STC89C52单片机串口通信实战代码详解

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简介：STC89C52单片机是8位微控制器的常用代表，它具备丰富的I/O端口、内置Flash存储和低功耗特性，尤其以其串口通信功能著称。串口通信使用UART协议，允许设备间全双工数据交换。本实例展示了如何配置STC89C52单片机进行串口通信，包括波特率设置、数据帧格式、编程接口、发送接收流程及中断处理。代码注释详细，易于理解，适合初学者学习。

1. STC89C52单片机简介

STC89C52单片机是STC系列单片机中的一款高性能微控制器，它基于经典的8051内核，具有较高的处理速度和丰富的片上资源。本章将为读者深入介绍STC89C52单片机的基本特性、工作原理及其应用场景，以帮助读者快速理解和掌握这一广泛应用于嵌入式系统开发的单片机。

1.1 STC89C52单片机的核心特性

STC89C52单片机拥有8K字节的可编程Flash存储器，32个I/O口，3个16位定时器/计数器，以及一个6向中断源。它通常工作于5V电源电压，并能在-40℃到+85℃的温度范围内稳定运行。同时，该单片机内置有振荡电路，使得其在无需外部晶振的情况下即可进行操作。

1.2 STC89C52单片机的扩展应用

该单片机的高性能和低成本使其成为工业控制、家用电器、智能仪器仪表和教育实验平台等领域的理想选择。通过编写相应的程序代码，可以轻松实现数据采集、自动控制、远程通信等复杂功能。接下来，我们将详细探讨串口通信的基础知识，以及如何在STC89C52单片机中实现这一重要的通信方式。

2. 串口通信基础

2.1 串口通信的概念与特点

2.1.1 串行通信与并行通信的区别

串行通信和并行通信是数据传输的两种基本方式，它们在数据的传输速率、使用的线路数量、成本以及应用场景等方面有所区别。

串行通信是指数据以位为单位，按顺序一个接一个地通过单个通信通道进行传输。每个数据位都按顺序发送，这通常通过一个单一的数据线完成。串行通信的主要特点包括：

• 成本效益 ：由于只需要一条线路，硬件成本较低。
• 距离优势 ：适用于长距离传输。
• 速度限制 ：传输速率相对较低。
• 简单性 ：硬件连接更简单。
• 易受干扰 ：由于是逐位传输，所以每个数据位的传输时间较长，易受噪声和干扰影响。

并行通信则允许同时传输多个数据位，通常使用多个数据线路（通常是8位、16位或更多）。并行通信的主要特点包括：

• 高速传输 ：由于多个数据位可以同时传输，因此并行通信的速率远高于串行通信。
• 硬件复杂度 ：需要更多的物理线路和硬件端口。
• 成本高 ：并行通信需要更多的线路和同步设备，所以成本相对较高。
• 距离限制 ：并行通信通常只适用于较短距离，因为线路间可能存在干扰和同步问题。

2.1.2 串口通信的应用领域

串口通信被广泛应用于各种设备和计算机之间的通信，尤其是在以下领域中：

• 嵌入式系统 ：单片机、微控制器等嵌入式设备之间的通信。
• 工业自动化 ：PLC（可编程逻辑控制器）通信、传感器数据采集等。
• 数据通信设备 ：调制解调器、路由器等网络设备的配置和状态监控。
• 计算机外部设备 ：如鼠标、键盘、打印机等。
• 远程通信 ：通过电话线或无线通信设备的数据传输。

2.2 串口通信的工作原理

2.2.1 信号的发送与接收过程

串口通信的发送与接收过程是通过两个设备的串行端口进行的，其中信号的发送和接收过程涉及以下几个关键步骤：

1. 初始化串口 ：在发送或接收数据之前，首先要配置串口的工作参数，如波特率、数据位、停止位和校验位。
2. 数据准备 ：发送设备将要传输的数据加载到发送缓冲区。
3. 数据发送 ：通过串行通信线路，数据位一个接一个地被发送出去。发送设备同时监视发送状态，以检测可能的错误或完成信号。
4. 数据接收 ：接收设备从通信线路中读取数据位，并按照预定的数据帧格式进行解析。
5. 接收验证 ：如果启用了校验机制，接收端将执行校验过程，确保数据的完整性和准确性。

2.2.2 串口通信的硬件连接方式

串口通信的硬件连接通常需要以下几个关键组件：

• 串行端口 ：连接设备两端的硬件接口，通常包含至少三根线：发送（TX）、接收（RX）和地线（GND）。
• 通信介质 ：串口通信可以通过多种方式连接，包括直接电线连接、红外连接、调制解调器以及RS-232、RS-485等标准接口。
• 信号电平 ：常见的电平标准有TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）和RS-232标准，两者之间需要通过电平转换器进行适配。

在硬件连接中，通常 TX 端口对 RX 端口，而设备之间的地线（GND）需要连接在一起，以确保共地。

接下来，我们将深入了解UART协议，这是实现串口通信的一种常用协议。

3. UART协议应用

3.1 UART协议概述

3.1.1 UART协议的基本组成

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）协议，即通用异步收发传输器，是一种广泛应用于微控制器通信的串行通信协议。它是通过最少的连接线实现设备间通信的一种方式。典型的UART硬件接口包括发送（TX）、接收（RX）、地线（GND）和电源线（VCC）。

UART通信协议的基本组成要素主要有以下几个部分：

• 串行数据线（TX/RX） ：负责数据的发送和接收。
• 数据格式 ：包括起始位、数据位、停止位和可选的校验位。
• 时钟源 ：异步传输中，接收方和发送方各自使用独立的时钟。
• 波特率 ：决定了数据传输速率，即每秒传输的比特数。

UART协议之所以流行，是因为它的硬件连接简单，且大多数微控制器都内置有UART接口。它支持全双工通信，可以在同一通道上同时进行数据发送和接收，无需共享信道。

3.1.2 UART协议在单片机中的应用

在单片机中，UART协议通常是用来实现单片机与外部设备或计算机之间的数据交换。例如，STC89C52单片机就可以通过其内置的UART接口与其他设备进行数据通信。

UART协议在单片机中的应用包含但不限于以下场景：

• 数据日志记录 ：单片机可以将传感器数据发送到电脑进行记录和分析。
• 调试信息输出 ：通过连接到电脑的串口，单片机可以输出调试信息，帮助开发者诊断问题。
• 外部设备控制 ：通过发送特定的数据序列，单片机可以远程控制外部设备，如LED显示器、电机控制器等。
• 固件升级 ：一些单片机可以通过UART接口接收新的程序代码，从而实现在线升级。

3.2 UART协议工作模式

3.2.1 异步模式与同步模式的区别

UART协议中主要存在两种工作模式：异步模式和同步模式。在异步模式中，数据在没有外部时钟信号的情况下，在两个设备之间传输。每个数据帧以一个起始位开始，以一个或多个停止位结束。数据位和校验位在这两个边界之间发送。

异步模式的特点是：

• 时钟独立 ：发送器和接收器各自使用独立的时钟，不需要外部同步信号。
• 简单 ：硬件设计简单，软件处理相对容易。
• 可靠性 ：在短距离、低速通信下可靠。

而同步模式要求发送器和接收器的时钟同步，并在数据传输过程中保持同步。通常会有一个额外的时钟线或在数据帧中包含时钟信息，确保数据的同步传输。

同步模式的特点是：

• 高速 ：适合高速数据传输。
• 复杂 ：硬件和软件设计都相对复杂。
• 高效 ：传输效率高，因为它减少了帧中的起始和停止位。

3.2.2 UART的不同工作模式配置

在STC89C52单片机上配置UART协议的不同工作模式，主要通过设置串口控制寄存器（如SCON寄存器）来实现。以下是基于STC89C52单片机的UART不同工作模式的配置示例：

#include <reg51.h> // 包含STC89C52单片机寄存器定义

void UART_Init() {
    SCON = 0x50; // 设置为模式1，8位数据，可变波特率
    TMOD |= 0x20; // 定时器1为模式2自动重装
    TH1 = 0xFD; // 装载波特率发生器初值
    TR1 = 1; // 启动定时器1
    ES = 1; // 允许串口中断
    EA = 1; // 开启全局中断
}

// 主函数
void main() {
    UART_Init(); // 初始化UART
    while(1) {
        // 主循环，可以添加其他的处理逻辑
    }
}

在上述代码中，我们初始化了UART为模式1，这是一个8位数据，可变波特率的模式。我们还配置了定时器1为模式2，这是一个自动重装模式，便于生成稳定的波特率。

通过改变 SCON 寄存器的配置，可以设置UART的工作模式，例如模式0（5位数据，固定波特率）、模式2（8位数据，可变波特率）或模式3（9位数据，固定波特率）。选择哪种模式取决于应用需求和硬件条件。

在实际应用中，配置UART工作模式还需要考虑波特率的设置、数据帧格式（如数据位数、停止位、校验位）以及是否使用中断等。这些都是实现稳定通信的关键因素。

在接下来的章节中，我们将详细探讨如何设置波特率以及如何配置数据帧格式，这将有助于我们更好地理解UART协议在单片机中的应用。

4. 波特率的设置方法

4.1 波特率的概念及重要性

4.1.1 波特率的定义与计算

波特率（Baud rate），指的是每秒钟传输的符号数，是通信系统中信息传输速率的度量。它代表了串口通信中信号状态变化的次数。例如，如果波特率是9600，那么每秒钟信号状态最多变化9600次。值得注意的是，波特率与比特率（bit rate）有所不同，比特率是每秒钟传输的比特数。一个数据符号可能包含多个比特，因此在某些调制技术中，比特率会大于波特率。

在串口通信中，波特率的选择直接影响到数据传输的稳定性和可靠性。如果设置不当，可能会导致数据的丢失或误码率增加。

4.1.2 波特率对通信质量的影响

波特率的设置需要根据实际应用的需求和通信环境来确定。如果波特率设置过高，在传输介质质量不佳或者干扰较多的环境中，可能会造成较高的误码率，甚至无法正确接收数据。相反，如果波特率设置过低，虽然能增加通信的稳定性，但会减少数据传输的效率，延长传输时间，影响系统的实时性。

在实际应用中，需要在通信效率和通信质量之间做出平衡。例如，对于需要高速传输大量数据的应用，就需要设置较高的波特率；而对于需要高可靠性的数据传输，则可能需要降低波特率，确保数据的准确无误。

4.2 波特率的计算与设置技巧

4.2.1 根据时钟频率计算波特率

波特率的计算依赖于串口通信的时钟频率。以STC89C52单片机为例，其串口波特率的计算公式为：

[ 波特率 = \frac{f_{OSC}}{12 \times (256 - TH1) \times (1 + SMOD) } ]

其中，( f_{OSC} ) 是外部晶振频率，TH1 是定时器1的高8位初值，SMOD 是PCON 寄存器中的串口倍速位。

例如，如果外部晶振频率为11.0592MHz，并且想要设置波特率为9600：

[ 9600 = \frac{11.0592 \times 10^6}{12 \times (256 - TH1) \times (1 + SMOD) } ]

根据公式，可以通过调整TH1的值来设置所需的波特率。

4.2.2 调整定时器参数设置波特率

为了实现特定的波特率，需要对单片机的定时器进行设置。例如，在STC89C52单片机中，可以通过编程定时器1来产生所需的波特率。以下是使用定时器1产生波特率9600的示例代码：

#include <reg52.h>

void SerialInit() {
    TMOD &= 0x0F;  // 设置定时器模式为自动重装模式
    TMOD |= 0x20;  // 定时器1工作在2模式
    TH1 = 0xFD;    // 定时器初值，用于产生波特率9600
    SCON = 0x50;   // 设置串口为模式1
    TR1 = 1;       // 启动定时器1
    TI = 1;        // 设置TI，准备发送第一个字符
}

void main() {
    SerialInit();  // 初始化串口和定时器
    // ... 其他代码
}

在这段代码中， TH1 = 0xFD; 设置了定时器初值，用于产生9600波特率。 SCON = 0x50; 设置了串口工作在模式1（8位数据，可变波特率）。需要注意的是，定时器初值的计算和设置取决于外部晶振频率和所需的波特率。

4.2.3 使用内置波特率发生器设置波特率

一些现代的单片机可能内置了波特率发生器，STC89C52虽然没有内置波特率发生器，但其弟妹系列STC15F2K60S2就有此功能。以下是设置内置波特率发生器的示例代码：

#include <STC15F2K60S2.h>

void UartInit(unsigned int baudrate) {
    UartInitSetMode(0x20);    // 设置波特率发生器工作模式
    UartInitSetBRG(baudrate); // 设置波特率发生器波特率值
    UartInitSetSCON(0x50);    // 设置串口模式
}

void main() {
    UartInit(9600);           // 初始化串口，设置波特率为9600
    // ... 其他代码
}

在这段代码中， UartInitSetBRG(baudrate); 函数用于设置波特率发生器的值，使单片机能够以指定的波特率发送和接收数据。具体函数的实现将依赖于单片机硬件手册中相关的寄存器操作。

使用波特率发生器的好处是，单片机能够自动计算定时器的初值，简化了编程过程，并且能够更精确地控制波特率。

通过以上章节的介绍，我们可以看到波特率的设置是一个十分重要的步骤，它直接影响了串口通信的效率和质量。在实际应用中，需要充分理解波特率的计算方法，并根据实际需求合理设置波特率。

5. 数据帧格式配置

数据帧格式是串口通信中非常关键的概念，它决定了数据包的结构和含义。理解并正确配置数据帧格式对于保证数据能够正确、高效地传输至关重要。

5.1 数据帧格式基础

数据帧是串口通信中信息传递的基本单位，它包含了一定数量的数据位、停止位和校验位。在本节，我们将详细介绍这些组成部分及其对通信效率的影响。

5.1.1 数据位、停止位和校验位的配置

在串口通信中，数据帧由以下几个部分组成：

• 起始位 ：数据帧的开始信号，通常是逻辑“0”，用于告知接收端一个字节的数据即将开始。
• 数据位 ：紧接着起始位的是数据位，STC89C52单片机中，数据位通常是8位，表示要传输的数据。
• 校验位 ：数据位之后，可以选择加上奇偶校验位，用于错误检测。
• 停止位 ：最后是停止位，它标志着数据帧的结束。一个常见的停止位长度是1位或2位。

下面是设置数据帧各个部分的详细信息：

• 数据位 ：数据位的长度决定了每个数据帧可以携带的数据量。一般情况下，数据位设置为8位，即一个字节。
• 校验位 ：校验位用于错误检测，分为奇校验（奇数个1）和偶校验（偶数个1）。也可以选择无校验（None），此时不传输校验位。
• 停止位 ：停止位的长度影响数据帧的长度和传输效率。较长的停止位可以提高通信的稳定性，但会降低传输速率。

5.1.2 帧格式对通信效率的影响

帧格式中的每个部分都会对通信效率产生影响：

• 数据位越多 ，每个数据帧携带的信息量越大，单位时间内的传输效率越高，但同时错误的概率也会略有增加。
• 校验位的加入 ，虽然可以提高数据传输的准确性，但会占用额外的通信资源，从而降低传输效率。
• 停止位越短 ，每个数据帧的传输时间越短，数据传输速率越快，但太短的停止位可能会引起通信稳定性的下降。

5.2 数据帧格式的编程实现

在STC89C52单片机中，数据帧格式的配置主要是通过设置串口控制寄存器来完成的。下面将展示如何在单片机中编程实现数据帧格式的配置。

5.2.1 如何在STC89C52单片机中配置帧格式

首先，我们需了解和设置串口控制寄存器S0CON（SCON）和定时器1（T1）的模式。

// 配置串口控制寄存器SCON
// S0CON = 0x50; // 8位数据, 可变波特率, 使能接收
S0CON = 0x52; // 8位数据, 可变波特率, 使能接收, 偶校验

// 定时器1用于产生波特率，例如设置波特率为9600
TMOD &= 0x0F; // 清除定时器1模式位
TMOD |= 0x20; // 定时器1工作在8位自动重装模式

TH1 = 0xFD; // 装载初始值，决定波特率
TL1 = 0xFD;
TR1 = 1; // 启动定时器1

5.2.2 不同配置下的通信效果对比

在配置完串口数据帧格式后，我们应该进行实际的通信测试以对比不同配置下的效果。以下是一些对比的关键点：

• 传输速率 ：停止位长度和波特率设置影响传输速率。
• 传输准确性 ：校验位的设置影响传输准确性。
• 错误恢复能力 ：不同的校验位配置下，错误恢复能力的表现。

通过对比测试，我们可以根据实际需要选择最合适的帧格式配置。在测试过程中，可以使用串口调试助手等工具来模拟数据发送和接收，并观察数据的正确性和传输速率。

6. 发送和接收流程详解

6.1 发送流程的细节分析

在深入理解STC89C52单片机的串口通信中，发送流程是构建数据传输机制的关键组成部分。我们首先探讨串口发送过程中涉及到的缓冲区和状态标志位。

6.1.1 发送缓冲区与发送状态标志

串口模块通常会配备一个发送缓冲区（SBUF），用于暂存待发送数据。当CPU向SBUF写入数据时，数据会被自动传输到发送缓冲区。串口控制寄存器（SCON）中的发送标志位（TI，Transmit Interrupt flag）会被硬件自动置位，表明数据已发送完毕。在大多数应用中，需要在数据发送完成之后，手动清零TI标志位，以便于下一次数据的发送。这是通过对SCON寄存器进行操作实现的。

6.1.2 发送过程中的常见问题及解决方案

在实现数据发送时，可能会遇到数据发送冲突的问题。一种常见的问题是发送缓冲区在数据尚未发送完毕时被新数据覆盖，这会导致数据丢失。解决此问题通常采用轮询检查TI位或使用中断服务程序来确保数据完全发送后再进行下一次发送操作。例如，当TI标志位被置位后，程序可以继续发送下一个数据包。

void SendByte(unsigned char dat) {
  SBUF = dat; // 将数据写入发送缓冲区
  while (!TI); // 轮询检查TI标志位，等待数据发送完成
  TI = 0; // 清除TI标志位，准备下一次发送
}

在上述代码示例中， SendByte 函数负责发送单个字节的数据。 while (!TI); 是一个轮询，确保在TI标志位为0之前程序不会继续执行，从而保证数据的完整发送。

6.2 接收流程的机制探讨

接收流程同样也是串口通信中的重要部分，涉及接收缓冲区和接收状态标志位。

6.2.1 接收缓冲区与接收状态标志

串口同样具备接收缓冲区，用于暂存接收到的数据。串口控制寄存器SCON中的接收标志位（RI，Receive Interrupt flag）在数据接收到接收缓冲区后会被硬件置位。CPU可以通过检查RI标志位来确认是否有新的数据到达。与发送流程类似，接收流程也需要适当管理RI标志位，确保数据不被覆盖。

6.2.2 多种接收模式的工作原理与选择

STC89C52单片机提供了多种接收模式以适应不同的应用场景。例如，可以设置为模式1（8位数据，可变波特率），模式2（9位数据，固定波特率），或模式3（9位数据，可变波特率）。不同的接收模式会根据SCON寄存器的配置影响RI标志位的置位时机，以及是否在接收到数据后自动产生中断信号。

在选择接收模式时，需要考虑数据位、校验位、停止位的数量，以及是否需要使用中断来响应接收到的数据。例如，如果对实时性要求较高，可以选择开启接收中断，这样每当数据接收完成时，CPU就会暂停当前任务，立即处理接收到的数据。

void main() {
  // 配置串口工作模式和波特率等
  // ...

  while (1) {
    if (RI) { // 检查接收标志位RI，判断是否接收到数据
      unsigned char receivedData = SBUF; // 读取接收到的数据
      RI = 0; // 清除接收标志位，准备接收下一次数据
      // 对接收到的数据进行处理
      // ...
    }
  }
}

在上述代码中，主循环持续检查RI标志位。一旦RI标志位被置位，表明数据已经接收完成，可以通过读取SBUF寄存器来获取数据。之后，需要清除RI标志位，为接收下一个字节的数据做准备。

以上内容为第六章“发送和接收流程详解”的详细分析。每个环节都细致地解释了发送和接收过程中涉及的关键技术和可能发生的问题，并提供了相应的代码示例。在第七章中，我们将进一步深入讨论中断处理机制，探索其在串口通信中的应用。

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简介：STC89C52单片机是8位微控制器的常用代表，它具备丰富的I/O端口、内置Flash存储和低功耗特性，尤其以其串口通信功能著称。串口通信使用UART协议，允许设备间全双工数据交换。本实例展示了如何配置STC89C52单片机进行串口通信，包括波特率设置、数据帧格式、编程接口、发送接收流程及中断处理。代码注释详细，易于理解，适合初学者学习。

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