基于串口通信的單片機仿真和C語言開發(fā)
摘要：隨著單片機系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及，單片機的通信功能愈來愈顯得重要。單片機通信是指單片機與計算機或單片機與單片機之間的信息交換，通常單片機與計算機之間的通信用的較多。本文以溫度檢測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了單片機與PC 機的通信原理及電路的設(shè)計。
0 引言
本論文題目為基于串口通信的單片機仿真和C 語言開發(fā)，研究的是一種基于串口的溫度檢測數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。利用DS18B20 溫度傳感器設(shè)計溫度監(jiān)測模塊，精確到0.1℃，用液晶顯示當前溫度，然后通過串口調(diào)試助手向單片機發(fā)送指令。當單片機收到十六進制指令01時，將當前溫度值以1s 為間隔傳回PC 機顯示，同時PC 機顯示Turn on temp;當單片機收到十六進制指令02 時，停止溫度值的回傳，PC 機顯示Turn off temp;當單片機收到其它指令時，PC 機顯示Error。
1 總體設(shè)計
本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成信息的顯示；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。
本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，以AT89C52 單片機為核心，與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：
AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LCD 顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC 機之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環(huán)境溫度檢測功能。系統(tǒng)組成方框圖如圖1.1 所示。
圖1.1系統(tǒng)硬件組成方框圖
應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計方法。該系統(tǒng)軟件主要由主程序、串口接收發(fā)送數(shù)據(jù)中斷子程序、LCD 顯示子程序等模塊組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2 所示。
圖1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖。
2 系統(tǒng)工作原理
MCS-51 單片機串行口發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時，通過2 個串行緩沖器SBUF 進行，這2 個緩沖器采用一個地址（98H），但在物理上是獨立的。其中接收緩沖器只能讀出不能寫入，50 發(fā)送緩沖器只能寫入不能讀出。
1. 發(fā)送過程
當數(shù)據(jù)被寫入SBUF 寄存器后，單片機自動開始從起始位發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送到停止位的開始時，由內(nèi)部硬件將TI 置1,向CPU 申請中斷，接下來可在中斷服務(wù)程序中做相應(yīng)處理，也可選擇不進入中斷。
2. 接收過程
串行口的接收與否受制于允許接收位REN 的狀態(tài)，當REN 被軟件置"1"后，允許接收器接收。串口的接收器以所選波特率的16 倍速對RXD 線進行監(jiān)視。當"1"到"0"跳變時，檢測器連續(xù)采樣到RXD 線上低電平時。便認定RXD 端出現(xiàn)起始位，繼而接收控制器開始工作。在每位傳送時間的第7、8、9 三個脈沖狀態(tài)采樣RXD 線，決定所接收的值為"0"或"1".當接收完停止位后，控制電路使中斷標志R1置為"1".
3. 溫度檢測
溫度檢測采用DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,DS18B20 是一種新型的"一線器件",其體積更小，更適用于多種場合，且適用電壓更寬、更經(jīng)濟。DALLAS 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。
溫度測量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9 位~12位轉(zhuǎn)換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時，最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12 位分辨率時，最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。
3 溫度傳感器
3.1 溫度傳感器特性
DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20[2]是一種新型的"一線器件",其體積更小，更適用于多種場合，且適用電壓更寬、更經(jīng)濟。DALLAS 半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。溫度測量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9 位~12 位轉(zhuǎn)換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時，最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12 位分辨率時，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。DS18B20的性能特點如下：
1. 獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；
2. 多個 DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能
3. 無須外部器件；
4. 可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V;
5. 零待機功耗；
6. 溫度以 9 或12 位數(shù)字；
7. 用戶可定義報警設(shè)置；
8. 報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；
9. 負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；
DS18B02 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1 腳接地，2 腳作為信號線，3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20 時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET 管來完成對總線的上拉。
當 DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度A/D 轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us.采用寄生電源供電方式時VDD 端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。
圖 3.1 DS18B20 引腳圖
3.2 工作時序圖
1. 初始化
圖 3.2 初始化時序圖
1）先將數(shù)據(jù)線置高電平1;2） 延時（該時間要求不是很嚴格，但是要盡可能短一些）；3） 數(shù)據(jù)線拉到低電平0;4） 延時 750us（該時間范圍可以在480~960us）；5） 數(shù)據(jù)線拉到高電平1;6）延時等待。如果初始化成功則在15~60ms內(nèi)產(chǎn)生一個由DS18B20 返回的低電平0,據(jù)該狀態(tài)可以確定它的存在。但是要注意，不能無限地等待，不然會使程序進入死循環(huán)，所以要進行超時判斷；7） 若 CPU 讀到數(shù)據(jù)線上的低電平0 后，還要進行延時，其延時時間從發(fā)出高電平算起最少要480us;8）將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平后結(jié)束。
2. DS18B20 寫數(shù)據(jù)
圖3.3 寫數(shù)據(jù)時序圖
1） 數(shù)據(jù)線先置低電平0;
2）延時確定的時間為15us;
3） 按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位）；
4） 延時時間為 45us;
5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平1;
6） 重復 1）到5）步驟，直到發(fā)送完整個字節(jié)；
7）最后將數(shù)據(jù)線拉高到1.
3. DS18B20 讀數(shù)據(jù)
圖3.4 讀數(shù)據(jù)時序圖
1）將數(shù)據(jù)線拉高為1;
2） 延時 2us ;
3） 將數(shù)據(jù)線拉低0 ;
4） 延時 6us ;
5） 將數(shù)據(jù)線拉高1 ;
6）延時 4us ;
7） 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1 個狀態(tài)位，并且進行數(shù)據(jù)處理；
8） 延時 30us ;
9） 重復 1）到7）步，知道讀取完一個字節(jié)。
4 硬件設(shè)計
4.1 時鐘電路及復位電路
1.時鐘電路
時鐘電路可以產(chǎn)生CPU 校準時序，是單片機的控制核心，本次設(shè)計是通過外接12MHz的晶振來實現(xiàn)時鐘電路的時序控制。在使用片內(nèi)振蕩器時，XTAL1 和XTAL2 分別為反向放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C3 和C5 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。當用外部時鐘驅(qū)動時，XTAL2引腳應(yīng)懸空，而由XTAL1引腳上的信號驅(qū)動，外部振蕩器通過一個2 分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部時鐘信號，故對外部信號的占空比沒有什么要求，但最小和最大的高電平持續(xù)時間和低電平持續(xù)時間應(yīng)符合技術(shù)要求。電路如圖4.1 所示。
圖 4.1 晶振電路
2.空閑方式
在空閑方式下，CPU 的內(nèi)部時鐘信號被門控電路所封鎖，CPU 即進入睡眠狀態(tài)，但內(nèi)部時鐘信號仍繼續(xù)供給中斷系統(tǒng)，定時器和串行口。這種方式由軟件調(diào)用。在空閑方式期間，片內(nèi)RAM和所有專用寄存器的狀態(tài)仍被保留，空閑方式可通過任何允許的中斷或硬件復位來終止。當空閑方式由硬件復位終止時，通常系統(tǒng)在空閑處恢復程序的執(zhí)行。硬件復位只需要信號持續(xù)有效兩個機器周期。當用復位終止空閑方式時，為防止避免意外寫入端口引腳的可能性，調(diào)用空閑方式指令的下一條指令不應(yīng)是寫端口引腳或外部存儲器。
3.掉電工作方式
在掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作。調(diào)用掉電指令是執(zhí)行的最后一條指令。片內(nèi)RAM 和專用寄存器的值被保留，直到掉電方式終止。退出掉電方式只能靠硬件復位。復位后將重新定義所有專用寄存器，但不改變RAM 的內(nèi)容。在VCC 未恢復到正常工作電壓之前，不能啟動復位，復位信號應(yīng)保持足夠長的時間，以保證振蕩器的起振和達到穩(wěn)定。
為了使單片機正常工作，還需要加入上電復位電路和掉電檢測電路。上電復位簡要原理：
在系統(tǒng)不需要復位時，RST端是低電平；按下按鍵，RST端變?yōu)楦唠娖健?/p>
圖 4.2 上電復位電路
AT89C51、晶振電路與上電復位電路共同組成單片機最小系統(tǒng)，如圖4.3 所示。
圖 4.3 最小系統(tǒng)
4.2 溫度傳感器
圖4.4 DS18B20連線圖
從圖 4.4 可以看出，DS18B20 與單片機的連接非常簡單，單片機只需要一個I/O 口就可以控制DS18B20.這個圖的接法是單片機與一個DS18B20 通信，如果要控制多個DS18B20進行溫度采集，只要將所有的DS18B20 的I/O 口全部連接到一起就可以了。
4.3 LCD顯示模塊
顯示電路采用LCD1602 液晶顯示屏，P2 作為液晶8 位數(shù)據(jù)輸入端口。P1.0 口作為液晶數(shù)據(jù)/命令選擇端口，P1.1 為液晶使能端口。
圖 4.5 LCD 顯示模塊
4.4 串行口通信模塊設(shè)計
51 單片機有一個全雙工的串行通信口，使單片機和計算機之間可以方便地進行通信。
電平范圍是電路能夠安全可靠識別信號的電壓范圍。
CMOS 電路的電平范圍一般是從0 到電源電壓。CMOS 電平中，高電平（3.5~5V）為邏輯"1",低電平（0~0.8V）為邏輯"0".
RS232 接口的電平范圍是-15V 到+15V,RS232 電平采用負邏輯，即邏輯"1":-3~-15V,邏輯"0":+3~+15V.
單片機的串口是TTL 電平的，而計算機的串口是RS232 電平，要使兩者之間進行通信，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，即單片機的串口要外接電平轉(zhuǎn)換電路芯片把與TTL兼容的CMOS 高電平表示的1 轉(zhuǎn)換成RS232 的負電壓信號，把低電平轉(zhuǎn)換成RS-232 的正電壓信號。典型的轉(zhuǎn)換電路給出-9V 和+9V.
本設(shè)計中實現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換可以采用MAX232 芯片的轉(zhuǎn)換接口：MAX232 是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路驅(qū)動器和接收器的RS-232 轉(zhuǎn)換芯片。MAX232 芯片內(nèi)部有一個電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸人的+5V 電壓轉(zhuǎn)換為RS-232 接口所需的±10V 電壓，尤其適用于沒有±12V 的單電源系統(tǒng)。與此原理相同的芯片還有MAX202、AD 公司的ADDt101 以及SIL 公司的IC1232 芯片。
圖 4.6 MAX232 芯片引腳
由于 protues仿真時不需進行電平轉(zhuǎn)換，所以仿真時沒有用上MAX232 芯片電路，但做實物時需進行電平轉(zhuǎn)換，其硬件連線圖如圖4.7 所示。MAX232 芯片的T1in 引腳連接AT89C51 單片機的P3.1（TXD）引腳，MAX232 芯片的R1out 引腳連接AT89C51 單片機的P3.0（RXD）引腳；MAX232 芯片的T1out 引腳連接DB9 針接口的第2 引腳，MAX232 芯片的R1in 引腳連接DB9 針接口的第3 引腳。
圖4.7 電平轉(zhuǎn)換硬件連接圖
4.5 系統(tǒng)原理圖
由以上模塊化設(shè)計可得整個系統(tǒng)原理圖如圖4.8 所示：
圖4.8 系統(tǒng)原理圖
5 軟件設(shè)計
5.1 算法設(shè)計
編寫單片機異步通信程序步驟如下：
1. 設(shè)置串口工作方式
此時需對串行控制器SCON 中的SM0、SM1 進行設(shè)置。PC 機與單片機的通信中一般選擇串口工作在方式1 下。
串行控制器 SCON（98H）的格式如表1 所示：
表1串行控制器格式
2. 選擇波特率發(fā)生器
選擇定時器1或定時器2 做為其波特率發(fā)生器。
3. 設(shè)置定時器工作方式
當選擇定時器1 做為波特率發(fā)生器時，需設(shè)置其方式寄存器TMOD 為計數(shù)方式并選擇相應(yīng)的工作方式（一般選擇方式2 以避免重裝定時器初值）；當選擇定時器2 做為波特率發(fā)生器時，需將T2CON 設(shè)置為波特率發(fā)生器工作方式。
4. 設(shè)置波特率參數(shù)
影響波特率的參數(shù)有二，一是特殊寄存器PCON 的SMOD 位，另一個是相應(yīng)定時器初值。
5. 允許串行中斷
因在程序中我們一般采有中斷接收方式，故應(yīng)設(shè)EA=1、ES=1.
6. 允許接收數(shù)據(jù)
設(shè)置 SCON 中的REN 為1.表示允許串行口接收數(shù)據(jù)。
7. 允許定時/計數(shù)器工作
此時開啟定時/計數(shù)器，使其產(chǎn)生波特率8. 編寫串行中斷服務(wù)程序。
當有數(shù)據(jù)到達串口時，系統(tǒng)將自動執(zhí)行所編寫的中斷服務(wù)程序。
9. 收/發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)
注意的是發(fā)送操作完成需將T1清零，接收工作完成后需將R1清零。
5.2 程序設(shè)計
5.2.1 主程序設(shè)計
主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能。
1. 初始化。
首先調(diào)用 LCD 初始化程序，在LCD 上顯示數(shù)據(jù)"RECEIVE:"和"TEMP is: *C".
然后調(diào)用中斷及串口初始化子程序程序，把串口接收數(shù)據(jù)單元RECDATA 清零。設(shè)置寄存器SCON 的SM0、SM1 位定義串口工作方式，選擇波特率發(fā)生器為定時器T1;設(shè)定定時器T1 工作方式為方式2;設(shè)置波特率參數(shù)為9600bps;允許串行中斷及總中斷；允許串口接收數(shù)據(jù)，定義REN=1;啟動定時/計數(shù)器T1 工作，定義TR1=1.
2. 串口收發(fā)數(shù)據(jù)。
判斷串口成功接收數(shù)據(jù)標志位flag_uart 是否為0,若flag_uart 為0,表明串口未接收到數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待串口接收數(shù)據(jù)；若flag_uart 為1,表明串口成功接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，進入串口中斷服務(wù)子程序，單片機接收數(shù)據(jù)，并將串口成功接收數(shù)據(jù)標志位flag_uart 清零，調(diào)用LCD 顯示接收數(shù)據(jù)子程序，在LCD 上顯示單片機從串口接收到的數(shù)據(jù)，同時回傳溫度值給PC機顯示。主程序設(shè)計流程圖如圖5.1 所示。
圖 5.1 主程序流程圖
5.2.2 串口中斷服務(wù)子程序
判斷串口發(fā)送標志位TI 是否為1,若TI 為1,則把數(shù)據(jù)從單片機發(fā)給PC 機，并把TI清零，中斷子程序返回；若TI為0,表明RI=0,則把串口接收標志位RI清零，把串口接收緩沖器SBUF 中的數(shù)據(jù)寫入串口接收數(shù)據(jù)單元RECDATA,再把該數(shù)據(jù)送到串口發(fā)送緩沖器SBUF 中，傳給PC 機，置串口成功接收數(shù)據(jù)標志位RECOKBIT 為1,表明串口成功接收發(fā)送數(shù)據(jù)，最后中斷子程序返回。串口收發(fā)數(shù)據(jù)中斷服務(wù)子程序設(shè)計流程圖如圖5.2 所示。
圖5.2 串口中斷服務(wù)子程序
5.2.3 讀溫子程序
讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM 中的9 字節(jié)，在讀出時需進行CRC 校驗，校驗有錯時不進行溫度數(shù)據(jù)的改寫。其程序流程圖如圖5.3 示。
圖5.3 讀溫子程序
5.2.4 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序
溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開始命令，當采用12 位分辨率時轉(zhuǎn)換時間約為750ms,在本程序設(shè)計中采用1s顯示程序延時法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如上圖，圖5.4 所示。
圖5.4 溫度轉(zhuǎn)換流程圖
5.2.5 計算溫度子程序
計算溫濕度子程序?qū)AM 中讀取值進行BCD 碼的轉(zhuǎn)換運算，并進行溫度值正負的判定，其程序流程圖如圖5.5 所示。
圖5.5 計算溫度流程圖
5.2.6 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序
顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對分離后的溫度顯示數(shù)據(jù)進行刷新操作，當標志位位為1時將符號顯示位移入第一位。程序流程圖如圖5.6 所示。
圖5.6 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序
6 結(jié)論
本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計，以AT89C52 單片機為核心，與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：
AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，LCD 顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機和PC 機之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測模塊主要完成環(huán)境溫度檢測功能。
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