51单片机串口通信

最新推荐文章于 2025-04-18 02:10:30 发布

且看林地几华里

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文章标签： 51单片机嵌入式硬件单片机

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/weixin_69561921/article/details/130870355

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前言

串口是一种应用十分广泛的通讯接口，是串行通信最纯粹的表现形式，即数据结构是由一串一串的数据流构成的，通常是8位一串地进行传递，每一位都有先后顺序，并不是同时到达目的地址的，因此串口的成本低，容易使用，线路简单，但速率较慢，可以实现两个设备的简单通信。与之对应的是并口，以8位为例，并行通信是8位数据同时发出，同步达到，理论上速率是穿行的8倍，但成本较高，应用场景较少。

单片机的可以时单片机与单片机，单片机与电脑，单片机与各种各样的设备进行互相通信，极大地提升了单片机裸机的扩展性，增强了其硬件实力。

一、UART

51单片机内部自带UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器），可实现单片机的串口通信。

STC89C52系列单片机内部集成有一个功能很强的全双工串行通信口，与传统8051单片机的串口完全兼容。设有2个互相独立的接收、发送缓冲器，可以同时发送和接收数据。发送缓冲器只能写入而不能读出，接收缓冲器只能读出而不能写入，，因而两个缓冲器可以共用一个地址码（99H)。两个缓冲器统称串行通信特殊功能寄存器 SBUF 。

电平协议：

值得一提的是，串行通信分为很多种电平协议，例如TTL，RS232，RS485等，不做任何处理的话它们相互之间是无法正常通信的。电平标准就是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系。单片机一般都是TTL协议，电脑端大多都使用的是USB接口，TTL转USB协议就需要一颗ch340芯片，不过51的开发板已经装好了，所以我们只需要插上USB线就可以实现单片机和电脑端的串口通信了。

串口常用的电平标准有如下三种：

TTL电平：+5V表示1，0V表示0

RS232电平：-3~-15V表示1，+3~+15V表示0

RS485电平：两线压差+2~+6V表示1，-2~-6V表示0（差分信号）

引脚定义：

TXD ：（Transmit Exchange Data）数据发送
RXD：（Receive Exchange Data）数据接收

严格意义上来讲串口通信只有这两根线组成，通信原理也非常简单，就是一发一收，发送和接收分别独占一根数据线，可以兼顾发送和接收的工作，所以串口为全双工。由于没有第三根时钟线来统一传输的时间基准，所以串口为异步通信方式，双方必须约定好波特率，否则数据就会出现不可预知的错误。

工作模式：

STC89C52只有一个UART，总共有四种工作模式：

模式0：同步移位寄存器

模式1：8位UART，波特率可变（常用）

模式2：9位UART，波特率固定

模式3：9位UART，波特率可变

常用的只有模式1，其他3种模式小编到现在还没遇到过。

二、UART参数、时序、及其工作原理

STC89C52系列单片机串行口对应的硬件部分对应的管脚是P3.0/RxD和P3.1/TxD。

参数：

波特率：串口通信的速率（发送和接收各数据位的间隔时间）

校验位：用于数据验证（奇校验/偶校验）

停止位：用于数据帧间隔

时序：

一般情况我们都会选则模式1，此模式为8位UART格式，一帧数据为10位，1位起始位，8位数据位，1位停止位，波特率可变，即可根据需要进行设置。

8位数据格式

模式2和模式3为9位数据格式，一帧数据总共11位，在停止位后紧接一位校验位，用以检验这帧数据的可靠性。

9位数据格式

这两种方法均采用低位先行的原则，即从一帧数据的右端开始逐一发送，比如1010 1010，就是从最低位 “0” 开始发，接着发第二位的 “1” 接着 “0” 、“1”、“0”......经过一些硬件电路的处理后，接收端收到的数据仍然是“1010 1010”。

下面是手册里给的时序图：

工作原理：

我们可以看到，串口是挂载在总线上的，除此之外总线上还挂载了许多设备交互工作。那么UART内部到底是如何完成数据的发送和接收的呢？将其放大后就是下面这张图：

这就是UART串口模式1的功能结构示意图，上下两处标记的INTERNAL BUS就是内部总线，与上面单片机内部结构图相关联。接下来详细些说说我对这张图的理解，可能有不对的地方也请大家指正哈！

波特率发生器：

首先就是控制波特率这边，stc89c52是利用了定时器1的溢出率，通过16分频或2分频后十六分频来控制收发器的采样时间，这里需要配置SMOD 这个寄存器来控制它的收发速率，来形成一个类似的波特率发生器，图中可以看到发送和接受是公用波特率电路的，所以发送和接收的波特率也是相同的，且与之进行通信的设备波特率也必须是相同的，否则传输的数据就会出错。

发送数据：

写入的数据会存放在SBUF（Serial Buffer）这个缓存区中，同时触发start这个标志位，使发送控制器开始工作，数据就会一位一位的发送到TX引脚端。这里出现了一个触发器，我忘了这是个什么触发器了QAQ（原谅小编数电没学好），不过不影响对这部分框图的理解。

接收数据：

数据从RX引脚端进来，接收控制器控制移位寄存器一位一位地放入到SBUF缓存区，再通过总线发送给CPU，我们想要数据的时候把这个缓存读出来就好了。注意，这个SBUF和发送端的SBUF在物理上是两个独立的寄存器，但占用了相同的地址(0x99)，写操作时写入的是发送寄存器，读操作时读出的是接收寄存器。那么在程序中是如何区分的呢？当SBUF作为左值时（在“＝”左边）就是写入缓存，当SBUF作为右值时（在“＝”右边）就是读出缓存。

串口中断：

发送控制器和接收控制器在发送和接收时分别会置"TI"和"RI"标志位，这两个标志位经过一个或门可以申请串口中断，需要使用串口中断时需先配置好中断参数，包括使能，选用通道，和优先级等等，TX和RX占用同一个中断通道，需要对其进行判断。在中断服务程序中可以进行相应的处理，比如当有数据传入时触发接收中断，这时就可以及时地对接收到的数据进行处理。

OK那，这就是UART原理图部分的简单介绍了。

三、寄存器配置

书写程序需要对照上面的框图和寄存器表格来配置参数:

STC89C52系列单片机的穿行口有两个控制寄存器：串行控制寄存器SCON和波特率选择特殊功能寄存器PCON。

串行控制寄存器SCON用于选择串行通信的工作方式和某些控制功能。其格式如下:

SCON: 串行控制寄存器 (可位寻址)

其中SMO、SM1按下列组合确定串行口的工作方式:

我们这里选择方式1，即SMO、SM1分别给0、1。

SM2：该位是控制是否允许方式2、方式3进行多机通信，我们使用的是方式1，这一位可以随便给，就置0了。

RXE：该位为是否允许接收控制位，置1时为使能接收，置0时为失能接收通道，我们需要串口接收功能，这位给1。

TB8和RB8两位分别是方式2、方式3第九位的发送校验位和接收校验位，不用管它。不过在方式1时，如果SM2为0，则RB8接收到的是停止位，也就是说在当前模式，这位数会在接收到一帧数据时变为停止位，我们不对停止位进行处理，还是不用管。

TI：发送中断请求标志位。在方式0，当串行发送数据第8位结束时，由内部硬件自动置位，即TI=1，向主机请求中断，响应中断后必须用软件复位，即TI=0。在其他方式中，则在停止位开始发送时由内部硬件置位，必须用软件复位。

RI：接收中断请求标志位。在方式0，当串行接收到第8位结束时由内部硬件自动置位RI=1，向主机请求中断，响应中断后必须用软件复位，即RI=0。在其他方式中，串行接收到停止位的中间时刻由内部硬件置位，即RI=1(例外情况见SM2说明) ，必须由软件复位，即RI=0。

后面这几位都是标志位所以都不需要配，它们会在特定情况改变，我们只需要读出它即可，比如串口中断时，初始化配置都给0就可以。那么这个8位寄存器配置的值就是 “0101 0000”

PCON: 电源控制寄存器(不可位寻址）

SMOD：这个SMOD就是上面的波特率图中的那个开关控制，波特率选择位，当用软件置位SMOD，即SMOD=1，则使串行通信方式1、2、3的波特率加倍:SMOD=0，则波特率不加倍。复位时SMOD=0。

SMOD0：帧错误检测有效控制位。当SMODO=1，SCON寄存器中的SMO/FE位用于FE(帧错误检测)功能:当SMOD0=0，SCON寄存器中的SMO/FE位用于SMO功能,和SM1一起指定串行口的工作方式。复位时SMODO=0

剩余的其他位都是标志位不需要处理，配置为波特率加倍即可，即“1000 0000”，“0x80”。

不是很明白为什么要把波特率控制放在电源控制寄存器中，这个寄存器暂时就配这两位就可以，接下来看一看是如何用定时器来产生波特率的：

波特率是定时器产生的，前面博文介绍过关于定时器的工作原理和配置，这里就不做过多介绍了，需要注意的是串口波特率用的是定时器1，而且是不能更改的，要配置为双8位自动重装载模式，并且是根据溢出率来计算的，计数值每到2^8=255就会自动重装。至于这个波特率的计算方法还是比较麻烦的，涉及到晶振和时钟等复杂的计算，建议直接用ISP下载助手这个软件的波特率计算功能直接生成C代码。

四、代码

终于结束了枯燥的讲解部分，来看看代码怎么写，这段代码主要实现一收一发的简单功能，详细解释都写在了注释里面：

#include <REGX52.H>
void Delay(unsigned int xms)                //延时函数
{    
	unsigned char i, j;
	while(xms--)
	{
		i = 2;
		j = 239;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
	}
}

void Uart_Init(void)		                //4800bps@11.0592MHz
{
	SCON  = 0x50;			                //8位数据,可变波特率，接收使能
	PCON |= 0x80;			                //波特率加倍
	TMOD &= 0x0F;			                //设定定时器1为双8位自动重装方式
	TMOD |= 0x20;			                //设定定时器1为双8位自动重装方式
	TL1 = 0xF3;				                //设定定时初值
	TH1 = 0xF3;				                //设定定时初值
	ET1 = 0;				                //禁止定时器1中断
	TR1 = 1;				                //启动定时器1
	ES=1;					                //开串口中断
	EA=1;					                //开总中断
}

void UART_SendByte(unsigned char Byte)      //串口发送一字节函数
{
	SBUF=Byte;							    //这里SBUF做为左值，所以是写操作，也就是发送
	while(TI==0);                           //判断发送标志位是否置位，置1发送完成，否则等待
	TI=0;                                   //软件复位
}

void main()
{
	Uart_Init();						    //串口初始化
}

void UART_Interrupt() interrupt 4
{
	static unsigned char Temp;			    //创建一个8位变量传递数据
	if(RI==1)
	{
		RI=0;							    //标志位置位
		Temp=SBUF;  					    //这里SBUF做为右值，所以是读操作，也就是接收
		UART_SendByte(Temp);			    //将接收到的数据原封不动地发回去
	}
}