单片机与PC机串行通信系统设计Word文档格式.docx
《单片机与PC机串行通信系统设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机与PC机串行通信系统设计Word文档格式.docx（53页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
AT89C51TestPlate
第１章绪论
1.1单片机串行通信原理与实现方法
在各种单片机应用系统的设计中，如智能仪器仪表、各类手持设备、GPS接收器等，常常遇到计算机与外界的信息交换，即通讯。
通信的基本方式可分为并行通信与串行通信两种。
并行通信是将组成数据的各位同时传送，并通过并行门（如P1口等）来实现。
在并行通信中，数据传送线的根数与传送的数据位数相等，传送数据速度快，但所占用的传输线位数多。
因此并行通信适合短距离通信。
串行通信是指数据一位一位地按顺序传送。
串行通信通过串行口来实现。
在全双工的串行通信中，仅需要一根发送线和一根接收线，串行通信可大大节省传送线路的成本，但数据传送速度慢。
因此，串行通信适合于远距离通信。
目前，在许多单片机应用系统中，上、下位机分工明确，作为下位机核心器件的单片机往往只负责数据的采集和通信，而上位机通常以基于图形界面的Windows系统为操作平台，为便于查询和保存数据，还需要数据库的支持，如在测控系统中使用SQLServer数据库。
现阶段这种应用的核心便是数据通信，它包括单片机和上位机之间、客户端和服务器之间以及客户端和客户端之间的通信，而在单片机和上位机之间的数据通信则是整个系统的基础。
单片机和PC的通信是通过单片机的串口和PC机之间的硬件连接实现。
鉴于PC机具有强大的监控和管理功能，单片机则具有快速以及容易控制的特点，在数据量不大、传输要求不高的情况下，一般都采用给PC机配置的RS-232标准串行接口COM1、COM2等相连接来实现应用系统与PC机之间的数据交换。
1.2单片机系统设计方法
一个完整的单片机系统的设计是相当复杂。
硬件设计方面，设计者不仅要对微机系统本身设计，还要根据具体的应用添加外围设备的接口电路和驱动电路。
软件设计方面，则需要根据具体硬件结构来实现单片机系统的功能。
在实际的应用中，由于应用环境不同，开发者还应当考虑到温度、功率、产品体积、可靠性、抗干扰性、实时性等众多问题，并提供硬件的或软件的解决方案，以保证最终产品的可靠性，其复杂程度远比通常所说的微机系统更高。
单片机应用系统的设计应按照以下几个步骤来进行。
1.总体方案设计
设计者需要考虑实际应用环境的需要，确定系统的整体设计方案。
首先进行可行性分析。
其次是对系统中的核心—单片机的选型，这涉及到应用系统本身对数据处理能力的要求，以及是否有其他方面的特殊需要（低功耗、工作温度、接口电路），如果产品需要成批生产，还要考虑市场供应和系统成本等方面的问题。
最后对系统各项功能的划分，确认软件和硬件的分工问题。
经过这一阶段的设计，设计者应该已经有比较成型的系统设计框架，对软硬件系统的分工有较明确的方案。
此时，可以开始进行系统的硬件设计工作了。
2.系统硬件设计
系统硬件设计阶段，设计者需要对各个模块的硬件部分进行具体设计。
这部分包括单片系统的设计，外围功能模块的选择，i/o口的分配，单片机与外围模块，单片机与单片机之间通信线路的选择，模拟输入/输出通道电路设计等方面。
当具体的硬件系统功能框图完成后，可以绘制电路的原理图，同时设计者还要对电路设计进行进一步的验证。
完成电路原理图的绘制后，还需要使用PROTEL等工具软件绘制硬件系统的PCB版图，然后的工作是将绘制完成的PCB版图交给电路板制造厂商，进行电路板的制作。
3.系统软件设计
一个完整的单片机系统只有硬件还不能工作，必须有软件来控制整个系统的运行。
单片机系统的软件设计主要使用汇编语言或C51语言。
单片机的软件部分，主要任务包括系统的初始化、各模块参数的设置、中断请求管理、定时器管理、外围模块读写、功能算法实现、可靠性和抗干扰设计等方面。
软件的设计可以分两个阶段。
首先，在等待电路板制作期间，设计者可以按照最初的设计思路完成部分的软件设计工作。
随后当硬件部分的制作完成后，设计者还需要根据硬件将事先完成的软件部分的各个模块进行组合和调整。
4.系统调试
电路板制作完成后，设计者需要按照PCB板的绘制图焊接各个元件，同时检测硬件方面的设计错误。
发现问题后，如果能够补救，可以使用飞线等手段修改硬件设计，如果出现无法解决的错误，就只能推倒整个硬件设计，重新进行PCB版图的绘制等工作了。
在对硬件系统进行必要的测试后，可以使用仿真器或干脆将完成的软件部分程序烧写到硬件系统的ROM中进行系统功能的测试。
对可能出现的问题，需要从软件和硬件两个方面考虑，这一阶段需要大量的测试程序对系统等各个部分进行分别的测试，才能找到问题的所在。
当软件和硬件能够很好地配合，完成预定的功能后，并不意味着单片机设计的功能已经完成，设计者还要对系统进行全面的测试，保证系统在绝大多数情况下都可以正常的工作。
当这一切都完成后，设计者还应该将产品本身放到实际的工作环境中进行测试，这时往往会暴露出很多原先没有考虑到的问题。
5.系统完善与升级
产品设计达到预期要求后，设计者还需要最后对整个产品进行进一步的优化和组合，并在可允许的情况下为系统预留升级的接口。
当所有步骤完成后，设计者可以宣布产品设计的结束，进入产品的工业生产阶段。
完整的单片机系统设计流程如图1-1。
图1-1单片机系统设计流程
1.3本次设计的工作任务
标准的51单片机都有一个全双工串行通信接口，利用这个通信接口，我们可以方便地与其它单片机系统或电脑（PC机）进行串行通信，相互交换数据。
在微机测控系统中，一般称计算机为上位机、而前端采集控制的单片机系统称为下位机。
上位机主要负责所有测控数据的综合管理与下位机的调度控制，而下位机由单片机构成前端的测控系统，进行原始数据的采集及设备的控制，下位机受上位机的管理控制。
串口对单片机意义重大，不但可以将单片机采集的实时数据传输到电脑上，而且也能接受电脑对单片机的控制指令，实现对单片机的智能化控制，从而开发出以计算机为控制中心的数据采集监控自动化控制系统，这样不仅拓宽了单片机的应用领域，而且使我们的控制系统、监控系统可以充分利用计算机强大的数据处理能力和管理功能，使系统功能更加完善、更加强大、更加完美。
基于此目的，进行单片机与PC机串行通信系统设计，本次设计的主要工作：
（1）单片机系统：
实现和PC通信的串口通信的方法。
（2）外围电路：
实现单片机和PC机之间的串口电平转换。
（3）通信程序：
一方面是单片机汇编程序，另一方面是PC的通信程序。
第２章总体方案设计
按照单片机系统的设计方法，这一阶段，我需要考察实际应用环境的需要，确定单片机与PC机串行通信系统的整体设计方案。
它包括系统的可行性分析、功能分析、单片机选型以及系统硬软件的分工问题。
2.1可行性分析
这次设计是我的毕业设计任务，在指导老师的指导下和搜集、查阅相关资料、确定单片机系统能达到需要的设计目标，而且达到目标需要的经济成本没有超出可接收的范围。
2.2系统功能分析
单片机以其体积小、价格低、抗干扰性好等特点，在现在控制系统中常用在操作现场进行数据采集，以及实现现场控制中。
但是由于其数据存储容量和数据处理能力都较低，所以一般情况下要通过通信手段使它与PC机相连，把所采集到的数据传送到PC机上，再在PC机上进行数据处理，充分发挥两者各自的优势。
由于单片机输入、输出电平是TTL电平，而PC机配置的是RS—232标准串行接口，两者的电气规范不一致，因此要完成单片机与PC机的数据通信，必须对单片机输出的TTL电平进行电平转换。
单片机和PC的串口通信原理方案如图2-1所示。
图2-1串口通信原理方案
2.3单片机选型
单片机的选型的依据为，应用系统本身对数据处理能力的要求，以及是否有其他方面的特殊需要（低功耗、工作温度、接口电路）的原则来确定。
在此，本人选择Intel公司的MCS-51系列单片机中的8051单片机。
MCS-51系列的单片机是Intel公司在1980年推出的8位机系列，8051为这一系列的代表产品。
8051单片机内部包括8位CPU、4KB片内ROM、128KB片内RAM、4个8位并口、一个全双工的串口，支持64KB寻址空间，并提供5个中断源和两级中断。
其性能指标如表2-1。
表2-1MCS-51系列单片机8051的性能指标
单片机
片内ROM（KB）
片内ROM
（KB）
I/O并口
计
数
器
串行口
DMA
A/D
中断源
空闲和掉电方式
类型
型号
ROM
8051
4
128
2
16
UART
无
5
以上我选用的单片机的种类和型号，取决于对该类型号的熟悉程度以及手头所具备开发系统的条件。
而在第六章我用单片机实验板对系统软件进行调试所用到的单片机是STC89C52RC，其特点是可以直接用串口进行ISP编程，对于使用就变得很简单了，我在这里作一个说明。
2.4系统硬软件的功能设计
对系统的各项功能进行划分，确定软件和硬件的分工问题，根据图2-1单片机和PC的串口通信原理方案，实现该方案需要从通信协议（串行通信总线标准接口）、硬件电路和程序3个方面考虑。
1.通信协议
标准接口，就是明确定义若干信号线，使接口电路标准化、通用化，借助串行通信标准接口，不同类型的数据通信设备很容易实现它们之间的串行通信连接。
标准异步串行通信接口有以下几类：
RS-232C、RS-232E、RS-449、20mA电流环、USB通用接口。
根据协议的广泛性和此次设计为短距离通信，并且PC机配置的是RS—232标准串行接口等条件。
标准接口即通信协议采用基本的RS-232，但是在具体运用上可以根据实际的需要进行变化。
例如，当对传输的数据要求不高时，可以采用无奇偶检验的10位数据，而需要数据稳定性时，可以采用软件握手的方法。
根据单片机对串口的使用还有初始化串口的要求，其通信协议也需要结合单片机的信号和在实际使用中的通信方式而定。
2.硬件电路
如图2-1所示，数据通信的硬件上采用3线制，将单片机和PC串口的3个引脚（TXD、RXD、GND）分别连在一起，即将PC机和单片机的发送数据线TXD与接收数据线RXD交叉连接，两者的地线GND直接相连，而其他信号线如握手信号线均不用，采用软件握手的方式。
这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计。
但由于单片机的TTL逻辑电平和RS-232的电气特性完全不同，RS-232的逻辑0电平规定为+5~+15V之间，逻辑1电平为-5~-15V之间，因此在将PC机和单片机的TXD和RXD交叉连接时必须进行电平转换，这里我选用的是MAX232电平转换芯片。
3.传输程序
单片机和PC的通信，在程序上涉及两个部分的内容：
一方面是单片机的C51程序或者汇编程序，完成数据的收发。
二是PC机的串口通信程序和界面的编制。
2.5本章小结
经过这一阶段的设计，已经有比较成型的系统设计框架，对软硬件系统的分工有较明确的方案。
现在总结如下：
1.确定单片机与PC机串行数据通信系统的通信方案，如图2-1；
2.选择Intel公司的MCS-51系列单片机中的8051,实验板对系统软件进行调试所用到的单片机是STC89C52RC；
3.串行通信总线标准接口采用RS-232C；
4.串行数据通信的硬件上采用3线制，选用的是MAX232芯片进行单片机与RS-232接口的电平转换；
5.单片机端用C51程序或者汇编程序进行编程，完成数据的收发，PC机端完成串口通信程序和界面的编制。
第３章系统硬件设计
在这一阶段本人将对各个模块的硬件部分进行具体设计。
这部分包括单片机系统的设计，外围功能模块的选择，I/O口的分配，单片机与PC机之间通信线路的选择及相互间串口的电平转换电路的设计。
3.1单片机系统设计
3.1.1单片机基本概念
单片机是微型计算机的一种，它在一块芯片上集成了计算机的所有基本功能部件，包括中央处理器CPU，随机读写储存器RAM，只读储存器ROM，I/O接口电路，定时/计数器和串行通信接口电路等。
因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相组合，就可以成为一个完整的单片机控制系统。
单片机的组成结构如图3-1。
图3-1单片机的组成结构
普通单片机的功能，从功能上与微机系统类似，但由于应用领域和实际需要的不同，单片机与普通的微机在具体构造上也有着一定的区别，区别有以下几点：
（1）普通微机的CPU主要面向数据处理，因此其发展主要集中在提高CPU的数据处理能力、计算速度和精度上。
如今微机中的CPU均支持浮点运算，使用流水线作业、多级高速缓冲（CACHE）等技术。
CPU的主频达到2~3ghz以上，字长普遍为32位。
单片机主要面向智能控制、实时数据，在这些方面，对数据处理能力要求比较简单，因此与微机相比，单片机多数仍不支持浮点运算、CPU使用串行工作方式、频率多小于100mhz。
在中、小规模的应用相对较少，但随着新技术的发展，但随着新技术的发展，32位机的应用会愈加广泛。
（2）通用微机中存储器的组织结构主要用于大容量的内存处理和提高CPU对数据的存储速度。
现今微机的内存容量达到了数百兆字节（MB），存储体系多采用多体、并读技术和段、页等管理模式，使用专门对MMU进行内存管理。
单片机存储器组织结构相对简单，存储器直接与单片机总线相连，CPU使用直接物理地址寻址存储单元，存储空间一般在64kb以下。
（3）通用微机I/O接口考虑到标准外设接入的需要，使用标准总线连接，提供对标准设备的既插即用。
单片机应用系统得外设根据需要的不同，种类多种多样，标准千差万别，其I/O口仅向用户提供外设连接的物理接口。
用户需要根据具体的外设状况设计具体的街口电路。
虽然单片机内部有CPU、ROM、I/O接口、定时器等，但在实际设计任务中，仍需要扩展若干接口电路。
以下为单片机的时钟电路设计和复位电路设计。
3.1.2时钟电路设计
时钟是单片机的心脏，各部分都以时钟频率为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。
因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用时钟电路设计方式有内部时钟和外部时钟两种。
在此次设计我设计的时钟电路为内部时钟电路。
内部时钟电路是利用8051内部一个高增益的反相放大器，把一个晶振体和两个电容器组成自激振荡电路，接于XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）之间。
这样振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路，如图3-2所示。
图3-28051单片机内部时钟电路
时钟电路所需电器元件的选择，晶振体是石英晶体，一般频率在1.2～12MHz之间，故选12MHz。
电容器C1与C2在20pF左右。
XTAL1和XTAL2为单片机的19、18引脚。
3.1.3复位电路设计
单片机在启动或断电后，程序需要从头开始执行，机器内全部寄存器、I/O接口等都必须重新复位。
复位方式有自动复位和手动复位两种。
当8051单片机的ALE及
两引脚输出高电平，RST引脚高电平到时，单片机复位。
RST/VPD端的高电平直接由上电瞬间产生则为上电复位，若通过按动按钮产生高电平复位称为手动复位。
我设计一个简单的上电复位和按钮复位电路，如图3-3。
上电时，刚接通电源、电容C相当于瞬间短路，VCC+5V立刻加到了RST/VPD端，该高电平使8051全机复位。
若运行过程中，需要程序从头执行，只需按动按钮RESET即可。
按下A，则直接把+5V加到了RST/VPD端从而复位，这称为手动复位，显然，该电路即可上电复位又能手动复位。
图3-3上电复位和按钮复位电路
上电复位和按钮复位电路所需电器元件的选择，按钮一个，电阻R1为200
，R2为1K
，电容22
。
Vcc电源为+5V。
3.1.4单片机串口波特率发生器的选择
1.串口基本结构的认识
单片机的串行口的功能是与外部器件进行串行数据通信。
串行口电路也称为通用异步收发器（UART）。
从原理上说，一个UART包括发送器电路、接收器电路和控制电路。
8051单片机的UART已集成在其中，构成一个全双工串口，全双工通信是指同时可以作双向通信，两个即可同时发送、接收，又可同时接收、发送。
其示意图如图3-4所示。
这个口即可以实现串
升级会员 