51单片机串口教程（原理+实例教学）

51单片机串口教程（原理+实例教学）

本文主要参考资料：

马淑华、高 军、蔡凌.单片机原理与接口技术(第三版).北京：北京邮电大学出版社，2018.6

一、串行通信的基本知识

1.串行通信的基本方式

①全双工通信

        通信双方可同时进行数据收发的工作方式。51单片机的串行口是全双工传输方式。

②半双工通信

        通信双方交替进行双向数据传输，但两个方向的传输不能同时进行。

③单工通信

        数据只能单方向传输。

2.串行通信相关寄存器

①串行数据缓冲器——SBUF

        SBUF物理地址为99H，但实际是对应两个缓冲器（一收一发）

• 发送内容：CPU写入SBUF
• 接收内容：CPU读取SBUF

②串口控制寄存器——SCON（98H）

SM0和SM1：工作方式选择位，模式选择如下表            

SM2:多机通信选择。当SM2=0时，单机对单机通信；当SM2=1时，多机对多机通信。

REN：串行接收允许位，REN=1 允许接收数据，手动控制；

RB8 ：在模式 2、3 时为第 9 个接收位；

TB8：在模式 2、3 时为第 9 个发送位；

RI：串口接收完成中断标志位（即RI=1），需要手动清0；

TI：串口发送完成中断标志位（即TI=1），需要手动清0；

③波特率与电源控制寄存器——PCON（不可位寻址，87H）

SMOD：波特率加倍控制位。在模式1、2、3下，当SMOD=0时，波特率不加倍；当SMOD=1时，波特率加倍。

其他位暂不做详解

④与串行口通信相关的中断寄存器——IE（中断允许寄存器，可位寻址，A8H）

 与串行中断相关的两个位：

EA:总中断控制位，EA=1时允许中断，EA=0时禁止中断

ES:串行口中断允许位，ES=1时允许串行口中断，ES=0时禁止串行口中断。

 3、串行通信工作模式详解

波特率的计算方法：

1 ．模式 0 的波特率

   波特率固定：每个机器周期产生一个移位时钟，可发送或接收一位数据。且不受SMOD位的影响。即

           模式0的波特率=/12 

2 ．模式 2 的波特率

   由系统的振荡频率fosc和SMOD共同确定，即

          模式2的波特率=·/64 

3 ．模式 1 和模式 3 的波特率

    模式1和模式3的移位时钟由定时器T1的溢出率决定，故波特率由T1的溢出率与SMOD值共同决定，即

       模式1和模式3的波特率= ·T1的溢出率/32

4. 波特率设计
        当定时器T1做波特率发生器使用时，最典型的用法是使T1工作在模式2（初值自动加载），若计数初值为X，则每经过“256－X”个机器周期。定时器T1就会产生一次溢出，溢出周期为：

        

溢出率为溢出周期的倒数，所以波特率为：

从上式解出定时器的初值X：

①模式0:同步移位寄存器

（1）设置方式

 当SM0=0,SM1=0，SM2=0时使用模式0

（2）模式特点

• 波特率固定，波特率等于/12(即晶振频率的十二分之一)，波特率不受SMOD的影响。
• 数据        由RXD端发送或接收
• 同步脉冲 由TXD端输出
• 发送接收的是8位数据，低位在先

(3) 数据传输过程

发送过程:

        将数据写入SBUF时启动发送，串行口即将8位数据以/ 12的波特率从RxD输出(从低位到高位)，发送完中断标志TI置"1”，TxD管脚输出同步移位脉冲。

        在再次发送数据前，必须用软件将TI清0。.

接收过程:

        接收时，将接收中断标志RI=0， 设置REN=1允许接收，启动串接收过程。启动接收过程后，RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为/12。

        当接收完成数据(8位)后，控制信号复位，中断标志RI被置”1”，呈中断申请状态。

        当再次接收时，必须通过软件将RI清0。

②模式1：8位UART，波特率可变(最常用)

（1）设置方式

当SM0=0,SM1=1时，使用模式1

(2）模式特点

• 波特率可变，由定时器的溢出率和SMOD决定。
• 数据通过TXD发送,RXD接收。
• 发送10位数据，1位起始位（0），8位数据位，1位停止位。

（3）数据传输过程

     发送过程:

        数据由串行发送端TXD输出。将数据写入SBUF时启动发送，写“SBUF”信号还把“1”装入发送移位寄存器的第9位，并通知TX控制单元开始发送。

        发送完成后，硬件置位中断请求位Tl，即TI=1,向主机请求中断处理。

        再次发送需要将TI置0。

接收过程

        当允许接收位REN=1时，启动接收。

        接收完成之后，置位中断请求位RI,即RI=1,向主机请求中断处理。

        再次接收需要手动将RI置0。

③模式2和模式3

模式2:    9位UART，波特率固定

模式3： 9位UART，波特率可变

（1）设置方式

 SM0=1,SM1=0设置为模式2;

 SM0=1,SM1=1设置为模式3；

（2）模式特点

• 方式2和方式3都为11位数据的异步通信口，他们唯一的区别是传输速率不同。
• 数据通过TXD发送,RXD接收。
• 发送11位数据，1位起始位（0），9位数据位，1位停止位。
• 第9位的数据位发送时在SCON的TB8，接收时在RB8。

（3）数据传输过程

        发送过程:

                将数据写入SBUF后立即启动发送。

                发送完成后，硬件置位中断请求位Tl，即TI=1,向主机请求中断处理。

                再次发送需要手动将TI置0。

        接收过程:

                当允许接收位REN=1时，启动接收。

                接收完成之后，置位中断请求位RI,即RI=1,向主机请求中断处理。

                再次接收需要手动将RI置0。

二、串行通信的应用（实例分析）

模式1是串口最常用的方式，所以重点讲模式1的应用。

实例所使用的单片机是 亚博智能mini51开发板，编程开发环境为keil5

1.模式1的应用

①通过串口发送一个字符给计算机

步骤：

• 初始化串口（设置工作模式、波特率等）
• 编写发送字符的函数

1、初始化串口

设置工作模式：

        由于我们使用的是模式1，所以设置SM0=0,SM1=0，直接赋值SCON=0x40；

配置波特率：

        配置波特率要设置定时器的工作模式及计算定时器的初值。这里选择定时器T1模式2，8位自动重装方式，然后计算初值。波特率选择不加倍。

初值X的计算公式已经给出。

为了省事，可以直接使用下表经过计算后的值：

查表可知，9600波特率的TH1初值X为0XFD,波特率不加倍。

代码如下：

//串口初始化函数
void UartInit()		//9600bps@11.0592MHz
{SCON = 0x40;		//0100 0000 串口工作模式1TMOD &= 0x0F;		//清空TMOD中定时器1相关TMOD |= 0X20;       //设置定时器1工作模式2:8位自动重载TH1 = 0xFD;		//设定定时初值TL1 = 0XFD;TR1 = 1;		//启动定时器1
}

2、编写发送字符的函数

当寄存器SBUF被赋值时，启动发送。在这个发送字符的函数中，只需要写出被赋值语句即可。

void send_char(unsigned char m)
{SBUF=m;
}

   完整代码：

#include <REGX52.H>
//串口初始化函数
void UartInit()		//9600bps@11.0592MHz
{SCON = 0x40;		//0100 0000 串口工作模式1TMOD &= 0x0F;		//清空TMOD中定时器1相关TMOD |= 0X20;       //设置定时器1工作模式2:8位自动重载TH1 = 0xFD;		//设定定时初值TL1 = 0XFD;TR1 = 1;		//启动定时器1
}//字符发送函数
void send_char(unsigned char m)
{SBUF=m;
}
//延时约1s的程序
void delay()
{unsigned char i, j, k;i = 8;j = 1;k = 243;do{do{while (--k);} while (--j);} while (--i);
}	
//主函数
void main()
{UartInit();//调用串口初始化函数while(1){send_char('p');//调用发送一个字符的函数delay();//调用延时1S的函数}	
}

将程序烧录到单片机后，打开串口助手即可查看串口收到的单片机信息。

（串口调试助手操作）

 （串口接受到了字符）

②通过串口发送字符串给计算机

类似于发送单个字符的步骤

步骤：

• 初始化串口（设置工作模式、波特率等）
• 编写发送字符串的函数

第一步已经介绍过，下面介绍编写发送字符串的函数。

编写发送字符串的函数：

void send_string(unsigned char str[])
{unsigned char i=0;while(str[i]!='')//判断是否到字符串尾{SBUF = str[i];while(TI==0);//等待发送完成TI=0;//下次发送前，要手动将TI置0i++;//下次发送}	
}

 完整代码：

#include <REGX52.H>
//串口初始化函数
void UartInit()		//9600bps@11.0592MHz
{SCON = 0x40;		//0100 0000 串口工作模式1TMOD &= 0x0F;		//清空TMOD中定时器1相关TMOD |= 0X20;       //设置定时器1工作模式2:8位自动重载TH1 = 0xFD;		//设定定时初值TL1 = 0XFD;TR1 = 1;		//启动定时器1
}
void send_string(unsigned char str[])
{unsigned char i=0;while(str[i]!='')//判断是否到字符串尾{SBUF = str[i];while(TI==0);//等待发送完成TI=0;//下次发送前，要手动将TI置0i++;//下次发送}	
}
//延时1sd函数
void delay()
{unsigned char i, j, k;i = 8;j = 1;k = 243;	do{do{while (--k);} while (--j);} while (--i);
}void main()
{UartInit();while(1){send_string("Hello World!nr");delay();}
}

打开串口助手即可看到效果（每隔1s发送“Hello World！”）：

③单片机接收一个字符

        当SCON寄存器接收位REN=1时，启动接收。

        步骤：

• 编写串口初始化函数(配置寄存器模式)
• 编写接收函数

根据串口接收的原理：

        当串口接收到数据时，RI自动硬件置1，所以我们判断RI是否是1即可判断串口是否接受到数据，再将SBUF的内容读出即可获得数据。

        为了验证串口收到的数据是否是我们所发送的数据，可以对单片机定义一些操作来进行确认。

        比如我们把串口接受到的数据在数码管/LCD等显示模块显示出来进行验证，当然也可以采用比较简单的方法，比如点灯验证法。

点灯验证法：

         比如我们要发送一个字符‘O’，规定字符‘O’可以点亮LED1。我们只需观察发送后LED1是否点亮即可判断我们串口接收到了正确的字符。

        同理，我们也可以发送一个字符'C',规定字符C可以熄灭LED1,我们只需观察发送后LED是否熄灭即可判断我们串口接收到了正确的字符。

完整代码（扫描判断法）：

#include <REGX52.H>
sbit led=P1^0;//串口初始化函数
void UartInit()		//9600bps@11.0592MHz
{SCON = 0x50;		//0101 0000 串口工作模式1TMOD &= 0x0F;		//清空TMOD中定时器1相关TMOD |= 0X20;       //设置定时器1工作模式2:8位自动重载TH1 = 0xFD;		//设定定时初值TL1 = 0XFD;TR1 = 1;		//启动定时器1
}void main()
{char receive;//用于接收串口数据的变量led=1;UartInit();while(1){if(RI==1)//RI=1说明串口接收到了数据{RI=0;//RI置0保证下次接收receive=SBUF;//将从串口接收到的数据报存到变量中//判断接收的数据，作出相应的操作if(receive=='O')led=0;if(receive=='C')led=1;	}}
}

中断判断法：   

#include <REGX52.H>
sbit led=P1^0;//串口初始化函数
void UartInit()		//9600bps@11.0592MHz
{SCON = 0x50;		//0101 0000 串口工作模式1TMOD &= 0x0F;		//清空TMOD中定时器1相关TMOD |= 0X20;       //设置定时器1工作模式2:8位自动重载TH1 = 0xFD;		//设定定时初值TL1 = 0XFD;TR1 = 1;		//启动定时器1ES=1;//打开串行通信中断EA=1;//打开总中断
}
//串行中断函数
void Uart_receive() interrupt 4
{if(RI==1)//RI=1说明串口接收到了数据{		char receive;RI=0;//RI置0保证下次接收receive=SBUF;//将从串口接收到的数据报存到变量中//判断接收的数据，作出相应的操作if(receive=='O')led=0;if(receive=='C')led=1;	}
}
//主函数
void main()
{led=1;UartInit();while(1){//do any other things what you want;}}

打开串口助手，按照步骤操作给单片机发送数据：