单片机与PC机串口通信的设计.docx
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单片机与PC机串口通信的设计
引言
AT89C51是一款高性能的8位单片微型计算机,它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度NVRAMUII(易失性随机存储器)技术,片内带有一个4KB的FLASHFPROM(可擦除、可编程只读存储器),作为INTEL8051的换代产品,其输出引脚和指令系统与MCS一51完全兼容。
由于AT89C51单片机具有集成度高、面向控制、系统结构简单、价格便宜等诸多优点,因而在智能化仪器仪表、数据采集、数据测量等方面有着广泛的应用。
但是,实际应用中单片机在数据处理能力、人机交互等方面往往不能满足要求,因而通常用PC来弥补单片机的这些不足。
例如,在工程应用中,常常由一台PC机和一台单片机构成主从式计算机测控系统。
在这样的系统中,以单片机为核心的智能测控仪表(从机)作为现场测控设备,完成数据的采集、处理和控制各种任务,同时将数据传给PC机(主机),PC机将这些数据加工处理后,进行显示、打印报表等,PC机也可以将各种控制命令传送给单片机,干预单片机系统的运行,从而发挥PC机的优势。
随着单片机和微机技术的不断发展,特别是网络技术在测控领域的广泛应用,由PC机和多台单片机构成的多机网络测控系统已成为单片机技术发展的一个方向。
它结合了单片机在实时数据采集和微机对图形处理、显示的优点。
同时,windows环境下后台微机在数据库管理上具有明显的优势。
二者结合,使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制,而形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。
1总体方案设计
硬件由单片机89C51、11.059M晶振,30PF电容、22uf/25V电容、10uf/25V电容10K电阻、LCM1601、4×4键盘、LM386、蜂鸣器、按键、Max232组成。
具体可实现由AT89C51键盘(P1)发送数据(由LCD显示),PC做接收且屏幕显示该值;也可由PC键盘发送数据,由8051接收并显示至LCD。
系统结构如图1-1所示。
图1-1系统结构图
LCD:
系统显示界面采用LCM1601,一行16字符的液晶显示模块,显示AT89C51接收或PC发来的数据。
键盘:
输入按键采用4行4列非编码矩阵键盘,配合液晶界面用于和PC机通信。
发声电路:
发声电路采用LM386作为音频放大电路,在有按键按下的时候会发出相应的按键音。
串行通信电平转换接口:
AT89C51与PC间的串行数据通信采用的是最简单的TxD,RxD,GND三线制连接,从单片机TX和RX端CMOS电平到PC的标准RS-232电平的转换器件选用Maxim的Max232。
2硬件电路设计
总电路图见附录C。
2.1单片机AT89C51
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
AT89C51的管脚图如图2-1所示。
图2-1AT89C51的管脚图
主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如表2-1所示:
表2-1P3口的一些特殊功能口
口管脚
备选功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
/INT0(外部中断0)
P3.3
/INT1(外部中断1)
P3.4
T0(记时器0外部输入)
P3.5
T1(记时器1外部输入)
P3.6
/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7
/RD(外部数据存储器读选通)
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
AT89C51的时序:
AT89C51的振荡器输入分别有引脚19(XTAL1)和引脚18(XTAL2)来完成。
只要将这两个引脚接石英晶体和陶瓷电容,如图图2-2所示,就可以与CPU内部组成完整的振荡电路。
AT89C51的一个机器周期含有6个状态周期,而每个状态周期为2个振荡周期,因此一个机器周期共有12个振荡周期,如振荡器的频率为12MHZ,一个振荡器周期为1/12微秒,而一个机器周期为1微秒。
图2-2AT89C51的振荡电路
在本设计中石英晶体的频率为11.0592MHZ,陶瓷电容的取值为30PF。
AT89C51的复位:
单片机微处理器的复位都是以外部电路来执行的,在CLOCK工作后,只要在RESET引脚上接上10MS以上的高电平,单片机微处理器便执行状态复位。
一、寄存器的复位
单片机在RESET为高电平控制下,程序计数器(PC)和特殊功能寄存器的复位如表2-2所示。
单片机的复位并不影响芯片内部RAM状态,只要RESET引脚保持高电平,单片机将循环复位。
在复位有效期内,ALE,PSEN将输出高电平。
表2-2寄存器复位后的状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0~P3
FFH
SCON
00H
IP
(×××00000)
SBUF
(××××××××)
IE
(0××00000)
PCON
(0×××0000)
二、复位电路
简单复位电路中,干扰易串入复位端,在大多数情况下不会造成单片机的错误复位,但会引起内部某些寄存器的错误复位,可以在RESET引脚上接上一个去耦电容。
为了保证复位电路的可靠性,常将RC电路接斯密特电路后再接入单片机和外围IC的RESET引脚,如图2-3所示。
图2-3AT89C51的复位电路
AT89C51的串行口:
(1)基本概念
数据通信的传输方式:
常用于数据通信的传输方式有单工、半双工、全双工和多工方式。
A.单工方式:
数据仅按一个固定的方向传送。
因为这种传输方式的用途有限,常用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集。
B.双工方式:
数据可以实现双向传送,但不能同时进行,实际的应用采用某种协议实现收发开关转换。
C.全双工方式:
允许双方同时进行数据双向传送,但一般全双工电路的线路和设备比较复杂。
D.多工方式:
以上三种传输方式都是同一线路传输一种频率信号,为了充分的利用线路资源,可通过使用多路复用器或多路集线器,采用频分、时分、或码分复用技术,即可实现在同一线路上资源共享功能,我们称之为多工传输方式。
串行通信的两种通信形式
A.异步通信
在这种通信方式中,接收器和发射器有各自的时钟,他们的工作是非同步的,异步通信用一帧来表示一个字符,其内容如下:
一个起始位,紧接着是若干个数据位,图是传输45H的数据格式。
B.同步通信
同步通信格式中,发送器和接收器由同一个时钟源控制,为了克服在异步传输中,每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位,占用了传输时间,在要求传送的数据量较大的
(2)MCS-51的串行和控制寄存器
MCS-51单片机串行口专用寄存器的SBUF为串行口的收发缓冲器,它是一个可寻址的专用寄存器,其中包含了接收器和发射器寄存器,可以实现全双工通信。
但这两个寄存器具有同一地址(99H)。
MCS-51的串行数据传输很简单,只要向缓冲器写入数据就可发送数据。
而从接收缓冲器读出数据既可接收数据。
此外,接收缓冲器前还加上一级输入移位寄存器,MCS-51这种结构的目的在于接收数据时避免发生重叠现象,文献称这种结构为双缓冲结构。
而发送数据就不需要这样设计,因为发送时,CPU是主动的,不可能出现这种情况。
串行通信控制寄存器(SCON),它是一个可寻址的专用寄存器,用于串行数据通信的控制,单元地址是98H,其结构格式如表2-3所示。
表2-3SCON寄存器结构
SCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
位地址
9FH
9EH
8DH
9CH
9BH
9AH
99H
98H
下面我们对SCON控制位功能介绍如表2-4所示。
1)SM0、SM1:
串行口工作方式控制位
表2-4SCON控制位功能介绍
SM0
SM1
工作方式
功能说明
0
0
方式0
移位寄存器方式(用于I/O扩展)
0
1
方式1
8位UART,波特率可变(T1溢出率/n)
1
0
方式2
9位UART,波特率为fosc/64或fosc/32
1
1
方式3
9位UART,波特率可变(T1溢出率/n)
2)SM2:
多机通信控制位
多机通信是工作方式2和方式3,SM2位主要用于方式2和方式3。
接收状态,当串行口工作方式2或3,以及SM2=1时,只有当接收到第9位数据(RB8)为1时,才把接收的前8位数据送入SBUF,且置位RI发出中断申请,否则会将收到的数据放弃。
当SM2=0时,只有在接收到有效停止位时才启动RI,若没接收到有效停止位,则RI清“0”。
在方式0中SM2应该为“0”。
REN:
允许接收控制位。
由软件置“1”时,允许接收;软件置“0”时,不许接收。
TB8:
在方式3和方式3中要发送的第9位数据,需要时用软件置位和清零。
TB8:
在方式2和方式3中是接收到的第9位数据。
在方式1时,如SM2=0,RB8接收到的停止位。
在方式0中,不使用RB8。
TI:
发送中断标志。
由硬件在方式0发送完第8位时置“1”,或在其它方式中串行发送停止位的开始时置“1”。
必须由软件清“0”。
RI:
接收中断标志。
由硬件在方式0串行发射第8位结束时置“1”
B:
特殊功能寄存器PCON
PCON:
主要是是CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器,单元地址为87H其机构格式如表2-5所示。
表2-5特殊功能寄存器PCON
PCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位符号
SMOD
—
—
—
GF1
GF0
PD
IDL
在CHMOS型单片机中,除SMOD位外其它位均为虚设的,SMOD是串行波特率倍增位,当SMOD=1时串行口波特率加倍,系统复位默认为SMOD=0。
这里重述一下中断允许寄存器IE对串行口有影响的位ES。
ES为串行中断允许控制位,ES=1允许串行中断,ES=0,禁止串行中断。
如表2-6所示。
表2-6中断允许寄存器
符号
EA
—
—
ES
ET1
EX1
ETO
EX0
位地址
AFH
AEH
ADH
ACH
ABH
AAH
A8H
A8H
(3)串行口工作方式
串行口具有4种工作方式,我从应用和毕业设计的角度,重点讨论方式1发送。
串行口定义为方式1时传送1帧数据为10位,其中1位起始地址、8位数据位(先低位后高位)、1位停止位方式1的波特率可变,波特率=
(T1的溢出率)
2.2LCM1601
LCM1601是一款兼容的液晶显示模块,支持5×7点阵和16字×2行符两种模式,背光亮度和显示对比度可调,是一种功能较简易、价格较便宜的液晶显示器件。
它由液晶显示屏和驱动器两部分组成,单片机通过写控制字方式访问它的驱动器来实现对显示屏的控制。
图2-4所示为LCM1601封装图。
图2-4LCM1601封装图
器件封装为单列DIP16,引脚定义如表2-7所示。
表2-7LCM1601引脚说明
编号
标示
引脚说明
1
VSS
电源地
2
VDD
电源正极
3
V0
液晶显示偏压
4
RS
指令/数据选择端(H/L)
5
R/W
读/写选择端
6
E
使能信号
7
D0
8位数据总线
8
D1
9
D2
10
D3
11
D4
12
D5
13
D6
14
D7
15
LED+
背光源正极
16
LED-
背光源负极
2.34×4行列式扫描键盘
简易的行列式键盘不需要借助其他的I/O扩展芯片,直接占用P1的8条口线,再利用单片机内部的软件来配合实现4×4扫描键盘,其特点是简单且不增加成本,通常在系统I/O线充裕的情况下采用。
2.4音频功率放大器件LM386
LM386的接脚图如图2-8所示。
LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器。
它的内建增益为20,透过pin1和pin8脚位间电容的搭配,增益最高可达200。
LM386输入电压范围可由4V~12V,无作动时仅消耗4mA电流,且失真低。
图2-8接脚图
2.5RS-232电平转换器件Max232
MAX232芯片是MAXIM公司生产的,包含两路接收器和驱动器的IC芯片。
MAX232芯片内部有一个电源电压转换器,可以把输入的+5V电压变换为RS-232输出电平所需的一1O~+10V电压。
所以采用此芯片接口串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。
对于没有一12~+12V的场合,其适应性更强。
加之其价格适中,硬件接口简单,所以被广泛采用。
图2-9所示为Max232的封装图。
图2-9Max232封装图
引脚说明如表2-8所示。
表2-8Max232引脚说明
VCC
供电电压
GND
地
C+、C-
外围电容
T1IN
第一路TTL/CMOS驱动电平输入
T1OUT
第一路RS-232电平输出
R1IN
第一路RS-232电平输入
R1OUT
第一路TTL/CMOS驱动电平输出
T2IN
第二路TTL/CMOS驱动电平输入
T2OUT
第二路RS-232电平输出
R2IN
第二路RS-232电平输入
R2OUT
第二路TTL/CMOS驱动电平输出
3部分器件的原理分析
3.1键盘扫描的工作原理
简易的行列式键盘不需要借助其他的I/O扩展芯片,直接占用P1的8条口线,再利用单片机内部的软件来配合实现4行4列的扫描键盘,其特点是简单且不增加成本,通常在系统I/O线充裕的情况下采用。
其原理图如图3-1所示。
图3-1原理图
工作原理:
I/O口P2.7~P2.1充当列选线,P2.3~P2.1充当行选线。
在键盘开始扫描的时候,首先向P2口赋行扫描初值7FH,令第一行(P2.3)为0,从第一行开始检测。
接下来检测第一行的第一列是否键按下?
没有按下,则检测第二列,如果4列扫描完毕,没有键按下,则扫描下一行,如此往复,直至4行4列检测完毕。
当有键按下时,相应的列选线电平被拉低,首先扫描行选线,确定按键的行号,然后扫描列选线,确定列号,则按键的编号即可确定。
3.2按键发声原理
要产生音频脉冲,只要算出某一音频的周期,然后将此周期除以2,即为半周期的时间,利用定时器计时这个半周期时间,每当计时到后就将输出脉冲的I/O反相,然后重复计时此半周期时间再对I/O反相,就可在I/O引脚上得到此频率的脉冲。
计数脉冲值与频率的关系公式如下:
N=Fi÷2÷FrN:
计数值;
Fi:
内部计时一次为1us,故其频率为1MHZ;
Fr:
要产生的频率。
其计数值的求法如下:
T=65536-N=65536-Fi÷2÷Fr
表3-1是各按键音符的频率与计数值T的对照表。
表3-1各按键音符频率与计数值T的对照表
键值
音符
频率(HZ)
简谱码(T值)
键值
音符
频率(HZ)
简谱码(T值)
0
低3M
330
64021
8
中4FA
698
64820
1
低4FA
349
64103
9
中5SO
784
64898
2
低5SO
392
64260
A
中6LA
880
64968
3
低6LA
440
64400
B
中7SI
988
65030
4
低7SI
494
64524
C
高1D0
946
65058
5
中1D0
523
64580
D
高2RE
1175
65110
6
中2RE
587
64684
E
高3M
1318
65157
7
中3M
659
64777
F
高4FA
1397
65178
4单片机软件设计
软件的设计是我毕业设计的另一个重要方面。
它的好坏直接关系毕业设计的成功与否。
我等软件是用汇编完成的,需要能熟练的掌握汇编语言,还要熟悉AT89C51单片机。
程序流程图是编写软件的重要前提,它是在图表上直观的体现拟设计的目的及过程。
也是编译的重要依据,按照流程图一步一步编写程序,单片机软件主程序流程图如图4-1所示。
图4-1主程序流程图
4.1CM1601软件子程序设计
LCD1601是通用的点阵型液晶模块,分4位和8位数据传输方式。
提供5X7点阵+光标和5X10点阵+光标的显示模式。
除带有驱动IC外,还自带液晶显示控制IC,其本身就是一个能够接受指令,自动控制液晶显示的单片微机子系统。
因此,通过软件编程,就可以实现对LCM1601的操作。
编程时要求CPU每一次访问都要先对忙标志BF进行识别,当BF=0时,即LDC允许CPU访问时,再进行下一步的操作。
操作程序如下:
4.2.1写指令
ENABLE:
MOVP1,#0FFH;令P1=FFH
CLRRS;RS=0,R/W=1,读BUSYFLAG地址计数器
SETBRW
CLRE
NOP
SETBE
JBP1.7,ENABLE;BUSYFLAG=0?
CLRRS;RS=0,R/W=0写入指令组
CLRRW
CLRE
CALLDELAY
SETBE
RET
4.2.2写数据
WRITE1:
MOVR1,#00H;显示TABLE表的值
A3:
MOVA,R1;至TABLE取码
MOVCA,@A+DPTR
CALLWRITE2;显示至LCD
INCR1
CJNEA,#00H,A3;是否取到“00H”结束码?
RET
WRITE2:
MOVP1,A;显示数据送至P1
SETBRS;RS=1,R/W=0写入数据寄存器显示
CLRRW
CLRE
CALLDELAY
SETBE
RET
4.2.3LCD1601初始化
MOVP1,#01H;清除屏幕
CALLENABLE
MOVP1,#38H;功能设定(8位,2行,5×7点矩阵)
CALLENABLE
MOVP1,#08H;显示器ON,光标ON,闪烁ON
CALLENABLE
MOVP1,#06H;光标右移
CALLENABLE
MOVP1,#80H;令光标回到第一行第一个字位置
CALLENABLE
4.2串口通信子程序设计
AT89C51的串行口是全双工的UART,它可同时发送和接收数据,是使用特殊寄存器内的SBUF寄存器及SCON串行控制寄存器,如表4-1所示。
表4-1SCON串行控制寄存器
RI:
接收中断标志位。
在模式0下,当第8位结束时,硬件会将其设为1;在其他模式下,在停止位的开始时有硬件设定,次位必须由软件清除。
TI:
发送中断标志位。
在模式0下,当第8位结束时,硬件会将其设为1;在其他模式下,在停止位的开始时由硬件设定,次位必由软件清除。
RB8:
在模式2或3时,发送
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