【51单片机】UART串口通讯原理 + 使用

学习使用的开辟板：STC89C52RC/LE52RC
编程软件：Keil5
烧录软件：stc-isp
开辟板实图：

串口

   

• 串口是一种应用非常广泛的通讯接口，串口本钱低、轻易使用、通讯线路简单，可实现两个装备的相互通讯
  
• 单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块相互通讯，极大的扩展了单片机的应用范围，加强了单片机体系的硬件气力
  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讯
  

  

硬件电路

简单双向串口通讯有两根通讯线(发送端TXD(Transmit Exchange Data)和吸收端RXD(Receive Exchange Date))
TXD和RXD要交织毗连，装备1的TXD毗连装备2的RXD，装备1的RXD毗连装备2的TXD

当只要单向传输数据时，可以只有一根通讯线
GND是肯定要毗连的，若两个装备都可以各自供电，则不须要毗连VCC
当电平尺度差别等时，还须要加电平转换芯片

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电平尺度
电平尺度是数据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，串口常用的电平尺度有如下三种：

• TTL电平：+5V体现1，0V体现0，一样平常用于单片机
  
• RS232电平：-3 ~ -15V 体现1，+3 ~ +15V 体现0，一样平常用于电脑
  
• RS485电平：两线压差 +2 ~ +6V 体现1，-2 ~ -6V 体现0(差分信号)，一样平常用于CAN总线
  

前两个通讯隔断都较近，一样平常只有十几米，隔断过远传输的数据就很轻易堕落；而RS485通讯隔断远，信号可靠性高，传输隔断可达1KM以上

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干系术语

• 全双工：通讯双方可以在同一时候相互传输数据
  

• 半双工：通讯双方可以相互传输数据，但同时间只能有一段发送，另一端吸收，必须分时复用一根数据线
  

• 单工：通讯双方只能一方发送到另一方，不能反向传输。比如遥控器控制电视，只能遥控器向电视发送数据
  
  
  
  
• 异步：通讯双方各自约定通讯速率
  
• 同步：通讯双方靠一根时钟线来约定通讯速率
  

数据传输是依靠高低电平的，也就是电平协议。比如如下两个数据

看电平都是从高电平变为低电平，但是假如通讯速率不一样，则获取的数据不一样

通讯速率快，10大概会被分析为1100；通讯速率慢，1100也大概会被分析为10。
以是约定好通讯速率很告急

• 总线：毗连各个装备的数据传输线路(类似一条马路，把路边的住户毗连起来，使住户可以相互互换)
  

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常见通讯接口比力

• UART：为本节学习的串口通讯接口
  
• I2C：板子上的C24C02使用该串口
  
• SPI：板子上的DS1302使用非尺度SPI
  
• 1-Wire：板子上的DS18B20使用该串口
  

常见的另有CAN总线和USB，CAN总线常用于汽车范畴

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UART

51单片机的UART
STC89C52有1个UART，RXD和TXD分别和P3.0和P3.1这两个I/O口共用同一个引脚

STC89C52的UART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

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串口参数及时序图

• 波特率：串口通讯的速率(发送和吸收各数据位的隔断时间)
  
• 校验位：用于数据验证，肯定步调可以知道数据是否错误，也须要双方提前协商同一校验。常用的校验如01校验，奇偶校验。9位UART就是多了一位校验位
  
• 克制位：用于数据帧隔断，发送多个数据，怎样隔断两个数据，就使用克制位
  波特率就是上述异步双方要约定好的怎样对数据举行采样
  

串口收发数据，都是从低位开始

串口模式图
简单的串口模式图

UART是集成在单片机内部的，通过TXD引脚发送数据，RXD引脚吸收数据
UART可以分为三个部分，中央为定时器T1——控制波特率；左侧绿框的SBUF用于收发数据；右侧为停止体系
SBUF：串口数据缓存寄存器，物理上是两个独立的寄存器，但占用类似的地点。写利用时，写入的是发送寄存器，读利用时，读出的是吸收寄存器
完备的串口和停止体系模式图如下：

下面通过先容干系寄存器来报告串口通讯的原理
串口干系寄存器

串行口控制寄存器SCON和PCON
STC89C52系列单片机的串行口设有两个控制寄存器：串行控制寄存器SCON和波特率选择特别功能寄存器PCON
PCON
电源控制寄存器，大概是电源控制另有剩下比特位，以是波特率选择和帧错误控制位也集成此中，淘汰资源斲丧
格式如下：

我们只要关注SMOD 和 SMOD0 即可

• SMOD：波特率选择位。当软件置SMOD = 1时，使串行通讯方式1、2、3的波特率更加；SMOD = 0，则不更加。复位时SMOD = 0
  
• SMOD0：帧错误检测有用控制位。当SMOD = 1，SCON寄存器中的 SM0/FE 位于 FE(帧错误检测)功能；当SMOD0 = 0，SCON的SM0/FE 用于 和 SM1 组合指定串行口的工作模式。复位时 SMOD0 = 0
  

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SCON
用于选择串行通讯的工作方式和某些控制功能，格式如下：

• SM0/FE：当PCON寄存器的 SMOD0/FE = 1时，该位用于帧错误检测。当检测到一个无效克制位时，通过UART吸收器设置该位，必须由软件清零；当SMOD0/FE = 0，该位和 SM1 组合指定工作模式
  

• REN：答应/克制串行吸收控制位。由软件置位，若REN = 1即答应串行吸收数据；REN = 0则克制吸收
  
• SM2：答应方式2或方式3多机通讯控制位。
  
• TB8：在方式2或方式3，为要发送的第9位数据，按须要由软件置位或清0。可用作数据的校验位或多机通讯中体现地点帧/数据帧的标志位。
  
• RB8：在方式2或方式3，是吸收到的第9位数据。在方式1，若SM2=0，则RB8是吸收到的克制位。方式0不消RB8。
  
• TI：发送停止哀求标志位。在方式0，当串行发送数据第8位竣事时，由内部硬件置TI = 1，向主机哀求停止，相应停止后必须用软件复位，即TI = 0。在其他方式中，则在克制位开始发送时由内部硬件置位，必须用软件复位TI = 0
  
• RI：吸收停止哀求标志位。在方式0，当串行吸收到第8位竣事时由内部硬件自动置位 RI = 1 ,向主机哀求停止，相应停止后必须用软件复位，即RI=0。在其他方式中，串行吸收到克制位的中央时候由内部硬件置位，即RI=1，必须由软件复位，即RI=0
  

IE
停止答应寄存器

此中我们只关注EA 和 ES

• EA：CPU的总停止答应控制位，EA = 1，CPU开放停止；EA = 0，CPU屏蔽全部停止哀求
  
• ES：串行口停止答应位，ES = 1，答应串行口停止；ES = 0，克制串行口停止
  

注意：吸收停止和发送停止共用一个停止，在停止处理处罚函数中还须要通过RI 和 TI 的置位判断本次停止是吸收停止还是发送停止

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末了我们回归模式图，讲授一下串口通讯的流程

发送数据
通过总线将数据写入SBUF，定时器1控制波特率。通过TXD发送数据，当发送数据竣事时(方式0为发完8位数据，其他方式为发送克制位时)，将 TI = 1，发送停止哀求
吸收数据
RXD吸收数据，通过定时器1控制波特率，对吸收数据举行采样，存放在SBUF，当吸收数据竣事(方式0当串行发送数据第8位竣事时，在其他方式中，则在克制位开始发送时由内部硬件置位)，将 RI = 1，发出停止哀求
注意：TI 和 RI 都须要由软件置0
编码

颠末上述学习，我们已经对串口有了肯定的相识，接下来就是实现串口通讯
单片机通过串口发送数据

我们使用UART串口通讯，起首要举行初始化，如：选择工作方式，初始化停止体系，设置波特率，初始化定时器
选择工作模式
涉及到SCON 和 PCON
起首是PCON的SMOD0，当 SMOD0 = 0 时，SMOD 的 SM0 才会被用来选择工作方式
其次，我们选择 8位UART，波特率可变模式，即方式1，SCON的SM0 = 0，SM1 = 1
末了，假如要答应串口吸收数据，还须要置SCON的REN = 1

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初始化停止体系
起首，初始化串口收发数据的停止哀求标志位，SCON的 TI 和 RI，由硬件置1，我们初始化时清零即可：TI = 0, RI = 0
到此，SCON的设置就竣事了
总结一下，SM0 = 0, SM1 = 1, REN = 1/0, TI = 0, RI = 0，其他默以为0即可，以是SCON = 0x40/0x50
然后是停止开关

ES = 1, EA = 1

1. SCON = 0x50;        //选择工作方式 & 允许串口接收数据
2. PCON |= 0x80;        //使SM0为选择工作方式
3. //中断开关
4. ES = 1;                        //串口中断开关
5. EA = 1;                        //总中断开关

复制代码

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初始化定时器
初始化定时器可参看【51单片机】定时器
此处定时器1选择工作模式2——8位自动重装
   8位自动重装
一次只对TL1或TH1计数加一
当一个溢出后，直接使用另一个计数单元的初值

1. //设置定时器1
2. TMOD &= 0x0F;        //高4位清零
3. TMOD |= 0x20;        //0010，模式3——8位自动重载
4. TR1 = 1;                //启用定时器T1
5. ET1 = 0;                //禁止定时器T1中断       
6. //定时器初值
7. TL1 = 0xF3;                //设定定时初值
8. TH1 = 0xF3;                //设定定时器重装值

复制代码

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设置波特率
我们设置波特率为4800
设置波特率须要通过设置定时器1的初始值

1. TL1 = 0xF3;                //设定定时初值
2. TH1 = 0xF3;                //设定定时器重装值

复制代码

讲授一下为什么定时器初值是这个
假设体系频率为12MHz，使用12T模式，则定时器频率为12 / 12 = 1MHz，即每1us，计数单元加1。
使用8位自动重装，256时会溢出，0xF3 = 243，256 - 243 = 13。以是定时器溢出须要13us
溢出率：1 / 13 = 0.07692
使用SMOD = 1，波特率更加(不除2)

还须要 0.07692 / 16 = 0.0048076923MHz
转化为Hz：4807.6923Hz，这个就是波特率
会存在肯定毛病
也可参看如下盘算

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到此，串口的初始化就完成了
完备代码如下：

1. /**
2.   * @brief                初始化串口
3.   * @parm                无
4.   * @retval                无
5.   */
6. void UART_Init()
7. {
8.         //SCON高4位分别为SM0、SM1、SM2、REN
9.         //SM0和SM1控制串口模式，选择01——8位UART，波特率可变
10.         //REN接收使能，REN = 0禁止接收，REN = 1允许接收
11.         //所以设置0101 0000
12.         SCON = 0x50;
13.         //PCON包含波特率和电源设置
14.         //前两位为SMOD和SMOD0
15.         //SMOD = 1波特率加倍，SMOD = 0，波特率不加倍
16.         //SMOD0是帧错误的，此处不用
17.         //所以设置1000 0000
18.         PCON |= 0x80;
19.         //设置定时器1
20.         TMOD &= 0x0F;        //高4位清零
21.         TMOD |= 0x20;        //0010，模式3——8位自动重载
22.         TR1 = 1;                //启用定时器T1
23.         ET1 = 0;                //禁止定时器T1中断       
24.         //定时器初值
25.         TL1 = 0xF4;                //设定定时初值
26.         TH1 = 0xF4;                //设定定时器重装值
27.         //中断开关
28.         ES = 1;                        //串口中断开关
29.         EA = 1;                        //总中断开关
30. }

复制代码

博主的单片机体系频率为11.0592MHz
可以使用STC-ICP天生波特率设置代码

注意：设置肯定要选择精确；代码中的AUXR寄存器为高版本单片机才有的，低版本不认识这个寄存器，可以直接删掉

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串口发送数据通过赋值SBUF，数据发送完后，硬件置位TI = 1，须要我们手动对TI清零
代码如下：

1. /**
2.   * @brief                 通过串口发送一个字节数据
3.   * @parm                Byte：要发送字节数据
4.   * @retval                无
5.   */
6. void UART_SendByte(unsigned char Byte)
7. {
8.         SBUF = Byte;
9.         while(TI == 0);//数据发送完，硬件置1
10.         TI = 0;                //软件置0
11. }

复制代码

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模块化编程，完备代码如下：
延时模块——控制串口发送数据速率
Delay.h

1. #ifndef __DELAY_H__
2. #define __DELAT_H__
4. void Delayms(unsigned int xms);//等待指定毫秒
6. #endif

复制代码

Delay.c

1. #include <INTRINS.h>
2. /**
3.   * @brief  延迟一定时间
4.   * @parm        延迟的时间，单位是毫秒，范围：0 ~ 65535
5.   * @retval        无
6.   */
7. void Delayms(unsigned int xms)                //@11.0592MHz
8. {
9.         while(xms--)
10.         {
11.                 unsigned char i, j;
12.                 _nop_();
13.                 i = 2;
14.                 j = 199;
15.                 do
16.                 {
17.                         while (--j);
18.                 } while (--i);
19.         }       
20. }

复制代码

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UART串口模块
UART.h

1. #ifndef __UART_H__
2. #define __UART_H__
4. void UART_Init();
5. void UART_SendByte(unsigned char Byte);
7. #endif

复制代码

UART.c

1. #include <REGX52.H>/**
2.   * @brief                初始化串口
3.   * @parm                无
4.   * @retval                无
5.   */
6. void UART_Init()
7. {
8.         //SCON高4位分别为SM0、SM1、SM2、REN
9.         //SM0和SM1控制串口模式，选择01——8位UART，波特率可变
10.         //REN接收使能，REN = 0禁止接收，REN = 1允许接收
11.         //所以设置0101 0000
12.         SCON = 0x50;
13.         //PCON包含波特率和电源设置
14.         //前两位为SMOD和SMOD0
15.         //SMOD = 1波特率加倍，SMOD = 0，波特率不加倍
16.         //SMOD0是帧错误的，此处不用
17.         //所以设置1000 0000
18.         PCON |= 0x80;
19.         //设置定时器1
20.         TMOD &= 0x0F;        //高4位清零
21.         TMOD |= 0x20;        //0010，模式3——8位自动重载
22.         TR1 = 1;                //启用定时器T1
23.         ET1 = 0;                //禁止定时器T1中断       
24.         //定时器初值
25.         TL1 = 0xF4;                //设定定时初值
26.         TH1 = 0xF4;                //设定定时器重装值
27.         //中断开关
28.         ES = 1;                        //串口中断开关
29.         EA = 1;                        //总中断开关
30. }
31. /**  * @brief                 通过串口发送一个字节数据  * @parm                Byte 要发送字节数据  * @retval                无  */void UART_SendByte(unsigned char Byte){        SBUF = Byte;        while(TI == 0);//数据发送完，硬件置1        TI = 0;                //软件置0}///**//  * @brief                 吸收数据 模版//  * @parm                        无//  * @retval                无//  *///void UART_Routine() interrupt 4//{//        if(RI == 1)//检测是否是吸收数据停止//        {//                RI = 0;//软件置0//        }//}

复制代码

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主步调——每隔一秒通过串口发送递增数据

1. #include <REGX52.H>
2. #include "UART.h"
3. #include "Delay.h"
4. /**
5.   * @brief                通过串口每隔1s发送递增的数据 范围：0 ~ 255
6.   * @parm                无
7.   * @retval                无
8.   */
9. void SendIncreasingNum()
10. {
11.         static unsigned char num;
12.         UART_SendByte(num++);
13.         Delayms(1000);
14. }
16. void main()
17. {
18.         UART_Init();
19.     while(1)
20.     {
21.         SendIncreasingNum();
22.     }
23. }

复制代码

使用STC-IST 的 串口助手 检察结果

注意：下面一行的设置要精确
电脑通过串口发送数据控制LED灯

电脑发送数据给单片机须要USB转串口，自带的USB线就已经实现了这一转换，以是我们直接编写单片机通过串口吸收数据的逻辑即可。
串口吸收数据会存放在SBUF，吸收完毕后会将RI置1，发出停止哀求，停止号为4，然后须要手动清零RI
代码如下：

1. void UART_Routine() interrupt 4
2. {
3.         if(RI == 1)//检测是否是接收数据中断
4.         {
5.                 P2 = SBUF;
6.                 RI = 0;//软件置0
7.         }
8. }

复制代码

注意：P2寄存器用于控制LED亮灭，为0亮起，为1熄灭
还可以将数据重新返回给电脑，同样使用Delay 和 UART 模块，只有main.c差别
main.c

1. #include <REGX52.H>
2. #include "UART.h"
3. #include "Delay.h"
4. /**
5.   * @brief                 接收数据，亮相应的灯，并返回数据
6.   * @parm                无
7.   * @retval                无
8.   */
9. void UART_Routine() interrupt 4
10. {
11.         if(RI == 1)//检测是否是接收数据中断
12.         {
13.                 P2 = SBUF;
14.                 UART_SendByte(SBUF);
15.                 RI = 0;//软件置0
16.         }
17. }
18. void main()
19. {
20.         UART_Init();
21.     while(1)
22.     {
23.         
24.     }
25. }

复制代码

结果如下：
我们通过串口助手，发送 0xAA = 1010 1010

LED灯结果如下：

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以上就是本篇博客的全部内容，感谢你的阅读
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