基于51单片机的串口通讯系统课程设计论文

基于51单片机的串口通讯系统

引言

人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的进步。单片机的出现使人类实现利用编程来代替复杂的硬件搭建电路，它靠程序运行，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！

单片机应用的主要领域非常广，智能化家用电器、办公自动化设备商业营销设备、工业自动化控制、智能化仪表、智能化通信产品、汽车电子产品、航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域。

单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。

电路的集成化不仅对硬件电路的设计相关，与电路的布局同样相关。印刷版的出现使得电路产品更加规范，体积更小。Protel99se是一款专业的绘制电路及印刷版的软件，近年来的不断升级使得其功能更加完善，出现了Altium Designer 、Protel DXP等升级版本。

1 设计内容及要求

1.1功能要求

(1)下位机选用89S51或89S52单片机；

(2)下位机接收上位机的数据并显示在LED或LCD上；

(3)下位机显示数据可以显示固定数据、位移数据、循环位移；

1.2硬件要求

制作串口线和下位机及外围电路；

1.3软件要求

Keil C或汇编编程设计，串口调试助手或Labview串口通信编程。

2 设计原理及单元硬件模块

2.1上位机设计

2.1.1RS232串口介绍

经过多年的发展，现今已经形成了许多串行通信接口的标准。其中本次课程设计用到的RS-232标准是美国EIA（电子工业联合会）与BELL公司一起开发的通信协议。它适合于数据传输速率在0—20000bit/s的范围内通信。

目前比较常用的串口有9针串口（DB9）和25针串口（DB25），近距离通信可以直接将通信接口用相应的线缆直接相连。

2.1.2串口调试助手介绍

串口调试助手是串口调试相关工具，有多个版本。如：友善串口调试助手，支持9600，19200等常用各种波特率及自定义波特率，可以自动识别串口，能设置校验、数据位和停止位，能以ASCII码或十六进制接收或发送任何数据或字符，可以任意设定自动发送周期,并能将接收数据保存成文本文件，能发送任意大小的文本文件。

可实现功能如下所示：

（1）自动搜索串口，并打开串口；

（2）支持多串口；

（3）支持自定义波特率，支持非标准波特率；

（4）支持发送历史记录；

（5）接收数据可以进行十六进制和ASCII切换；

（6）接收数据时，光标可定位在指定行或在最后一行；

（7） 可以以十六进制或ASCII 格式，向指定串口发送数据； （8） 定时发送数据；

（9） 接收数据可以保存为文件，也可打开已保存数据文件； （10） 串口打开过程中，可修改通讯参数,如波特率； （11） 自动记录上次操作参数，如串口号、波特率等。 2.2 下位机硬件设计 2.2.1 设计原理及方法

下位机设计可分为单片机最小系统、RS232电平转换部分、数据显示部分。其系统框图大致图2-1所示。

图

2-1 系统框图

本次设计采用LCD 显示由上位机发送的数据，并完成固定数据、位移数据、循环位移的数据显示。由上位机经RS232串口发送数据，经电平转换，转换成单片机可以接收的信号电压，通过单片机内烧制的程序逻辑运算得出上位机所发送的数据，并在数据显示部分依次显示固定数据、位移数据、循环位移数据。电平转换由MAX232AEPE 芯片完成，单片机最小系统使用的是AT89S52

芯片，数据显示部分则由1602LCD 液晶显示器完成。 2.2.2 单片机最小系统

图2-2 最小系统电路

单片机采用AT89S52，最小系统包括复位电

路和时钟电路两部分，其中复位电路采用按键

手动复位和上电自动复位组合，电路如图2-2左

下部分所示：其中REST为单片机复位端，电容

C3按键S1构成上电复位和手动复位电路。时钟

电路如图2-2右下部分所示：晶振Y1频率采用

的是11.0592MHZ，C1、C2为33p瓷片电容，X1

和X2分别为单片机18和19脚。

（1）单片机各引脚功能说明：

AT89S52管脚图如图2-3所示。

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能够用于外部图2-3 AT89S52管脚图程序数据存储器，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AT89S52的一些特殊功能口，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。

（2）USBASP下载口说明

本次课程设计程序烧写使用USBASP下载口，下载电路如图2-2左上部分所示。

USBASP是一种基于ATMEL公司的AVR系列RISC单片机的高性价比和一个由纯软件的USB通信协议栈而构成的一个可以向51系列，AVR系列单片机下载(烧写)程序的下载器。

这种下载器工作稳定，速度很快，而且成本相当的低，是一种适合初学者的下载器。

特点如下：

（1）支持USB1.1、USB2.0通信；支持WIN98、WINME、WIN2000、WINXP、VISTA、WIN7操作系统；

（2）采用USB口供电、并带有500mA的自恢复保险丝。保护电脑不会烧毁或损坏。

（3）对目标板芯片编程时，可采用此下载线供电，也可以采用目标板本身供电，下载结果不影响目标板运行。

（4）支持AT89S51、AT89S52和AVR全系列单片机的程序下载，速度更快，更稳定。

（5）支持的烧录文件格式：格式为HEX文件、二进制BIN文件。

（6）使用IDC10接口。

2.2.3RS232电平转换部分

（1）工作原理

本设计采用MAX232芯片进行电平转换，MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS232标准串口设计的接口电路,使用+5V单电源供电，它的作用就是完成TTL 电平与RS232电平的转换。PC机的串行口采用的

是标准的RS 232接口，单片机的串行口电平是

FTL电平，而TTL电平特性与RS232的电气特性

不匹配，因此为了使单片机的串行口能与RS 232

接口通信，必须将串行口的输入/输出电平进行转

换。通常用MAX232芯片来完成电平转换。

（2）MAX232芯片各引脚功能

MAX232各管脚如图2-4所示。

第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、

6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两

个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、

11、12、13、14脚构成两个数据通道。

图2-4 MAX232管脚图

其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11

脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。

8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、

7脚（T2OUT）为第二数据通道。

TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚

（T2IN）输入转换成RS-232数据从14引脚（T1

OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9

插头的RS -232数据从13引脚（R1IN）、8引

脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。

第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。

（3）MAX232芯片用法

MAX芯片用法如图2-5所示。

电容器应选择1μF的电解电容。在使用过程中本人曾用过10μF的代替。

注意，由于RS232电平较高，在接通时产生的瞬时电涌非常高，很有可能击毁max232，所以在使用中应尽量避免热插拔。

图2-5 MAX232应用电路

2.2.4数据显示部分

（1）LCD1602工作原理

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

（2）LCD1602各引脚功能

1602采用标准的16脚接口，如图2-6所

示，其中：

第1脚：VSS为电源地。

第2脚：VCC接5V电源正极。

第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，

接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最

高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可

以通过一个10K的电位器调整对比度）。图2-6 LCD1602引脚图第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。

第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。

第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。

第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。

第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。

2.3 下位机软件设计

2.3.1 编程方案选择

本设计单片机的编程选择C语言编写，因为它简洁紧凑、灵活方便、运算符丰富、数据结构丰富、C是结构式语言、C语法限制不太严格，程序设计自由度大、C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作、C语言程序生成代码质量高，程序执行效率高，一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10へ20%、C语言适用范围大，可移植性好C语言有一个突出的优点就是适合于多种操作系统, 如DOS、UNIX,也适用于多种机型。C语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很

强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画它是数值计算的高级语言。所以我选用C语言来编写此程序。

2.3.2 程序流程图

如图2-7所示，为下位机程序流程图。

图2-7 程序流程图

为了实现系统固定显示以及位移显示的功能要求，在初始化单片机和LCD之后，系统首先判断是否接收到串口传来的数据。如果接收到数据，则关闭串口中断，并将接收到的十六进制数据转换成十进制和二进制数据，显示在LCD上5秒。然后，将二进制数据依次向右位移，并间隔一秒显示在LCD上，共位移8次。在位移8次之后，将二进制数据依次向右循环位移，并间隔一秒显示在LCD上，共位移8次。完成全部位移显示之后，打开串口中断，继续判断串口是否接受数据，循环实现系统功能。

2.3.3 子程序设计

（1）固定显示定义，LCD控制口定义程序实现如下：

#include

#define uchar unsigned char //宏定义

#define uint unsigned int

/****************************************************************

***/

sbit lcden=P0^2; //液晶控制口RS和EN

sbit lcdrs=P0^0;

sbit lcdwr=P0^1;

/**************************************************************** ***/

uchar jieshou,number,biaozhi,xunhuan;

/**************************************************************** ***/

uchar code table1[]={"RX: "};//液晶固定显示内容

uchar code table2[]={" guding "};

uchar code table3[]={" weiyi "};

uchar code table4[]={" xunhuan weiyi "};

uchar code table5[]={"RX: READY "};

/**************************************************************** ***/

（2）串口接收，参数设置程序实现如下：

void serial_chushihua() //串口初始化

{

TMOD=0x20; //定时器1：计时，方式2

TH1=0xfd; //定时器1初值，波特率9600

TL1=0xfd;

TR1=1; //启动定时器1

REN=1; //设置SCON串行口控制寄存器

SM0=0; //允许接收

SM1=1; //方式1：10位异步收发

EA=1; //开总中断

ES=1; //开串口中断

}

void chushihua() //初始化

{

lcd_chushihua(); //液晶初始化

serial_chushihua(); //串口初始化

lcd_guding(); //写入液晶固定显示部分

}

3系统硬件和软件调试

3.1调试所需仪器

数字万用表 1个

直流稳压源 1台

数字万用表 1个

信号发生器 1台

示波器 1台

3.2 硬件调试

硬件调试主要：

（1）在Altium Designer仿真软件中进行仿真论证整个串口通信系统的正确性。计算并确定各个电阻、电容大小。

（2）绘制好原理图后，根据原理图去印刷制板。在这个过程中要小心焊盘的大小是否合适，是否有短接或断路的线，然后进行修正工作。打孔时要对好孔，以及不要漏孔没有钻。

（3）在焊接电路的过程中，需要检查是否有虚焊或短路的线。这里要认真细致的检查，否则严重的影响到后续的调试。

（4）焊接完毕就是上电检查，看是否有短路或开路的地方。检查各元件否正常工作。

3.3 软件调试

在硬件没有问题的情况下，进行软件部分的调试。单片机的程序部分用C语言进行编写，程序稍微简单，容易调试。写好程序后，用KEIL软件进行编译以及调试得到“*.HEX”文件，然后用USBASP进行下载。

（1）下载进单片机后，观察系统能否正常运行。首先运行一个简单的测试程序检测单片机最小系统能否正常运行。

（2）测试串转并电路能否正确运行，看LCD是否按照程序控制指令工作。

4系统不足与改进方法

本次课程设计因前期对系统功能分析不透彻，导致实现功能方式过于单一，没能实现实时控制数据位移，循环位移。只能通过下位机程序，基本实现系统功能。可以通过以下改进方法，完善系统功能。

（1）通过增加按键，手动控制数据位移，循环位移方向。

（2）完善程序，增加返回值，实时接收单片机处理数据状态。

谢辞

在黎老师的悉心教导和同学的帮助下，通过这两周的课程设计我对AT89S52单片机做下位机的串行通信实现的设计和内容有了更多的了解，通过自己的努力，编写了自己最完整的一套程序，虽然功能不是很完善，但我从中学到了很多东西。

在整个设计中我学会了在复杂的问题面前怎样去分析，找到问题的关键所在，而且认识到这种能力的重要性。比如在设计的前几天，我对设计中所用到的软件、控制装置都不太了解，感觉什么都不会，无从下手，但当我了解到这些东西在设计的系统中所起的作用后，从整体上看时，整个系统的流程就明了了，就明白了系统设计的需求，知道我应该做什么了，我觉得这就算是抓住了问题的关键吧。

通过这次设计我了解了单片机的发展概况、特点、应用，各个部件的原理，串行口的通信方式，LCD的工作原理，认识AT89C52与PC机串行通信的原理。懂得了软件设计流程，通信协议，波特率计算等。

最后再次衷心的感谢黎老师和帮助我的朋友。有了你们的支持和无私帮助，我才得以顺利完成课程设计。

参考文献

[1]王选民.智能仪器原理及设计[M].北京：清华大学出版社，2008.

[2]李建中.单片机原理及运用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 谭浩强.C程序设计第三版[M].北京：清华大学出版社，2006.6.

[5] 李惠昇.电梯控制技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

附录

附录1 系统原理图：

附图1 系统原理图

附录2 下位机PCB图：

附图2 PCB图

附录3 元器件清单

附图3 元器件清单

附录4 下位机Keil C程序代码

#include

#define uchar unsigned char //宏定义

#define uint unsigned int

/*******************************************************************/ sbit lcden=P0^2; //液晶控制口RS和EN

sbit lcdrs=P0^0;

sbit lcdwr=P0^1;

/*******************************************************************/ uchar jieshou,number,biaozhi,xunhuan;

/*******************************************************************/ uchar code table1[]={"RX: "};//液晶固定显示内容

uchar code table2[]={" guding "};

uchar code table3[]={" weiyi "};

uchar code table4[]={" xunhuan weiyi "};

uchar code table5[]={"RX: READY "};

/*******************************************************************/ void delay(uint z) //延时z毫秒

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

void write_com(uchar com) //液晶写命令

{

lcdrs=0; //写指令

P2=com;

delay(5);

lcden=1; //E端一个正脉冲

delay(5);

lcden=0;

}

void write_data(uchar date) //液晶写数据

{

lcdrs=1; //写数据

P2=date;

delay(5);

lcden=1; //E端一个正脉冲

delay(5);

lcden=0;

}

void lcd_chushihua() //液晶初始化

{

lcden=0;

lcden=0;

lcdwr=0;

write_com(0x38);

write_com(0x0c); //不打开光标

write_com(0x06); //指针后移

write_com(0x01); //清屏

write_com(0x80); //第一位

}

void lcd_guding() //写入液晶固定显示部分{

uint i;

write_com(0x80); //第一行

for(i=0;i<16;i++)

{

write_data(table1[i]);

delay(2);

}

}

void lcd_guding1() //写入液晶固定显示部分{

uint i;

write_com(0x80+0x40); //第二行

for(i=0;i<16;i++)

{

write_data(table2[i]);

delay(2);

}

}

void lcd_guding2() //写入液晶固定显示部分{

uint i;

write_com(0x80+0x40); //第二行

for(i=0;i<16;i++)

{

write_data(table3[i]);

delay(2);

}

}

void lcd_guding3() //写入液晶固定显示部分{

uint i;

write_com(0x80+0x40); //第二行

for(i=0;i<16;i++)

{

write_data(table4[i]);

delay(2);

}

}

void lcd_gduding4()

{

uint i;

write_com(0x80); //第二行

for(i=0;i<16;i++)

{

write_data(table5[i]);

delay(2);

}

}

void serial_chushihua() //串口初始化

{

TMOD=0x20; //定时器1：计时，方式2

TH1=0xfd; //定时器1初值，波特率9600 TL1=0xfd;

TR1=1; //启动定时器1

REN=1; //设置SCON串行口控制寄存器SM0=0; //允许接收

SM1=1; //方式1：10位异步收发

EA=1; //开总中断

ES=1; //开串口中断

}

void chushihua() //初始化

{

lcd_chushihua(); //液晶初始化

serial_chushihua(); //串口初始化

lcd_guding(); //写入液晶固定显示部分

}

void display(uchar a)

{

uchar bai,shi,ge;

uchar wei0,wei1,wei2,wei3,wei4,wei5,wei6,wei7;

bai=a/100;

shi=a%100/10;

ge=a%10;

wei0=a%2;

wei1=a/2%2;

wei2=a/4%2;

wei3=a/8%2;

wei4=a/16%2;

wei5=a/32%2;

wei6=a/64%2;

wei7=a/128%2;