双机通信系统单片机课程设计.docx

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双机通信系统单片机课程设计

设计概况

要构成一个较大规模的控制系统，常常需要采用多机控制实现，而AT89C51单片机有一个异步通信方式的全双工串行接口，可以方便地构成双机、多机系统。

而串行通信也成为单片机与单片机、单片机与上位机之间进行数据传输的主要方式，是一种适用于远距离通信的数据传输方式。

串行通信是单片机的一个重要应用。

本次课程设计就是要利用单片机来完成一个系统，实现双片单片机串行通信。

通信的结果实用数码管进行显示，数码管采用查表方式显示。

两个单片机之间采用RS232进行双机通信。

在通信过程中，使用通信协议进行通信。

关键词：

单片机；串行通信；接口

1总体设计

1.1设计要求

设计一个单片机双机通信系统，单片机A接1个8位按键开关，单片机B接8个发光二极管，通过串行通信实现由A机拨码开关控制B机发光二极管的亮灭。

1.2设计方案

本次设计，对于两片AT89C51，采用RS-232进行双机通信。

如图1所示，发送方的数据由串行口TXD段输出，经过电平转换芯片MAX232将TTL电平转换为RS-232电平输出，经过传输线将信号传送到接收端。

接收方也使用MAX232芯片进行电平转换后，信号到达接收方串行口的接收端。

接收方接收后，在LED二极管上显示接收的对应信息。

图1双机通信系统原理框图

软件部分，通过通信协议进行发送接收，发送机先送联络信号给接收机，当接收机接收到联络信号后，向发送机回答一个应答信号，表示同意接收。

发送机收到应答信号后开始发送数据，每发送一个数据块字节都要计算“校验和”，假定数据长度为16个字节，起始地址为40H，一个数据块发送完毕后立即发送“校验和”。

接收机接收数据并存入数据缓冲区起始地址也为40H，每接收到一个数据字节便计算一次“校验和”，当接收到一个数据块后，在接受发送机发来的“校验和”，并将它与接收机计算的校验和进行比较。

若二者相等，说明接受正确，接收机回答00H，发送机结束发送；若二者不等，说明接受不正确，接收机回答0FFH，请求重发，发送机重新发送数据一次。

接收机接收到数据后通过发光二极管LED显示发送机的发送状态。

2双机通信硬件设计

2.1AT89C51简介

AT89C51是一个带有4k字节存储器的单片机，它具有128字节内部RAM；32个I/O口线和；两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

如图2所示，DIP40封装的AT89C51的各个引脚及其功能。

图2AT89C51单片机引脚封装

AT89C51单片机各个引脚功能如下：

（1）电源几时钟引脚

•VCC（40号引脚）：

电源接入引脚

•VSS（20号引脚）：

接地引脚

•XTAL1（19号引脚）：

晶振接入的一个引脚

•XTAL2（18号引脚）：

晶振接入的另一个引脚

（2）控制线引脚

•RST/VPD（9号引脚）：

复位信号输入引脚/备用电源输入引脚

•ALE/

（30号引脚）：

地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引

•

（31号引脚）：

内外存储器选择引脚/片内EPROM编程电压输入引脚

•

（29号引脚）：

外部程序存储器选通信号输出引脚

（3）I/O引脚

·P0.0—P0.7（39—32号引脚）：

一般I/O口引脚/低位地址总线引脚

·P1.0—P1.7（1—8号引脚）：

一般I/O口引脚

·P2.0—P2.7（21—28号引脚）：

一般I/O口引脚/高位地址总线引脚

·P3.0—P3.7（10—17号引脚）：

一般I/O口引脚或第二功能引脚

P3.0（10号引脚）：

RXD串行口输入

P3.1（11号引脚）：

TXD串行口输出

P3.2（12号引脚）：

外部中断0输入

P3.3（13号引脚）：

外部中断1输入

P3.4（14号引脚）：

T0定时器0的外部输入

P3.5（15号引脚）：

T1定时器1的外部输入

P3.6（16号引脚）：

片外数据存储器“写”选通控制输出

P3.7（17号引脚）：

片外数据存储器“读”选通控制输出

2.2AT89C51串行口的工作方式

AT89C51的串行口是一个可编程全双工的通信接口，具有通信异步接受和发送的全部功能，能同时进行数据的接收和发送，也可作为同步移位寄存器使用。

AT89C51的串行口主要由两个独立的串行数据缓冲寄存器SBUF（一个发送缓冲寄存器，一个接收缓冲寄存器），串行口控制寄存器、输入移位寄存器及若干控制门电路组成。

（1）串行口数据缓冲寄存器SBUF

AT89C51可以通过特殊功能寄存器SBUF的读写操作，实现对串行接收或串行发送寄存器的访问，串行接收和串行发送寄存器在串行口内部是两个独立的存储单元，共用同一个地址99H。

串行口数据传送使用的是内部数据传送指令“MOVA,SBUF”或“MOVSBUF,A”.当执行写操作时，访问串行发送寄存器；当执行读操作时，访问串行接收寄存器。

（2）串行口控制寄存器SCON

AT89C51串行口工作的设定、接收与发送控制的设置都是通过对串行口控制寄存器SCON的编程确定的。

SCON是一个特殊功能寄存器，其地址为98H，可位寻址，其各位的作用定义如下：

表2控制寄存器SCON

9FH

9EH

9DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

SCON（98H）

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

SM0、SM1：

串行口工作方式选择位，工作方式选择如表2所示。

其中

是晶体振荡器的频率。

SM2：

多机通信控制位。

在方式0下，SM2应为0；在方式1下，如果SM2=0，则只有收到有效的停止位时才会激活RI；在方式2和方式3下，如置SM2=1则只有收到第9位数据为1时，RI被激活（RI=1，申请中断，要求CPU取走数据）。

REN:

允许接收控制位。

由软件置位或清零。

REN=1，允许接收；REN=0，禁止接收。

TB8：

在方式2和方式3下，存放要发送的第9位数据，常用作奇偶校验位。

在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，若为地址帧，TB8=1;

若为数据帧，TB8=0。

RB8：

在方式2和方式3下，存放接收到的第9位数据；在方式1下，如SM2=0，则该位为接收到的停止位；方式0不用此位。

TI:

发送中断标志。

在方式0下，发送完第8位数据位时，由硬件置位；在其他方式下，当开始发送停止位时，由硬件将TI置位，即是向CPU申请中断，CPU可以发送下一帧数据。

在任何方式下，TI必须由软件清零。

RI：

接收中断标志。

在方式0下，接收完第8位数据时，由硬件置位；在其他方式下，当接收到停止位时RI置位，即申请中断，要求CPU取走数据。

它必须由软件清零。

表3串行口工作方式选择

SM0

SM1

方式

功能

波特率

SM0

SM1

方式

功能

波特率

同步移位寄存器

/12

11位UART

/16或

/32

10位UART

可变

11位UART

可变

本设计发送机串行口的工作方式为方式1，即控制寄存器SCON中内容如下：

表4发送机控制寄存器SCON

9FH

9EH

9DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

SCON（98H）

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

接收机的串行口的工作方式为方式1，即控制寄存器SCON中内容如下：

表5接收机控制寄存器SCON

9FH

9EH

9DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

SCON（98H）

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

串口以方式1发送，由CPU执行一条写发送寄存器指令“MOVSBUF,A”,就可将数据位逐一由TXD端发送。

当发送一帧数据后，将TI置1。

串口以方式1接受，需控制SMOD中的REN为1（SMOD为特殊功能寄存器PCON的最高位），此时对RXD引脚进行采样，当采样到起始位置有效时，开始接收数据。

当一帧数据接收完毕，且RI=0，SM2=0或接收到RB8=1时，接收数据有效，此时可利用读接收寄存器指令“MOVA,SBUF”将数据送入CPU。

同时将RI置1。

若要再次发送或接收数据，必须将TI、RI清零。

（3）波特率的计算

根据表2可知串口工作方式方式1时一帧数据为10位（8位数据位，起始位、停止位各1位）。

其传输波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。

波特率=

当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR=1，以启动定时器）。

这时溢出率取决于TH1中的计数值。

在单片机的应用中，常用的晶振频率

为：

12MHz和11.0592MHz。

在本设计中晶振频率采用

=11,。

0592MHz。

即波特率为

波特率=

2.3晶振电路设计

AT89C51单片机内部有一震荡电路，只要在单片机的XTL1（19号）和XTAL2（18号）引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。

如图3所示，图中电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值为5～30pF,典型值为30pF，本设计取30pF。

晶振CYS的振荡频率范围为1.2MHz～12MHz，典型值为12MHz和6MHz，本设计取12MHz。

图3晶振电路

2.4复位电路设计

AT89C51单片机的RST（9号）引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。

在实际中AT89C51通常有两种操作方式复位，一种是上电复位；另一种是按键上电复位。

在双机通信系统的设计中使用按键上电复位，如图4所示。

图4复位电路

单片机复位后进入初始化状态。

初始化后，程序计数器PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行。

单片机启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。

特殊功能寄存器复位后的状态是确定的。

P0～P3为FFH，SP为07H，SBUF不定，IP、IE和PCON的有效位为0，其余的特殊功能寄存器的状态均为00H。

2.5接口电路的设计

（1）直接通信

单片机与单片机进行双击串行通行时，可将两个单片机的串口直接连接，接线图如图5所示，这种接线传输距离短，抗干扰能力差。

图5直接通信接线图

（2）串口通信

单片机与单片机进行双击串行通行时，AT89C51串行接口的信号电平为TTL类型，抗干扰性差、传输距离短。

为了提高串行通信的靠抗性，延长通信距离，一般设计采用标准的串行接口。

RS-232C接口是1969年EIA推出的串行通信标准，目前是PC机与通信工业中应用最广的一种串行接口。

数据传输速率在0～20kbps范围内的通信，最大传输距离可达15m，能实现一发一收通信，目前常用的RS—232C接口连接器有9针串口（DB—9）和25针串口（DB—25）。

最常用的的是DB—9，常采用三线制接法，即发送数据线、接受数据线和接地线三脚相连。

传输线采用屏蔽双绞线，如图6所示。

图6DB—9三线制接法

RS—232C信号的电平与单片机串口信号的电平不一致，二者之间必须进行电平转换。

使用电平转换芯片MAX232就可以实现RS232C/TTL电平的双向转换。

MAX232芯片使用单一的+5V电源供电，配接5个1uF电解电容即可完成RS232C电平的TTL电平之间的转换，其电路接线图如图7所示。

图7MAX232电平转换芯片电路接线图

表6DB—9常用信号引脚说明

DB—9引脚

信号名称

符号

功能

载波检测

DCD

接收远程载波

接收数据

RXD

接受串行数据

发送数据

TXD

发送串行数据

数据准备就绪

DTR

准备就绪

信号的

SGND

信号公共地

数据准备就绪

DSR

准备就绪

发送请求

RTS

请求将线路切换到发送发式

允许发送

CTS

线路已接通，可以发送数据

振铃指示

数据通信接通，终端设备被呼叫

2.6输入输出电路设计

P1口是AT89C51单片机的唯一的单功能口，仅能用作数据输入/输出口。

P1口的位结构如图8所示

图8P1口的位结构

由图8可知，P1口由一个输出锁存器，两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。

内部设有上拉电阻。

P1口是通用的准双向I/O口。

输出高电平时，能向外提供拉电流负载，不必再接上拉电阻。

当口用于输入时，须向口锁存器写入“1”。

输入低电平有效。

因此其输入电路如图9，输出电路图10：

图9发送机输入电路

图10接收机输出电路

3双机通信软件设计

通过通信协议进行发送接收。

发送机先送联络信号给接收机，当接收机接收到联络信号后，向发送机回答一个应答信号，表示同意接收。

若二者相等，说明接受正确，接收机回答00H，发送机结束发送；若二者不等，说明接受不正确，接收机回答0FFH，请求重发，发送机重新发送数据一次。

接收机接收到数据后通过发光二极管显示发送机的发送状态。

3.1串行通信软件实现

（1）串行口工作于方式1；用定时器1产生9600bit/s的波特率。

（2）功能:

将本机ROM中数码表TAB[16]中的16个数发送到从机,并保存在从机内部ROM中，从机收到这16个数据后送到一个数码管循环显示。

（3）通信协议:

发送机首先发送连络信号（E1H）,接收机接收到之后返回一个连络信号（E2H）表示从机已准备好接收。

通信过程使用第九位发送奇偶校验位。

接收机接收到一个数据后，立即进行奇偶校验，若数据没有错误，则返回00H，否则返回FFH。

发送机发送一个数据后，等待接收机返回数据；若为00H，则继续发送下一个数据，若为FFH，则重新发送数据。

3.2串行通信程序流程

（1）发送机程序流程

根据通信协议发送机需向接收机发送联络信号“E1”,当接收到应答信号后，发送机发送数据，发送数据完毕后将校验和发送至接收机，接收机进行校验如果正确等待下一次发送；如果错误重新发送数据。

其流程图如下：

图10发送流程图

（2）接收机程序流程

根据通信协议，接收机等待发送机发出的联络信号“E1”并向发送机发送应答信号“E2”,当接收1个数据字节后求检验和，发送机在发送完一个数据块后将发送机计算的校验和发送至接收机，接收机将两个校验和进行比较，如果正确等待下一次接收；如果错误则发送出错标志重新发送数据。

其流程图如下：

图11接收机流程图

3.3程序清单

基于AT89C51单片机双机通信时，串行输入输出可直接进行连接，实现双机通信。

这样连接方式，传输距离短，抗干扰能力弱，但容易实现，其接线和程序较为简单,其程序如下：

（1）发送机程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORGO1OOH

MAIN:

MOVSP,#6OH

MOVSCON,#40H

MOVTMOD,#20H

MOVTH1,#0FDH

MOVTL1,#0FDH

SETBTR1

MOVP1,#0FFH

MOV30H,#0FFH

K0:

MOVA,P1

CJNEA,30H,KI

SJMPK0

KI:

MOV30H,A

MOVSBUF,A

SJMPK0

WAIT:

JBCT1,K0

SJMPWAIT

END

（2）接收机程序

ORG0000H

AJMPMAIN

ORGO1OOH

MAIN:

MOVSP,#6OH

MOVSCON,#50H

MOVTMOD,#20H

MOVTH1,#0FDH

MOVTL1,#0FDH

SETBTR1

MOVP1,#0FFH

K0:

JBRI,KK

SJMPK0

KK:

MOVA,SBUF

MOVP1,A

CLRRI

SJMPK0

END

发送机与接收机也可以经过串口进行通信，这种通信方式较上一种方式提高通信距离，抗干扰能力强，传输稳定，但其接线复杂，程序比较繁琐。

其程序如下：

（1）发送程序清单

ASTRT:

CLREA

MOVTMOD,#20H；定时器1置为方式2

MOVTH1,#0F4H；装在定时器初值，波特率为2400

MOVTL1,#0F4H

MOVPCON,#00H

SETBTR1

MOVSCON,#50H;设定串行口方式1，且准备接受应答信号

ALOOP1：

MOVSBUF,#0E1H;发送联络信号

JNBTI，$;等待一帧发送完毕

CLBTI;允许在发送

JNBRI,$;等待接收机的应答信号

CLRRI;允许在接收

MOVA,SBUF;接收机应答后，读至A

XRLA,#0E2;判断接收机是否准备完毕

JNZALOOP1;接收机未准备好，继续联络

ALOOP2:

MOVP1，#0FFH

MOV30H,#0FFH;设定拨码开关初值

MOVR7，#10H;设定数据块长度

MOVR6,#00H;清校验和单元

ALOOP3：

MOVA,P1;读入拨码开关

CJNEA,30H,ALOOP4

SJMPALOOP3

ALOOP4：

MOV30H,A;存入拨码开关新值

MOVSBUF,A;发送一个数据字节

MOVA,R6

ADDA,P1;求校验和

MOVR6，A;保存校验和

INCR0

JNBT1，$

CLBT1

DJNZR7，ALOOP3;整个数据块是否发送完毕

MOVSBUF,R6;发送校验和

JNBTI，$

CLRTI

JNBRI,$;等待接收机应答信号

CLRRI

MOVA,SBUF;接收机应答，读至A

JNZALOOP2;接收机应答错误，转至重新发送

SJMPALOOP3;进入下一循环传送

END

（2）接收程序清单

BSTART:

CLREA

MOVTMOA,#20H

MOVTH1,#0F4H

MOVTL1,#0F4H

MOVPCON,#00H

SETBTR1

MOVSCON,#5OH;设定串行口工作方式1，且准备接收

BLOOP1:

JNBRI,$;等待1号机的联络信号

CLRRI

MOVA,SBUF;收到1号机的信号

XRLA,#0E2H;判断是否为1号机联络信号

JNZBLOOP1;不是1号机联络信号，再等待

MOVSBUF,#0E2H;是1号机联络信号，发应答信号

JNBT1,$

CLRTI

BLOOP2:

MOVR0,#40H;设定数据块地址指针初值

MOVR7,#10H;设定数据块长度初值

MOVR6,#00H;清校验和单元

BLOOP3:

JNBRI,$

CLRRI

MOVA,SBUF

MOV@R0,A;接收数据转储

INCRO

ADDA,R6;求校验和

MOVR6,A

DJNZR7,BLOOP3;判断数据块是否接收完毕

JNBRI,$;完毕，接收1号机发来的校验和

CLRRI

MOVA,SBUF

XRLA,R6;比较校验和

JZEND1

MOVSBUF,#0FFH;校验和相等，跳至发正确标志

JNBTI,#;校验和不相等，发错误标志

CLRTI;转重新接收

SJMPBLOOP2

END1:

MOVSBUF,#00H

RET

4软件仿真

Proteus7Professional是一种低投资的电子设计自动化软件，它可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU。

与KEIL和MPLAB不同的是，它还可以仿真周边的设备。

例如，示波器、RAM、ROM、LED等。

本次设计，通过两片两片AT89C52单片机由8位按键开关分别控制8个指示灯。

具体接线如下；发送电路18、19号引脚连接晶振电路，9号引脚连接复位电路。

1-8号引脚连接8位按键开关。

10、11号引脚连接接收电路单片机的11、10号引脚。

接收电路，18、19号引脚连接晶振电路，9号引脚连接复位电路。

1-8号引脚连接8个指示灯。

图12双机通信仿真图

5硬件连接

左面电路板为发送电路，电路板右侧如图，为电源端，连接5V直流电源，左侧为接地端，8个独立按键分别连接AT89C52的1-8号引脚，9号引脚连接复位电路，复位电路中需要的8.2k电阻由两个10k电阻并联，再串联3.2k电阻组成，电解电容用于复位上电。

18、19号引脚连接晶振电路，两个磁片电容用于快速起振。

晶振需要11.0592MHZ,本设计选择相近的12MHZ。

右面电路板为接收电路，电路板右侧如图，为电源端，连接5V直流电源，左侧为接地端，8个指示灯分别连接接受收AT89C52的1-8号引脚，9号引脚连接复位电路，复位电路中需要的8.2k电阻由两个10k电阻并联，再串联3.2k电阻组成，电解电容用于复位上电。

18、19号引脚连接晶振电路，两个磁片电容用于快速起振。

晶振需要11.0592MHZ,本设计选择相近的12MHZ。

表7硬件元件清单

编号

名称

型号

数量

单片机

AT89C52

按键开关

电阻

10k

电阻

3.2k

磁片电容

30uf

电解电容

10uf

电路板

晶振

12MHZ

RS232

串口

指示灯

排阻

导线

若干

图13双机通信实物图

6设计总结

经过繁忙而又紧张的课程设计，终于顺利的完成了设计任务。

虽然在这段时间里每天都那么繁忙，但是在这忙碌的过程中却得到了许多的收获。

经过课程设计，在查阅资料的过程中，学习了基于单片机的汇编语言程序设计，了解了单片机串行通信的基本知识，对于以后的学习和工作都有很大的益处。

在学习的过程中，也遇到了一些困难，比如开始的时候，由于发送端和接收端的通信协议没有做好

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