課設(shè)基于單片機(jī)的RS232C串行通訊接口設(shè)計(jì)

1、沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì)（論文） 題目 基于單片機(jī)的rs-232c串行通訊接口設(shè)計(jì)班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 沈陽航空航天大學(xué)課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書課 程 名 稱 專業(yè)綜合課程設(shè)計(jì) 院（系） 自動(dòng)化學(xué)院 專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 課程設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)的rs-232c串行通訊接口設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)時(shí)間: 2015 年 12月 29 日至 2016 年 1月 11 日課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求： 利用8051單片機(jī)開發(fā)rs-232c串行通信系統(tǒng)，利用modbus通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)的通信，要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。 具體要求如下： （1）按以上要求制定設(shè)計(jì)方案，并繪制出系統(tǒng)

2、工作框圖； （2）按要求設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)，給出電路原理圖； （3）用單片機(jī)系統(tǒng)和pc機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與調(diào)試； （4）接收pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，并將其回發(fā)給單片機(jī)；指導(dǎo)教師 年 月 日負(fù)責(zé)教師 年 月 日學(xué)生簽字 年 月 日目 錄0. 前言11. 總體方案設(shè)計(jì)22. 硬件電路的設(shè)計(jì)22.1 單片機(jī)系統(tǒng)22.2 max232芯片52.3 整體電路設(shè)計(jì)63 軟件設(shè)計(jì)74.聯(lián)合調(diào)試85. 課設(shè)小結(jié)及進(jìn)一步設(shè)想9參考文獻(xiàn)10附錄i 元件清單11附錄ii 整體電路圖12附錄iii 源程序清單13沈陽航空航天大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文 基于單片機(jī)的rs-232c串行通訊接口設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的rs-232c串行通訊接口設(shè)計(jì)徐茂哲

3、沈陽航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院摘要：本文主要設(shè)計(jì)了一個(gè)基于rs-232c的單片機(jī)串行通訊接口系統(tǒng)，利用modbus通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)的通信，要求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。關(guān)鍵字：rs-232c；數(shù)據(jù)發(fā)送；數(shù)據(jù)接收；led顯示 ；單片機(jī)與pc機(jī)串行通信。0. 前言計(jì)算機(jī)的發(fā)展對通信起了巨大的推動(dòng)作用，計(jì)算機(jī)和通信緊密結(jié)合構(gòu)成了靈活多樣的通信控制系統(tǒng)，也可以構(gòu)成強(qiáng)有力的信息處理系統(tǒng)，這樣對社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是單片機(jī)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的測量儀器在原理、功能、精度及自動(dòng)化水平等方面發(fā)生了巨大的變化，形成了一種完全突破傳統(tǒng)概念的新一代測試儀器智能儀器。智能儀器是以

4、微處理器為核心的電子儀器，它不僅要求設(shè)計(jì)者熟悉電子儀器的工作原理，而且還要求其掌握微型計(jì)算機(jī)硬件和軟件的原理。目前，有很多的傳統(tǒng)電子儀器已有相應(yīng)的替代產(chǎn)品，而且還出現(xiàn)不少全新的儀器類型和測試系統(tǒng)體系。在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，如何用簡單便宜、性能良好的元器件制造出對人類生活有用的產(chǎn)品，已經(jīng)成為人們研究的主要趨勢。在自動(dòng)化技術(shù)中，無論是過程控制技術(shù)還是數(shù)據(jù)采集技術(shù)還是測控技術(shù)，都離不開單片機(jī)，在工業(yè)自動(dòng)化的領(lǐng)域中，機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)揮越來越重要的作用，在通信方面，單片機(jī)得到了廣泛運(yùn)用。在實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與外設(shè)的串行通訊時(shí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口。所謂標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，就是明確定義若干信號(hào)線

5、的機(jī)械、電器特性，使接口電路標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，這樣就能方便地把不同的計(jì)算機(jī)、外設(shè)等有機(jī)地連接起來，進(jìn)行串行通訊。 rs-232c是由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)（eia）制定的用于串行通信的標(biāo)準(zhǔn)通信接口，利用它可以很方便地把各種計(jì)算機(jī)、外圍設(shè)備、測量儀器等有機(jī)地連接起來，進(jìn)行串行通信。它包括按位傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)械方面的規(guī)定，適用于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場合。 rs-232c標(biāo)準(zhǔn)適用于dce和dte之間的串行二進(jìn)制通信，最高的數(shù)據(jù)速率為19.2kbit/s，在使用此波特率進(jìn)行通信時(shí)，最大傳輸距離在20m之內(nèi)。降低波特率可以增加傳輸距離。對于rs-232c標(biāo)準(zhǔn)接口的使用是非常靈活的，實(shí)際通信中經(jīng)常采用9針接口

6、進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。1. 總體方案設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，硬件部分，對于一片89c51和pc機(jī)，采用rs232進(jìn)行通信，硬件的連接方法如圖1所示。電平轉(zhuǎn)換芯片采用max232，傳輸距離一般不超過15m，傳輸小于20kbit/s。發(fā)送方的數(shù)據(jù)由串行口txd段輸出，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片max232將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs232電平輸出，經(jīng)過傳輸線將信號(hào)傳送到接收端。為提高抗干擾能力，還可以在輸入輸出端加光耦合進(jìn)行光電隔離。軟件部分，通過通信協(xié)議進(jìn)行發(fā)送接收。串行口的工作方式為8位uart,波特率可變（t1溢出率/n）。定時(shí)器的工作方式為工作方式2。 txd t2in t2out txd at89c51 max232

7、a 串行接口 rxd r2out r2in rxd 圖1 rs-232c電平信號(hào)傳輸?shù)倪B接圖2. 硬件電路的設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型89系列單片機(jī)是與mcs-51系列單片機(jī)兼容的。在內(nèi)部含有4kb或8kb可重復(fù)編程的flash存儲(chǔ)器，可進(jìn)行1000次擦寫操作。全靜態(tài)工作為033mhz，有3級(jí)程序存儲(chǔ)器加密鎖定，內(nèi)含有128256字節(jié)的ram、32條可編程的i/o端口、23個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，68級(jí)中斷，此外有通用串行接口、低電壓空閑模式及掉電模式。at89c51相當(dāng)于將8051中的4kb rom換成相應(yīng)數(shù)量的flash存儲(chǔ)器，其余結(jié)構(gòu)、供電電壓、引腳數(shù)量及封裝均相同，使用時(shí)可直接替換。

8、at89c51在內(nèi)部采用40條引腳的雙列直插式封裝，引腳排列如圖2所示：圖2 at89c51芯片引腳在自動(dòng)化測量和控制系統(tǒng)中，各臺(tái)儀表之間需要不斷地進(jìn)行各種信息的交換和傳輸，這種信息的交換和傳輸是通過儀表的通信接口，按照一定的協(xié)議進(jìn)行的。通信接口是各臺(tái)儀表之間或者是儀表與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行信息交換和傳輸?shù)穆?lián)絡(luò)裝置。計(jì)算機(jī)與外界的信息交換稱為通信，常用的通信方式有兩種：并行通信和串行通信。所謂并行通信是指數(shù)據(jù)的各位同時(shí)在多根數(shù)據(jù)線上發(fā)送或接收，其特點(diǎn)是傳輸信號(hào)的速度快，但所用的信號(hào)線較多，成本高，傳輸?shù)木嚯x較近。串行通信是指將構(gòu)成字符的每個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)位，依照一定的順序逐位進(jìn)行傳送的通信方式，其特點(diǎn)是

9、只用兩條信號(hào)線（一條信號(hào)線，再加一條地線作為信號(hào)回路）即可完成通信，成本低，傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)。51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)可編程全雙工串行通信接口。該部件不僅能同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，也可作為一個(gè)同步移位寄存器使用。51單片機(jī)串行接口的結(jié)構(gòu)如下：（1）串行數(shù)據(jù)緩沖器（sbuf）接受或發(fā)送的數(shù)據(jù)都要先送到sbuf緩存。sbuf包括緩存寄存器和發(fā)送寄存器，以便能以全雙工方式進(jìn)行通信。此外，在接收寄存器之前還有移位寄存器，從而構(gòu)成了串行接收的雙緩沖結(jié)構(gòu)，這樣可以避免在數(shù)據(jù)接收過程中出現(xiàn)幀重疊錯(cuò)誤。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，由于cpu是主動(dòng)的，不會(huì)發(fā)生幀重疊錯(cuò)誤，因此發(fā)送電路不需要雙重緩沖結(jié)構(gòu)。在邏輯上，sbuf只有一個(gè)，

10、它既表示發(fā)送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一個(gè)單元地址99h。但在物理結(jié)構(gòu)上，則有兩個(gè)完全獨(dú)立的sbuf，一個(gè)是發(fā)送緩沖寄存器sbuf，另一個(gè)是接收緩沖寄存器sbuf。如果cpu寫sbuf，數(shù)據(jù)就會(huì)被送入發(fā)送寄存器準(zhǔn)備發(fā)送；如果cpu讀sbuf，則讀入的數(shù)據(jù)一定來自接收緩沖器。即cpu對sbuf的讀寫，實(shí)際上是分別訪問上述兩個(gè)不同的寄存器。（2）串行控制寄存器（pcon）串行控制寄存器scon用于設(shè)置串行口的工作方式、監(jiān)視串行口的工作狀態(tài)、控制發(fā)送與接收的狀態(tài)等。它是一個(gè)既可以字節(jié)尋址又可以位尋址的8位特殊功能寄存器。其格式如表1所示： 表1 串行口控制寄存器scon位地址9fh9eh9dh

11、9ch9bh9ah99h98hsconsm0sm1sm2rentb8rb8t1r1sm2：多機(jī)通信控制位。ren：接收允許控制位。軟件置1允許接收；軟件置0禁止接收。tb8：方式2或3時(shí)，tb8為要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)，根據(jù)需要由軟件置1或清0。rb9：在方式2或3時(shí)，rb8位接收到的第9位數(shù)據(jù)，實(shí)際為主機(jī)發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)tb8，使從機(jī)根據(jù)這一位來判斷主機(jī)發(fā)送的時(shí)呼叫地址還是要傳送的數(shù)據(jù)。ti：發(fā)送中斷標(biāo)志。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后由硬件自動(dòng)置位，并申請中斷。必須要軟件清零后才能繼續(xù)發(fā)送。ri：接收中斷標(biāo)志。接收完一幀數(shù)據(jù)后由硬件自動(dòng)置位，并申請中斷。必須要軟件清零后才能繼續(xù)接收。sm0,sm1:串行口工

12、作方式選擇位，這兩位組合成00，01，10，11對應(yīng)于工作方式0、工作方式1、工作方式2、工作方式3。串行接口工作方式如表2：表2 串行工作方式sm0sm1工作方式功能波特率 0008位同步移位寄存器（用于i/o擴(kuò)展）forc/1201110位異步串行通信（uart）可變（t1溢出率*2smod/32）10211位異步串行通信（uart）forc/64或forc/3211311位異步串行通信（uart）可變（t1溢出率*2smod/32）（3）輸入移位寄存器接收的數(shù)據(jù)先串行進(jìn)入輸入移位寄存器，8位數(shù)據(jù)全移入后，再并行送入接收sbuf中。（4）波特率發(fā)生器波特率發(fā)生器用來控制串行通信的數(shù)據(jù)傳輸速

13、率的，51系列單片機(jī)用定時(shí)器t1作為波特率發(fā)生器，t1設(shè)置在定時(shí)方式。波特率是用來表示串行通信數(shù)據(jù)傳輸快慢程度的物理量，定義為每秒鐘傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。（5）電源控制寄存器pcon波特率系數(shù)控制寄存器pcon的最高位為smod，僅僅是最高位與串行口有關(guān)。在工作方式1工作方式3時(shí)，若smod=1，則串行口波特率增加一倍。若smod=0，波特率不加倍。系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，smod=0。pcon字節(jié)地址為87h，不能位尋址。pcon的格式如表3pcond7d6d5d4d3d2d1d0位名稱smodgf1gf0pdidl表3 特殊功能寄存器pcon的格式（6）波特率計(jì)算 串行口每秒鐘發(fā)送（或接收）的位數(shù)稱為波特率

14、。設(shè)發(fā)送一位所需要的時(shí)間為t，則波特率為1/t。對于不同方式，得到的波特率的范圍是不一樣的，這是由定時(shí)器/計(jì)數(shù)器t1在不同方式下計(jì)數(shù)位數(shù)的不同所決定的。串行口工作在方式1或方式3時(shí)，常用定時(shí)器t1作為波特率發(fā)生器，關(guān)系式為：波特率=2smod×(t1溢出率)/32。2.2 max232芯片在電氣特性上rs-232c采用負(fù)邏輯，要求高、低兩信號(hào)間有較大的幅度，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：邏輯1：-5-15v ，邏輯0:+5+15v 。而單片機(jī)的信號(hào)電平與ttl電平兼容，邏輯1大于+2.4v，邏輯0為0.4v以下。很顯然，rs-232c信號(hào)電平與ttl電平不匹配，為了實(shí)現(xiàn)兩者的連接，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。m

15、ax232c為單一+5v供電，內(nèi)置自升壓電平轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)芯片能同時(shí)完成發(fā)送轉(zhuǎn)換和接收轉(zhuǎn)換的雙重功能。其引腳如圖3： 圖3 電平轉(zhuǎn)換芯片max232 (1) c1+，c1-，c2+，c2-；外接電容端。(2) r1in，r2in：兩路rs-232c電平信號(hào)輸入端，可接傳輸線。(3) r1out，r2out：兩路轉(zhuǎn)換后的ttl電平輸出端，可接單片機(jī)的rxd端。(4) t1out，t2out：兩路轉(zhuǎn)換后的rs-232c電平信號(hào)輸出端，可接傳輸線。(5) t1in，t2in：兩路ttl電平輸入端，可接單片機(jī)的txd端。(6)vs+，vs-：分別經(jīng)電容接電源和地。2.3 整體電路設(shè)計(jì) 最終設(shè)計(jì)電路如圖

16、4所示，發(fā)送方的數(shù)據(jù)由串行口txd段輸出，經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換芯片max232將ttl電平轉(zhuǎn)換為rs232電平輸出，經(jīng)過傳輸線將信號(hào)傳送到接收端。接收方也使用max232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后，信號(hào)到達(dá)接收方串行口的接收端。接受方接收后，通過p0口在數(shù)碼管上顯示接收的信息。 圖4 串行通信電路3 軟件設(shè)計(jì)通過通信協(xié)議進(jìn)行發(fā)送接收，主機(jī)先送aah給從機(jī)，當(dāng)從機(jī)接收到aah后，向主機(jī)回答bbh。主機(jī)收到bbh后就把數(shù)碼表tab16中的16個(gè)數(shù)據(jù)送給從機(jī)，并發(fā)送檢驗(yàn)和。從機(jī)收到16個(gè)數(shù)據(jù)并計(jì)算接收到數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和，與主機(jī)發(fā)送來的檢驗(yàn)和進(jìn)行比較，若檢驗(yàn)和相同則發(fā)送00h給主機(jī)；否則發(fā)送ffh給主機(jī)，重新接受。從機(jī)收

17、到16個(gè)正確數(shù)據(jù)后送到一個(gè)數(shù)碼管顯示。3.1 串行通信軟件實(shí)現(xiàn)（1）串行口工作于方式1；用定時(shí)器1產(chǎn)生9600bit/s的波特率，工作于方式2。（2）功能:將本機(jī)rom中數(shù)碼表tab16中的16個(gè)數(shù)發(fā)送到從機(jī),并保存在從機(jī)內(nèi)部rom中，從機(jī)收到這16個(gè)數(shù)據(jù)后送到一個(gè)數(shù)碼管循環(huán)顯示。（3）通信協(xié)議:主機(jī)首先發(fā)送連絡(luò)信號(hào)(aah),從機(jī)接收到之后返回一個(gè)連絡(luò)信號(hào)(bbh)表示從機(jī)已準(zhǔn)備好接收。（4）通信過程使用第九位發(fā)送奇偶校驗(yàn)位。（5）從機(jī)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，立即進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，若數(shù)據(jù)沒有錯(cuò)誤，則返回00h，否則返回ffh。（6）主機(jī)發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)后，等待從機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)；若為00h，則繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)

18、，若為ffh，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。3.2 程序流程圖3.2.1單片機(jī)向pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖 開始 初始化 發(fā)送數(shù)據(jù) 按鍵按下？ 否 是 接收數(shù)據(jù) 結(jié)束 圖5 單片機(jī)向pc機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖 3.2.1 pc機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖 開始 初始化 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù) 結(jié)束 圖6 pc機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖4.聯(lián)合調(diào)試在protues上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先使用keil uvsion 2將編寫完成的程序編譯生成hex文件，將hex文件燒錄單片機(jī)中，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示，可以看到，接收端已將接收到的數(shù)據(jù)完整的顯示出來。 圖7 仿真圖一 圖8 仿真圖二5. 課設(shè)小結(jié)及進(jìn)一步設(shè)想通過這次緊張的課程設(shè)計(jì)，

19、我學(xué)到了很多，尤其是對串行通信這方面有了新的認(rèn)識(shí)，加深了對單片機(jī)知識(shí)點(diǎn)的理解。在繁忙的一個(gè)學(xué)期即將結(jié)束之時(shí)，我的思想成熟了，這次的課設(shè)讓我找到了方向，讓我懂得了很多，有知識(shí)方面的，但大部分還是人格方面的。我相信，只要不放棄，只要努力，就一定可以！本文采用的rs-232標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與pc機(jī)之間的串行通信。rs-232是目前最常用的一種串行通訊接口。由于rs-232-c接口標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)較早，難免有不足之處。主要表現(xiàn)在：1、接口的信號(hào)電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因?yàn)榕cttl電平不容，故需使用電平轉(zhuǎn)換電路才能與ttl電路連接。2、傳輸速率較低，在異步傳輸時(shí)，波特率為20kbps。3、接口使用一根

20、信號(hào)線和一根信號(hào)返回線而構(gòu)成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產(chǎn)生共模干擾，所以抗噪聲干擾性弱。4、傳輸距離有限，最大傳輸距離標(biāo)準(zhǔn)值為50英尺，實(shí)際上也只能用在50米左右。因此建議使用rs-485標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，rs-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。參考文獻(xiàn)1 方彥君.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用.北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2007.92 張毅剛,劉杰.mcs51單片機(jī)原理及應(yīng)用.哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.63 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編.北京: 北京航天航空大學(xué)出版,2002.5 附錄i 元件清單元件名稱型號(hào)數(shù)量單片機(jī)at89c511接口芯片max232a1串行接口1機(jī)械開關(guān)1導(dǎo)線若干附錄ii 整體電路圖附錄iii 源程序清單#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar receive_buffer101;uchar buf_index = 0;uchar code dsy_code= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x