51单片机（八）串口通信

news2024/12/24 3:20:14

❤️ 专栏简介：本专栏记录了从零学习单片机的过程，其中包括51单片机和STM32单片机两部分；建议先学习51单片机，其是STM32等高级单片机的基础；这样再学习STM32时才能融会贯通。
☀️ 专栏适用人群 ：适用于想要从零基础开始学习入门单片机，且有一定C语言基础的的童鞋。
🌙专栏目标：实现从零基础入门51单片机和STM32单片机，力求在玩好单片机的同时，能够了解一些计算机的基本概念，了解电路及其元器件的基本理论等。

⭐️ 专栏主要内容： 主要学习51单片机的功能、各个模块、单片机的外设、驱动等，最终玩好单片机和单片机的外设，全程手敲代码，实现我们所要实现的功能。
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提取码：gdzf

本节主要介绍学习串口通信的相关知识，包括串口基础知识介绍、本节目标等；并利用两个小实验来进行练习，分别是串口向电脑发送数据以及电脑通过串口控制LED。

文章目录

  • 一、串口介绍和本节目标
    • 1.1 串口介绍
    • 1.2 本节目标
      • 1.2.1 目标1：单片机通过串口向个人电脑发送数据
      • 1.2.2 目标2：电脑通过串口控制LED
  • 二、串口向电脑发送数据
  • 三、电脑通过串口控制LED

一、串口介绍和本节目标

1.1 串口介绍

在这里插入图片描述

本节主要介绍51单片机和个人电脑之间，是如何使用串口进行通信的。

串口的硬件电路

在这里插入图片描述

电平标准

在这里插入图片描述

  • 我们单片机使用的就是TTL电平；（缺点：只能传输10米之内）
  • CAN总线以及USB使用的是RS485电平，通过两根线的压差来区分，也就是查分信号；而不是用电源正负极来区分电压。（最大传送距离可以达到千米以上）

接口及引脚定义：

在这里插入图片描述

常见的通信接口

在这里插入图片描述
相关术语

在这里插入图片描述

  • 全双工方式，在A和B双方之间存在两根通信线，通信双方使用这两根线，A在向B发送数据的同时，B也可以通过另一个线向A发数据；

  • 半双工方式，再A和B双方之间只存在一根通信线，利用这根线，通信双方可以互相发送数据，分时复用，也就是说同一时间只能有一方发送，另一方接收；

  • 同步和异步比较，同步会比异步多一根时钟线，用来实现同步的功能。

下面介绍一下51单片机里的UART。

51单片机里的UART

在这里插入图片描述

STC89C52里只集成了一个UART

在这里插入图片描述

上图是其电路图，上图中的TXD和RXD就分别连接到单片机上的RXD和TXD；也就是下图的11和10口：

在这里插入图片描述

这些其实单片机开发板已经帮我们焊好了，所以将USB插到电脑上就可以进行通信了。

串口参数和时序图

在这里插入图片描述

检验位：用于检验发送数据的正确性；一般的方法有，奇偶校验（校验发送的数据和接收的数据里的1的个数是奇数还是偶数）；

串口模式图

在这里插入图片描述

上图解释了在串口内部，数据是如何进行收发的；

上图虚线右边的部分都是单片机内部的电路；

其中最左边的双向箭头表示单片机的总线；T1溢出率部分是时钟；

除此之外还有两个寄存器SBUF（串口数据缓存寄存器），这两个寄存器都叫SBUR，且拥有相同的地址；上面的为写SBUF，MCU向该寄存器写入数据，并通过TXD发送出去；下面的为读SBUF，通过RXD接收数据，然后MCU读取该寄存器中的数据。

串口和中断系统

在这里插入图片描述

串口相关寄存器

在这里插入图片描述

1.2 本节目标

1.2.1 目标1：单片机通过串口向个人电脑发送数据

具体的为，单片机每隔1s，向电脑发送一次递增的数据；如下图所示：
在这里插入图片描述

1.2.2 目标2：电脑通过串口控制LED

电脑通过串口向单片机发送数据，进而控制LED的状态，例如当发送1时，第一个LED点亮
在这里插入图片描述

当发送0时，第一个LED熄灭，同时单片机会将收到的信息原封不动发回给电脑

在这里插入图片描述

当发送十进制的55时（对应的16进制是0101 0101），所以LED等也按照0101 0101的方式点亮；

在这里插入图片描述

当发送十六进制的aa给单片机时，也会按照对应的顺序点亮LED，如下图所示：

在这里插入图片描述

二、串口向电脑发送数据

代码路径：51单片机入门教程资料\课件及程序源码\程序源码\KeilProject\8-1 串口向电脑发送数据

具体代码：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "UART.h"

unsigned char Sec;

void main()
{
	UART_Init();			//串口初始化
	while(1)
	{
		UART_SendByte(Sec);	//串口发送一个字节
		Sec++;				//Sec自增
		Delay(1000);		//延时1秒
	}
}

UART.c代码如下：

#include <REGX52.H>

/**
  * @brief  串口初始化，4800bps@12.000MHz
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void UART_Init()
{
	SCON=0x40;
	PCON |= 0x80;
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x20;		//设置定时器模式
	TL1 = 0xF3;		//设定定时初值
	TH1 = 0xF3;		//设定定时器重装值
	ET1 = 0;		//禁止定时器1中断
	TR1 = 1;		//启动定时器1
}

/**
  * @brief  串口发送一个字节数据
  * @param  Byte 要发送的一个字节数据
  * @retval 无
  */
void UART_SendByte(unsigned char Byte)
{
	SBUF=Byte;
	while(TI==0);
	TI=0;
}

代码解释：

UART_Init函数其实就是在对串口相关的寄存器进行初始化配置，也就是对以下八个寄存器进行配置，下面一一解释各个寄存器的配置。
在这里插入图片描述

在UART_Init函数中，各个寄存器为什么会进行以上设置呢？

SCON

首先是SCON寄存器的配置，代码中写的是SCON=0x40;，关于SCON的设置，我们看下手册的内容，如下图所示，SCON由B0-B7 等8位构成，那么每一位分别设置成0还是1，怎么确认呢？
在这里插入图片描述
在上面的内容中有写我们最常用的就是8位UART模式，所以SM0（B7）设置为0，SM1（B6）设置为1；
在这里插入图片描述
从上图可知，
SM2是方式2和方式3用的，我们使用的方式1，所以不用管这个值，直接给0即可。
REN负责控制是否允许接收操作，我们此次是单片机向电脑发送数据，所以不涉及到接收，给0即可；
TB8和RB8也是方式2和方式3用的，我们使用的方式1，所以不用管这个值，直接给0即可；

在这里插入图片描述
对于TI和RI，上图手册中描述的有些难以理解，通俗点解释就是，参考串口模式图，其实就是图中的TI和RI：

在这里插入图片描述
TI和RI都是标志位，当TI等于1时，表示已经发送完成；当RI等于1时表示已经接收完成；当检测到发送完成时，TI必须手动置为0；当检测到接收完成时，RI必须手动置为0；

所以总结一下，在初始化时，SCON的配置如下：
从高到低以此为B7=0，B6=1，B5=0，B4=0，B3=0，B2=0，B1=0，B0=0；
即SCON=0100 0000,也就是SCON=0x40；

SBUF
SBUF是串口数据缓存，在初始化的时候不需要配置。

PCON
在这里插入图片描述
SMOD对应串口模式图中位置如下：
在这里插入图片描述
SMOD控制波特率是否加倍，当SMOD=0时，表示波特率除以2；当SMOD=1时，表示不除以2，也就相当于加倍。

SMOD0表示帧错误检查，如果不需要，配置0即可。

因为是初始化，所以以下几个都可以不用配置。

IE
不配置

IPH
不配置

IP
不配置

SADEN
不配置

SADDR
不配置

至此，串口部分就配置好了，剩下还需要配置定时器的初始化，结合上一节，上一节我们使用的是定时器0，但是串口部分需要定时器1，即将TMOD的高四位设置为1，低四位为0；TMOD &= 0x0F表示先把高四位清空，以便后面对其进行设置。
在这里插入图片描述
另外，在串口模式，定时器要使用双八位自动模式，
在这里插入图片描述

即M1、M0要设置为1、0，即TMOD |= 0x20：

另外TH1和TL1涉及到波特率的设置，如下图所示：
在这里插入图片描述

TL1和TH1的值的设置，我们可以使用STC-ISP里带的波特率计算器生成工具来生成代码，如下进行配置：

在这里插入图片描述
然后拿出其中的TL1和TH1的配置即可。

所以代码如下：

TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
TMOD |= 0x20;		//设置定时器模式
TL1 = 0xF3;		//设定定时初值
TH1 = 0xF3;		//设定定时器重装值
ET1 = 0;		//禁止定时器1中断
TR1 = 1;		//启动定时器1

所以整体的UART_Init函数代码就写好了：

void UART_Init()
{
	SCON=0x40;
	PCON |= 0x80;
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x20;		//设置定时器模式
	TL1 = 0xF3;		//设定定时初值
	TH1 = 0xF3;		//设定定时器重装值
	ET1 = 0;		//禁止定时器1中断
	TR1 = 1;		//启动定时器1
}

初始化函数写好后，下面就是串口向电脑发送数据，写一个发送数据的函数，如下：

/**
  * @brief  串口发送一个字节数据
  * @param  Byte 要发送的一个字节数据
  * @retval 无
  */
void UART_SendByte(unsigned char Byte)
{
	SBUF=Byte;
	while(TI==0);
	TI=0;
}

即将Byte赋值给SBUF即可，（SBUF在左边，即给他赋值，此时SBUF就默认是写寄存器了。
前面提到，发送完成之后，TI被置为1，需要我们软件手动置为0，所以当检测到TI为0时，说明发送完了，手动TI=0；

然后将代码写好编译后，下载到单片机，打开STC-ISP软件中的串口助手，点击打开串口，按下单片机的复位键，即可发现单片机在向电脑从0开始递增发数据，即目标1的效果；（这里需要注意，因为我们代码中写的波特率是4800，所以串口助手中一定要选择波特率为4800，即约定好波特率，否则数据会发送错误，如下图进行设置）
在这里插入图片描述

三、电脑通过串口控制LED

代码路径：51单片机入门教程资料\课件及程序源码\程序源码\KeilProject\8-2 电脑通过串口控制LED

具体代码如下：

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "UART.h"

void main()
{
	UART_Init();		//串口初始化
	while(1)
	{
		
	}
}

void UART_Routine() interrupt 4
{
	if(RI==1)					//如果接收标志位为1，接收到了数据
	{
		P2=~SBUF;				//读取数据，取反后输出到LED
		UART_SendByte(SBUF);	//将受到的数据发回串口
		RI=0;					//接收标志位清0
	}
}

这里需要注意的是，接收函数设置为了中断触发模式，即void UART_Routine() interrupt 4；
为什么是 interrupt 4呢？因为 interrupt 4表示串口的中断函数：
在这里插入图片描述

所以相较于上一节，需要多配置中断模式；如下，初始化时，EA=1，表示启动所有中断；ES=1，表示启动串口中断：

/**
  * @brief  串口初始化，4800bps@12.000MHz
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void UART_Init()
{
	SCON=0x50;
	PCON |= 0x80;
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x20;		//设置定时器模式
	TL1 = 0xF3;		//设定定时初值
	TH1 = 0xF3;		//设定定时器重装值
	ET1 = 0;		//禁止定时器1中断
	TR1 = 1;		//启动定时器1
	EA=1;
	ES=1;
}

在中断处理函数中：

void UART_Routine() interrupt 4
{
	if(RI==1)					//如果接收标志位为1，接收到了数据
	{
		P2=~SBUF;				//读取数据，取反后输出到LED
		UART_SendByte(SBUF);	//将受到的数据发回串口
		RI=0;					//接收标志位清0
	}
}

RI==1表示如果是接收到了信息，因为RI是接收的标志位，当RI等于1时，说明已经成功接收到了数据（判断RI=1的目的是一定要保证这是接收数据触发的中断，因为发送数据也会触发该中断，从以下串口和中断系统图中可以看出，发送和接收是共用同一个中断的，所以一定要进行判断）。
在这里插入图片描述

下一步P2=~SBUF;表示将接收到的数据赋值给P2，此时SBUF在右边，说明是读取SBUF的值，此时SBUF就表示读SBUF了。后面RI=0，是表示读取到数据后，需要软件手动将RI置为0；

其他的代码，跟第二节的代码基本一致。不再详细讲解。

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