51单片机与PC的RS232接口串行通信实现研究大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料文档格式.docx

1、目前串口通信的最大速率，RS-232 是 20Kbps，RS-422/485 是 300Mbps。就距离范围来说，RS-232 通常为 50 英尺，RS-422/485 为 4000 英尺，当然还可以用中继器进行扩展。一个串行局域网的最大设备数量为 32 个，通过中继器这个数值还可以更大，但最大不能超过所用设备的地址限制通常为 256 。多年以来，串行技术与连接设备都得到了很大的发展。串口设备仍有大量应用，设备电缆和软件的大量库存证明了这一点。毫无疑问，串行连接仍然是工商业及医疗应用中的广泛标准。1.2 设计目的和意义 （1）设计目的 串行通信仅仅使用一条数据线，就可以将数据一位一位地依次传输

2、，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，如计算机与计算机、计算机与单片机以及外设之间的远距离通信 （2）设计意义 计算机与计算机或计算机与终端之间的数据传送可以采用串行通讯和并行通讯二种方式。由于串行通讯方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。 在串行通讯时，要求通讯双方都采用一个标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通讯。随着计算机技术尤其是单片微型机技术的发展，人们已越来越多地采用单片机来对一些工业控制系统中如温度、流量和压力等参数进行检测和控制。PC 机具有强大的监控和管理功能，而单片机则具有快速

3、及灵活的控制特点，通过 PC 机的 RS-232 串行接口与外部设备进行通信，是许多测控系统中常用的一种通信解决方案。因此如何实现 PC 机与单片机之间的通讯具有非常重要的现实意义。 二 方案功能详述及论证2.1 方案功能详述2.1.1 总体功能设计 通过编写单片机侧的串口通信程序，设置相应的波特率如 9600b/s。使单片机接收到 PC 机所发送的命令后，收到正确的命令后开始将“天净沙秋思”这篇短文的数据传送到 PC 机。2.1.2 具体功能模块设计 本文论述的单片机与 PC 机串行口通信包括如下功能模块。 （1）单片机系统模块：实现和 PC 机通信的串口通信程序。 （2）外围电路模块：实现

4、单片机和 PC 机之间的串口电平转换。 （3）通信程序模块：一方面是单片机的程序，另一方面是 PC 机的通信程序。2.2 方案论证 本文采取了专用电平转换芯片 MAX232 实现 PC 机与 MCS51 单片机之间的串行通信方法。通过对系统的通信方式选择 89C51 通信波特率的设置，通信的设置，以及对接口电路的软件和硬件的设计分析，展示了该电路的实用信。 系统还通过 （该软件的下载网址是 www.wave-cn “伟福 51 软件仿真器” com）进行编译，本系统的设计和具体实际应用相结合，系统的安全性、可靠性及实用性强，操作简单、扩展功能强，设计具有良好的可行性和可操作性。按照单片机系统的

5、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。2.2.1 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。2.2.2 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

6、 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 RS232 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2.2.3 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

7、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 2-1 MCS-51 系列单片机 8051 的性能指标单片机 片 内 片 内 I/ 计 串 行 DM A/ 中 空闲和掉 ROM ROM O 数 口 A D 断 电方式类型 型号 （KB） （KB） 并 器 源 口ROM 8051 4 128 4 2 16 UART 无 无 5 无 以上我

8、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。2.2.4 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

9、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 RS232 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

10、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515V 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

11、 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。2.2.5 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-2

12、32 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。 此时，可以开始进行系统的硬件设计工作了。 三 系统硬件设计3.1 选用设备和设计总框图 本系统选用 8051（4KB EPROM）单片机一片，MAX232 芯片的 PC 一台、连线若干进行设计。 系统总框图如图 3.1 所示。 图 3.1 系统总框图 从设计方框图中可以看出用此方案设计的系统由电源电路、MAX232 串行接口电路、单片机外围电路、LED 显示电路。 单片机能够接收 PC 机所发送的命令，收到正确的命令后开始将待发送的数据传送到 PC 机。向 PC

13、通信传送一首诗歌或者短文。3.2 串行接口通信硬件线路图 串行接口硬件线路图如图 3.2 所示。 图 3.2 串行接口硬件线路图 本设计的串行通信部分主要是由 MAX232 电平转换电路，其原理是：MAX232芯片把单片机引脚的 COMS 电平（05V）转换为 RS232 电平（-12V 12V），AT89S52 单片机有一个全双工的串行通信口，而 PC 机有一个 RS232 的通信接口。只要用 RS232 D 型 9 针的引脚的双边母头接到 PC 机上，而另一头和 MAX232 相连接，MAX232 的输出再和 AT58S52 相连就可以实现单片机和 PC 机的串行通信1。 AT89S52

14、的串行通信引脚的 TXD 和 RXD 分别接到 MAX232具体连线如上图 3.2 所示，的 T1IN 和 T1OUT 上， 3 MAX232 的 R1OUT 和 R1IN 分别接到 RS232 的 2、 上，RS232的 5 脚接地。MAX232 外围元件只有四个电容，根据 MAX232 的典型应用电路，可取 10F 50V 的电解电容。单片机外围电路由 LED 显示电路、晶振电路组成。3.3 电源电路 电源电路如图 3.3 所示。 U17 1 2 Vin 5V 1 GND T1 LM7805 J4AC220V 4 2 C21 C22 5V D1-D4 3 C23 1 2 TRANS1 0.

15、1F 2200F 47F 3 图 3.3 电源电路 电源电路是整个系统工作的能量来源，主要由变压器、桥式整流电路、滤波电容电路、低功率三端稳压器 LM7805 等组成。上图中我们设计的是系统中所需的5V 的电源。其工作原理是变压器把市电 220V 的交流电降压为低压交流电，通过桥式整流电路把低压交流整流为含有脉动和谐波成份的直流电，再通过滤波电容把其中含有的脉动的交流成份滤出，就成为平缓的直流电，直流电压不够稳定，它再通过三端稳压器 LM7805 把电压稳定在一个基本不变的数值上，LM7805输出的稳定的电压就可以作系统的电源用了。3.4 主要芯片说明3.4.1 单片机 AT89C51 概述:

16、 1MCS-51 单片机的特点 MCS-51 单片机包含中央处理器、程序存储器ROM、数据存储器RAM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，他们的特点： （1）面向控制的 8 位中央处理器（CPU） （2）具有布尔处理（即位处理）能力 （3）64KB 程序存储器空间 （4）64KB 数据存储器空间 （5）4KB 片内程序存储器（EPROM） （6）128B 内部数据存储器（RAM） （7）一组特殊功能寄存器（SFR） （8）32 根双向并可按位寻址的 I/O 口线 （9）2 个 16 位定时器/计数器 （10）5 个中断源两个外中断、两

17、个定时/计数器中断和一个串行中断 （11）一个全双功异步串行口 （12）片内振荡器和时钟电路 2. MCS-51 单片机的结构 下图是 MCS-51 系列单片机的内部结构示意图，如图 3.4 所示。 图 3.4 MCS-51 结构框图 3 MCS-51 的引脚说明： MCS-51 系列单片机中的 8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接DIP 结构，右图是它们的引脚配置，40 个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4 组 8 位共 32 个 I/O 口，中断口线与 P3 口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明： 图 3.5 MCS-51 引脚示

18、意图 （1） 主电源引脚 Vcc 和 Vss VCC（40 脚）: 接5 V 电源正端 VSS（20 脚）: 接5 V 电源地端。 （2）外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1（19 脚）: 接外部石英晶体的一端。 在单片机内部 它是一个反相放大器的输入端 这个放大器构成了片内振荡器。 XTAL2（18 脚）: 接外部晶体的另一端。 在单片机内部 接至片内振荡器的反相放大器的输出端。 （3）RST/VPD（9 脚）: RST 即为 RESET VPD 为备用电源 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。 VPD 是备用电源输入端，当单片机掉电或电源发生波动导致电源电压下降到一定

19、值时，备用电源通过 VPD 端给内部 RAM 供电，保持其中的信息，直至单片机工作电压恢复正常。 （4）ALE 30 脚: 当访问外部存储器时 ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出 用于锁存出现在 P0 口的低 8 位地址， 的功能是8751 等片内含有 ROM 器件的编程脉冲输入端。 （5）/PSEN（29 脚）: 片外程序存储器读选通信号输出端 低电平有效。 （6）/VPP （31 脚）: 为访问外部程序存储器控制信号 低电平有效。 VPP是编程电源输入端。 （7）P0 口（39 脚32 脚）: P0.0P0.7 统称为 P0 口。 （8）P1 口（1 脚8 脚）: P1.

20、0P1.7 统称为 P1 口 可作为准双向 I/O 接口使用。 （9）P2 口（21 脚28 脚）: P2.0P2.7 统称为 P2 口 一般可作为准双向I/O 接口。 （10）P3 口（10 脚17 脚）: P3.0P3.7 统称为 P3 口。 8751 的复位方式可以是自动复位，也可以是按钮复位。如下图 3.5，图 3.5所示。 图 3.6 上电复位电路 图 3.7 按键复位电路 单片机进入复位状态的条件是：在内部振荡器运行时，使复位输入端 RESET至少保持两个机器周期（24 个振荡周期）为高电平，由 CPU 采样复位信号，启动复位时序，完成复位操作。3.4.2 MAX232 芯片简介:

21、 图 3.8 MAX232 芯片结构框图 RS232 接口芯片 MAX232，SOP 封装主要有以下型号：MAX232CSE、MAX232ESE。后缀第一个字母如果为“C” ，代表工业级。 后缀第 ，代表商业级，如果为“E”二个字母带“S”，代表 SOP 封装。 后缀最后一个字母带“”的：表示无铅产品。 特殊说明： 带“A”的 MAX232A，有 MAX232ACSE、MAX232AESE，它们使用的是 0.1uF外部电容，最高速率 200kbps。而 MAX232 使用的是 1uF 外部电容，最高速率120kbps。3.4.3 MAX232 芯片简介: 图 3.9 RS232 接口图 针脚、

22、定义、符号: 1 载波检测 DCD 2 接收数据 RXD 3 发送数据 TXD 4 数据终端准备好 DTR 5 信号地 SG 6 数据准备好 DSR 7 请求发送 RTS 8 清除发送 CTS 9 振铃提示 RI 接口特性: （1）接口的电气特性:在 RS-232C 中任何一条信号线的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”，-5 -15V；逻辑“0” 5 15V 。噪声容限为 2V。即要求接收器能识别低至3V 的信号作为逻辑“0”，高到-3V 的信号作为逻辑“1” （2）接口的物理结构: RS-232-C 接口连接器一般使用型号为 DB25 的 25 芯插头座通常插头在 DCE 端插座在 DTE

23、端. 一些设备与 PC 机连接的 RS-232C 接口因为不使用对方的传送控制信号只需三条接口线即“发送数据”、“接收数据”和“信号地”。所以采用 DB-9 的 9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 （3）传输电缆长度由 RS-232C 标准规定在码元畸变小于 4的情况下，传输电缆长度应为 50 英尺.其实在一般应用中传输距离小于 50m最大传输速率为20kbps. 由于 RS-232-C 接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点： （1）接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与 TTL 电平不兼容故需使用电平转换电路方能与 TTL 电路连接。 （2）传输速率较低，在异步传

24、输时，波特率为 20Kbps。 （3）接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 （4）传输距离有限，最大传输距离标准值为 50 英尺，实际上也只能用在50 米左右。 四 系统软件设计4.1 波特率的设置 在串行通信中通信双方应该采用相同的波特率以确保通信成功.PC 机系统中配备有异步信适配器该板上有 8250 异步通信接口 PC 机上波特率的设置是通过 8250 初始化而实现的. 在 COM2 的 8250 寄存器中2F8H、2F9H 分别设置为波特率因子的低 8 位和高 8 位值. 该因子 k 的取值范围在 165535 之间对输入时钟11843 2 进行分.