作方式和一些控制功能

• SM0 和 SM1：用来确定串行口的工作方式。常用的模式为模式 1，因此初始化为 SM0 = 0 和 SM1 = 1。
• SM2：控制模式 2 和模式 3 的多机通信。由于使用模式 1，因此初始化为 0。
• REN：控制是否允许串行接收。REN = 1 表示允许串行接收，可以启动串行接收器 RXD；REN = 0 表示禁止接收。若仅使用发送功能，则初始化为 0；若需要接收功能，则初始化为 1。
• TB8 和 RB8：用于模式 2 和模式 3，此处初始化为 0。
• TI：发送中断请求标志位。在模式 1 中，停止位开始发送时由内部硬件置 1，表示向主机请求中断；中断响应后需要软件复位，即 TI = 0。初始化为 0。
• RI：接收中断请求标志位。在模式 1 中，接收到停止位时由内部硬件置 1；中断响应后由软件复位 0。初始化为 0。

因此，在代码中，可以将 SCON 寄存器初始化为 0x40（单片机通过串口向电脑发送数据）或 0x50（单片机通过串口接收电脑发送的数据）。

2. PCON：电源控制寄存器（不可位寻址）

• SMOD：波特率选择位，控制波特率是否加倍。
• SMOD0：帧错误检测有效位，控制是否启用帧错误检测。

3. SBUF：串口数据缓存寄存器，用于存放待发送数据

此外，还需要配置定时器相关寄存器，具体配置方法将在后续文章中详细介绍。此处只需按照示例进行配置，其他未提及的寄存器均无需配置。

三 前置准备

硬件准备

• STC89C52RC 单片机 一块（要操作的 LED 灯为划红线部分）
• 电脑 一台

软件准备

• Keil5：用于编写程序代码，生成 .hex 文件。
• STC-ISP：用于将生成的 .hex 文件烧录到单片机中，同时使用其附带的串口助手工具。

四 实现单片机通过串口向电脑发送数据

首先新建工程，选择芯片型号为 AT89C52。

创建项目后，确保勾选生成 .hex 文件的选项，以便后续将该文件烧录到单片机中。

首先编写一个函数用于初始化各个寄存器的参数。可以使用 STC-ISP 软件的波特率计算器生成初始化函数，但需根据单片机的具体参数进行配置，否则可能会出现接收错误字节。此处波特率设置为 4800（可根据实际需求调整）。

以下是初始化函数：

void UART_Init()
{
    /**串口寄存器配置**/
    SCON = 0x40; // 初始化串行口控制寄存器
    PCON |= 0x80; // 使能波特率倍速位 SMOD

    /**定时器寄存器配置**/
    TMOD &= 0x0f; // TMOD 高四位清 0，低四位保持不变
    TMOD |= 0x20; // 设定定时器 1 为 8 位自动重装方式
    TL1 = 0xf4;   // 设定定时初值
    TH1 = 0xf4;   // 设定定时器重装值
    ET1 = 0;      // 禁止定时器 1 中断
    TR1 = 1;      // 启动定时器 1
}

接下来创建一个函数，用于将一个字节的数据写入 SBUF（串口数据缓冲寄存器） 中。写入后，硬件将自动完成发送，发送完成后硬件会将 TI（发送中断请求标志位）置 1。

void UART_SendByte(unsigned char Byte)
{
    SBUF = Byte; // 将数据写入串口数据缓存寄存器
    while (TI == 0); // 等待 TI 置 1，即发送完成前一直等待
    TI = 0; // 发送完成后，需要软件复位
}

在 main 函数中调用这两个函数：

void main()
{
    UART_Init(); // 初始化寄存器
    while (1)
    {
        UART_SendByte(0x66); // 发送 0x66 字节
    }
}

编译该代码后，使用 STC-ISP 将编译好的 .hex 文件烧录到单片机中。

打开 STC-ISP 内置的串口助手，设置好波特率（此处波特率设置为 4800，若未正确配置可能会出现接收错误字节），然后打开串口助手。此时，可在接收缓冲区中看到单片机发送的字节，表示单片机通过串口向电脑发送数据的实验成功。

五 实现单片机通过串口接收电脑发送的数据

接收串口信息需要将串口控制寄存器中的 REN 位置为 1，即允许单片机通过串口接收信息。因此，SCON 寄存器应从原来的 0x40 变为 0x50。由于接收信息是被动的，串口通过中断提醒单片机有信息要接收，因此需要打开串口中断（EA = 1, ES = 1）。

以下是初始化函数：

void UART_Init()
{
    /**串口寄存器配置**/
    SCON = 0x50; // 初始化串行口控制寄存器，REN 位为 1
    PCON |= 0x80; // 使能波特率倍速位 SMOD

    /**定时器寄存器配置**/
    TMOD &= 0x0f; // TMOD 高四位清 0，低四位保持不变
    TMOD |= 0x20; // 设定定时器 1 为 8 位自动重装方式
    TL1 = 0xf4;   // 设定定时初值
    TH1 = 0xf4;   // 设定定时器重装值
    ET1 = 0;      // 禁止定时器 1 中断
    TR1 = 1;      // 启动定时器 1

    EA = 1; // 启动所有中断
    ES = 1; // 启动串口中断
}

查询单片机手册可知，串口的中断号为 4。因此，可以编写串口中断子函数（在函数圆括号后加上 interrupt 4），无需调用，当串口中断产生时，将自动执行函数中的内容。

void UART_Routine() interrupt 4
{
    if (RI == 1)
    {
        // 当接收到数据时，让控制 LED 的 P2 端口等于串口数据缓冲寄存器中的值，从而实现串口控制 LED 灯
        P2 = ~SBUF; // 因为 0 为灯亮，所以要取反
        RI = 0; // 软件复位
    }
}

注意，由于串口发送和接收都会引起这个中断，因此需要通过 RI 位（接收中断请求标志位）来判断是否接收到数据。接收到数据后，对单片机 LED 进行操作，并将 RI 位清零。

此实验中，main 函数只需调用初始化函数即可，无需调用中断函数。

void main()
{
    UART_Init();
    while (1)
    {
        // 主循环为空，所有操作在中断中完成
    }
}

编译该代码后，使用 STC-ISP 将编译好的 .hex 文件烧录到单片机中。

打开串口助手，若希望 LED 的高四位亮起，可发送十六进制数 0xF0（二进制为 1111 0000），点击发送数据即可。

此时，单片机的高四位 LED 灯将亮起。

至此，关于单片机串口通信的两个简单实验已经完成。可以根据这些基本的实验拓展出更高级的功能。

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via:

• 单片机与 PC 机串口通信实验_单片机和 pc 机的痛训实验-优快云博客
  https://blog.youkuaiyun.com/qq_40318498/article/details/86598906

• 51 单片机之——串口通信（含实现部分）_rxd 和 txd-优快云博客
  https://blog.youkuaiyun.com/qq_51103378/article/details/127031162