单片机的双机串口通信-课程设计

单片机课程设计报告

项目名称：单片机的双机串口通信

项目组成员：（1）姓名：     学号：   

         （2）姓名：     学号：   

         （3）姓名：     学号：   

专业班级： 

日    期： 2012年12月10日 

第一章  绪论

1.1 课题简介    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------2

1.2 设计目的    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------2

1.3 设计任务    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------2

1.4 设计方法    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------3

第二章 设计内容与所用器件-------------------------------------------------------------------------------4

第三章  方案论证与比较 

3.1数据传输方案比较与选择    ------------------------------------------------------------------------------5

3.2控制部分的设计方案论证与选择---------------------------------------------------------------------------6

第四章 硬件系统设计

4.1 时钟电路    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------7

4.2 复位电路    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------7

4.3单片机串行通信功能    --------------------------------------------------------------------------------------8

4.4采用MAX232芯片控制电平转换电路    ------------------------------------------------------------------10

4.5 利用集成的LED数码管（一位）    -------------------------------------------------------------------------11

4.6整体连接原理图  ----------------------------------------------------------------------------------------------11

第五章 软件设计 

5.1 程序设计思路    ---------------------------------------------------------------------------------------------------12

5.2 双机串口通信程序设计    --------------------------------------------------------------------------------------12

5.2.1 串口通信软件实现------------------------------------------------------------------------------------12

5.2.2 程序流程图----------------------------------------------------------------------------------------------13

5.3 LED显示原理------------------------------------------------------------------------------------------------------14

第六章 系统调试与存在的问题

6.1 软件调试    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------15

第七章 总 结-------------------------------------------------------------------------------------------------------16

参考文献    ----------------------------------------------------------------------------------------------------------17

附录

附录一  元件清单    ---------------------------------------------------------------------------------------------18

附录二：源程序    ----------------------------------------------------------------------------------------------------19

第一章  绪论

1.1 课题简介

单片机行业已经有了很久的历史，随着科学技术的进步和社会的发展，单片机行业更加迅速的发展起来。不论在工业还是民也上都有很好的发展和应用，得到大家很好的认可和高度的评价。单片机的通信接口是各台仪表之间或仪表与计算机之间进行信息交换和传输的联络装置。主要有五种类型，串行通信接口、并行通信接口、USB接口、现场总线接口以及以太网接口。

串行通信按同步方式可分为异步通信和同步通信两种基本通信方式。它是在数字化的基础上用微处理器装备起来，是计算机技术与电子仪器相结合的产物。它具有数据存储、运算、逻辑判断能力，能根据被测参数的变化自选量程，可自动校正，自动补偿，自寻故障等，可以做一些需要人类的智慧才能完成的工作，既具备了一定的智能，故称为智能仪器。人们习惯将这种内含微型计算机并带有GP-IB等通信接口的电子仪器称为智能仪器。

本课程设计就是利用两片单片机实现串口通讯数据的发送和接收，该系统可采用max232进行串口通讯数据传送。可用LED显示发送的相应据。

1.2 设计目的

单片机课程设计作为的数学环节，是自动化及相关专业集中实践性环节系列之一，是学习完《单片机原理及应用》课程后，并在进行相关课程设计基础上进行的一次综合练习。在本课题的设计过程中，我们通过查阅资料、接口设计、程序设计、安装调试等环节，完成一个基于MCS-51系列单片机，涉及多种资源应用，并具有综合功能的小应用系统设计。让我们不仅将课堂上学到的理论知识与实际应用结合起来，而且能够对电子电路、电子元器件等方面的知识进一步加深认识，同时在软件编程、调试、相关仪器设备和相关软件的使用技能等方面得到较全面的锻炼和提高。让我们增加了对单片机的感性认识，加深对单片机理论方面的理解，同时也加深单片机的内部功能模块的应用。使我们了解和掌握单片机应用系统的软硬件设计过程、方法及实现，强化单片机应用电路的设计与分析能力。提高我们在单片机应用方面的实践技能和科学作风；培育我们综合运用理论知识解决问题的能力等。

1.3 设计任务

在本次课程设计中，主要完成如下方面的设计任务：

1、简要阐述单片机技术发展的国内外现状及LED动态显示的基本原理；

2、掌握MCS-51系列某种产品（例如8051）的最小电路的设计方法；

3、用串行口的全双共数据传送法实现两机互相通信。发送端将0~f循环发送到接收端，并在接收端显示；

4、完成主要功能模块的硬件电路设计及必要的参数确定；

5、用protel软件完成双机通信的原理电路图的绘制及仿真；

1.4 设计方法

 本次设计，对于两片C51，采用RS232进行双机通信。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RS232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，在数码管上显示接收的信息。为提高抗干扰能力，还可以在输入输出端加光耦合进行光电隔离。

软件部分，通过通信协议进行发送接收，主机先送AAH给从机，当从机接收到AAH后，向主机回答BBH。主机收到BBH后就把数码表TAB[16]中的10个数据送给从机，并发送检验和。从机收到16个数据并计算接收到数据的检验和，与主机发送来的检验和进行比较，若检验和相同则发送00H给主机；否则发送FFH给主机，重新接受。从机收到16个正确数据后送到一个数码管显示。串口通讯的设计原理框图如图1所示。

第二章 设计内容与所用器件

基本功能：

两片单片机之间进行串行通信，发送端将0~f循环发送到接收端，并在接收端显示。

原理图：

图1     串口通讯的设计原理框图

所用器件件附录1

第三章  方案论证与比较

3.1.数据传输方案比较与选择

在串行通信中，数据是在两个站之间传送的。按照数据传送方向，串行通信可采用三种方案。

方案一：单工制式

单工制式是指甲乙双方通信只能单向传送数据。单工制式如图2

                                   图2  单工制式

方案二：半双工制式

半双工制式是指通信双方都具有发送器和接收器，双方既可发送也可接收，但接收和发送不能同时进行，即发送时就不能接收，接收时就不能发送。半双工制式如图3

图3  半双工制式

方案三：全双工制式

    全双工制式是指通信双方均设有发送器和接收器，并且将信道划分为发送信道和接收信道，两端数据允许同时收发，因此通信效率比前两种高。全双工制式如下图4：

图4  全双工制式

因此，本课设采用方案三全双工制式

3.2.控制部分的设计方案论证与选择

对于主控系统电路的选择有以下三种方案。

方案一：采用专用芯片实现。用专用芯片进行设计并编程实现。这种设计方案计算效率高、速度快、而且成本也相对较低，是进行串口通信的最佳方案。但是由于对专用芯片掌握的不够，还不足以实现设计，所以这个方案不可取。

方案二：采用FPGA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FPGA将所有器件集成到一块芯片上，节省空间，稳定性高；直接面向用户，具有极大的灵活性和通用性，硬件测试和实现快捷，开发效率高，工作可靠性好。适合于大规模实时系统控制核心，本设计对数据处理速度的要求不是很高，FPGA的高速处理的优势得不到充分的体现，由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。所以，不建议采用此方案。

方案三：用单片机实现。由于单片机集成了运算器电路、控制电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等，所以用单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。由于单片机是可编程芯片，并且它可以运用C语言编写，对于一些复杂的计算功能，可以调用C语言库函数。使编写程序变得非常简单。且经过本学期对课程学习，我们对单片机的应用比较熟悉，运用灵活，所以该课题用单片机实现。

第四章 硬件系统设计

硬件系统是指构成微机系统的实体和装置，通常由运算器、控制器、存储器、输入接口电路和输入设备、输出接口电路和输出设备等组成。单片机实质上是一个硬件的芯片，在实际应用中，通常很难直接和被控对象进行电气连接，必须外加各种扩展接口电路、外部设备、被控对象等硬件和软件，才能构成一个单片机应用系统。本设计选用以C51单片机为主控单元。显示部分：采用8段LED数码管动态显示。 

4.1 时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚X1，输出端为引脚X2，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。 此电路采用12MHz的石英晶体。时钟电路如下图5

图5  时钟电路

4.2 复位电路

复位是单片机的初始化操作,进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。RST引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即2个机器周期）以上，若使用频率为12MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4 s才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的。

在本设计中采用了按键电平方式如下图6

图6  按键电平的连接方式

4.3  单片机串行通信功能

     51单片机的串行接口是一个全双工的接口，它可以作为UART（通用异步接受和发送器）用，也可以作为同步移位寄存器用。51单片机串行接口的结构如下：

图751单片机串行接口的结构

（1）数据缓冲器（SBUF）

接受或发送的数据都要先送到SBUF缓存。有两个，一个缓存，另一个接受，用同一直接地址99H,发送时用指令将数据送到SBUF即可启动发送；接收时用指令将SBUF中接收到的数据取出。

（2）串行控制寄存器（SCON）

SCON用于串行通信方式的选择，收发控制及状态指示，各位含义如下：

SM2：多机通信控制位。主要用于方式2,3.当SM2=1时可以利用收到的RB8来控制是否激活RI（RB8=1时收到数据进入数据缓存器，并激活RI在中断服务中将数据读走；RB8=0时受到信息丢弃）；当SM2=0时均可以将数据送入缓存器，并激活RI。

REN：接收允许控制位。软件置1允许接收；软件置0禁止接收。

TB8：方式2或3时，TB8为要发送的第9位数据，根据需要由软件置1或清0，可以用作数据奇偶效验位，或在多机通信中作地址帧/数据帧标志位。

RB8：在方式2或3时，RB8位接收到的第9位数据，实际为主机发送的第9位数据TB8，使从机根据这一位来判断主机发送的时呼叫地址还是要传送的数据。

TI：发送中断标志。发送完一帧数据后由硬件自动置位，并申请中断。必须要软件清零后才能继续发送。

RI：接收中断标志。接收完一帧数据后由硬件自动置位，并申请中断。必须要软件清零后才能继续接收。

（3）输入移位寄存器

接收的数据先串行进入输入移位寄存器，8位数据全移入后，再并行送入接收SBUF中。

（4）波特率发生器

波特率发生器用来控制串行通信的数据传输速率的，51系列单片机用定时器T1作为波特率发生器，T1设置在定时方式。波特率是用来表示串行通信数据传输快慢程度的物理量，定义为每秒钟调制信号变化的次数。

（5）电源控制寄存器PCON

其最高位为SMOD即波特率倍增位，当SMOD=1时波特率提高一倍，复位时，SMOD=0。

4.4  采用MAX232芯片控制电平转换电路  

    用C51串行接口通信，如果两台C51单片机之间的距离很近（不超过1.5m），可以采用直接将两台C51单片机的串行接口直接相连，利用其自身的TTL电平（0-5V）直接传输数据信息。如果传输距离较远（超过1.5m），由于传输线的阻抗与分布电容，会产生电平损耗和波形畸变，以至于检测不出数据或数据出错。此时可利用 RS232标准总线接口，将单片机输出的TTL电平转换为RS232标准电平（逻辑1为-15—-5V；逻辑0为+5-—+15V）。用RS232可将传输距离提高到15m，如果想远距离传输，可以采用RS422或者RS485。

电平转换芯片MAX232是美信公司（MAXIM）生产，专用于进行将TTL电平转换为RS232电平的芯片，MAX232内部有泵电源，能将+5V电源电压在芯片内提高到RS232电平所需的+10V或者-10V电平。引脚介绍：

第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）         图7   MAX232芯片

4.5 利用集成的LED数码管（一位）

P1.7——P1.0口分别接DP G F E D C B A

4.6 整体连接原理图

图8     整体连接原理图

第五章 软件设计

5.1程序设计思路

通过通信协议进行发送接收，主机先送AAH给从机，当从机接收到AAH后，向主机回答BBH。主机收到BBH后就把数码表TAB[16]中的16个数据依次发送给从机，并发送检验和。从机收到16个数据并计算接收到数据的检验和，与主机发送来的检验和进行比较，若检验和相同则发送00H给主机；否则发送FFH给主机，重新接受。从机收到16个正确数据后送到一个数码管依次显示。

5.2双机串口通信程序设计

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，工作于方式2，即TMOD=0x20。

（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:主机首先发送连络信号(AAH),从机接收到之后返回一个连络信号(BBH)表示从机已准备好接收。

（4）通信过程使用校验和校验。从机接收到16个数据后，进行校验和检查，若数据没有错误，则返回00H，否则返回FFH。

（5）主机发送一个数据后，等待从机返回数据；若为00H，则继续发送下一个数据，若为FFH，则重新发送数据。

2.程序流程图

（1）发送端程序流程图

图7  发送端程序流程图

(2)接收方程序流程图

图8   接收方程序流程图

5.3 LED显示原理

LED多数情况用于显示数字，对于十六进制的，要将0～F的数字用7段显示，必须将数字转换为LED对应七段码的信息，比如，要显示“0”，就是让a、b、c、d、e和f段发光，显示“1”，让b和c段发光，等等如表所示。然后根据LED是共阴极还是共阳极接法确定LED各输入端应接逻辑1还是逻辑0，我选用的是共阴接法，要显示“0” 时，a、b、c、d、e和f段就要输入逻辑1，即其段码为3F， 通过从机的P1口将编码输出给LED

第六章 系统调试与存在的问题

系统的硬件、软件独调和系统调试是系统最后的步骤也是系统特别重要的环节，因为设计和开发出的系统是否成功，功能是否完善只有在这里才能显现出来。所以为了保证设计系统能够正常工作，必须对软件和硬件部分的每一个部分进行调试和分析。由于本次课程设计未进行硬件连接，因此略去硬件测试步骤

6.1 软件调试

本设计软件采用的是keil和Proteus软件实现仿真和电路图设计和，Proteus软件与Keil软件联合使用，实现设计要求。

在Keil软件中创建新文件，输入所编写的c语言程序并保存，在编译源程序无误后，会产出相应的”.HEX”文件；将所生成的”.HEX”文件加载到已绘制好的Proteus原理图中，使Proteus与Keil真正连接起来，实现联合调试。调试结果如图所示：可以看到，接收端已将接受到的数据完整的显示了出来。

 图9.仿真图

1、软件的测试首先是检查电路的逻辑线路是否正确，如果正确再检查原理图的线路连接是否正确，电路的布局安排是否合理等等。

2、程序中有个别地方将“=”与“==”混淆，造成结果不准确，解决办法，仔细查找，将混淆出更正。

在软件调试过程中，对出现的错误进行了认真的分析和修改，多次调试成功后，能够很好的达到既定的设计效果。

总 结

最初选择串行通信这个实验时，由于从未接触过这类设计，感到新鲜的同时不乏焦虑。我觉得做单片机课程设计是十分有意义的，而且是十分必要的。在已度过的大学时间里，我们大多数接触的是专业课。我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识，如何去锻炼我们的实践能力？如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢？我想做类似的课程设计就为我们提供了良好的实践平台现在终于将它完成了，感到受益颇多。

第一，这是一份考验我们自觉性、动手能力与协作意识的任务。在长达一个月的时间里，我们不断发现自身不足也不断自我完善。这次单片机课程设计不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上没有学到过的知识，掌握了一种系统的研究方法，可以进行一些简单的编程。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和思考的能力。同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，例如对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，学习了单片机C语言。

第二，未知并不可怕，可怕的是因未知而止步。我们在课堂上所学的知识是非常有限的，这次的课程设计就是个很好的体现。在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅大量的设计资料了，无论是课本上的还是网上的都浏览了不少相关的程序，从中也借鉴了别人的思想，开阔了自己的思路。做单片机课程设计，对设计者对软硬件的理解和掌握的要求都比较高。在设计程序之前，设计者必学对所用单片机的内部结构有一个系统的了解，知道该单片机内有哪些资源；要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图；在设计程序时，不能妄想一次就将整个程序设计好，反复修改、不断改进是程序设计的必经之路；要养成注释程序的好习惯，一个程序的完美与否不仅仅是实现功能，而应该让人一看就能明白你的思路，这样也为资料的保存和交流提供了方便；在设计课程过程中遇到问题是很正常的，但我们应该将每次遇到的问题记录下来，并分析清楚，以免下次再碰到同样的问题。

第三，团结就是力量一点都不假，三个臭皮匠顶一个诸葛亮。在团组合作时我们更便于互相取长补短，相互讨论，效果很好。通过本次课设，我不仅学到了关于单片机技术方面的许多专业知识，同时也让我感觉到团队合作的重要性。其实如何有效和快速的找到资料也是课设给我的启发，利用好图书馆和网络，使资源得到最好的利用。与他人交流思想是取得成功的关键，在交流中，不仅强化了自己原有的知识体系，也扩展了自己的思维。课设是一个通过思考、发问、自己解惑并动手、提高的过程。我会在以后的学习中不断学习，积累经验，完善自己。

参考文献

[1]谭浩强. 《C语言程序设计》清华大学出版社1999.12 2

[2]杨恢先 黄辉先著.单片机原理与应用.人民邮电出版,2009.7

[3]朱定华著.单片机原理与接口技术.电子工业出版社,2001.4 

[4]王威著.HCS12微控制器原理及应用.北京航空航天大学出版社,2007.10 

[5]龚运新著.单片机C语言开发技术.北京清华大学出版社,2006.10 

[6]胡洪波著.单片机原理与应用实验教程.湘潭大学出版社，2009.7

[7]汪道辉著.单片机系统设计与实践.电子工业出版社，2006.5

附 录

附录一  元件清单：

1.主机发送程序

#include               //头文件

#define uchar unsigned char        //定义数据类型

void init();                    //定义子程序

void send();

ucharTAB[16] ={ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};                       //定义数码表

uchar i,sum;                    //定义变量

int j;

main()                          //主程序

{  init();

  send();

} 

void init(void)                    //程序初始化

{ EA=1;                            //开CPU中断

  ES=1;                            //允许串行口中断

  TMOD=0x20;                       //设定时器T1为方式2

  TH1=0xfd;                        //赋初值

  TL1=0xfd;

  PCON=0x00;                       //令SMOD=0波特率不倍增

  SCON=0x50;                       //串行口为方式1

  TR1=1;                           //启动T1

} 

void send(void)                    //发送子程序

{do

    { SBUF=0xaa;                    //主机送AAH给从机

      while(!TI);                   //等待一帧发送结束

      TI=0;                         //发送完后清零

      while(!RI);                   //等待一帧接收结束

      RI=0;                          //接收完后清零

 }

  while((SBUF^0xbb)!=0);             //等待从机回答，返回BBH后继续

do

    { sum=0;                         //清校验和

      for(i=0;i<=15;i++)

       { SBUF=TAB[i];                 //主机发送数据

         sum+=TAB[i];                 //求检验和

            while(!TI);

         TI=0;

        }

     SBUF=sum;                      //发送校验和

     while(!TI);

     TI=0;

     while(!RI);

     RI=0;

     }

 while(SBUF!=0);                   //等待

}

2.从机接收程序

#include                   //头文件

#define uchar unsigned char         //定义数据类型

#define uint unsigned int

void delay(int );                   //定义子程序

void receive(void) ;

void init(void);

uchar i,sum;

int j;

ucharTAB[16] ={ 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};                          //定义数码表

void main()                       //主程序

{ init();

  receive();

}

void init(void)                    //程序初始化

{ EA=1;

  ES=1;

  TMOD=0x20;

  TH1=0xfd;

  TL1=0xfd;

  PCON=0x00;

  SCON=0x50;

  TR1=1;

} 

void delay(int x)               //延时子程序

{    int i,j;

for(i=0;i        for(j=1;j<=150;j++ );

}

void receive(void)

{ uchar TABS[16];

  do

  { while(!RI);RI=0;  }

  while((SBUF^0xaa)!=0);           //等待主机发送AAH

SBUF=0xbb;                       //从机收到BBH后向主机回复BBH

 while(!TI);TI=0;

while(1)

{ sum=0;

for(i=0;i<=15;i++)

{ while(!RI);RI=0;

TABS[i]=SBUF;            //接收数据保存

sum+=TABS[i];            //求接收校验和

}

 while(!RI);RI=0;

 if((SBUF^sum)==0)                 //判断发送与接收的校验和是否相等

 { SBUF=0x00;                    //校验和相等发送00H给主机

   while(!TI);

   TI=0;

   break;                        //跳出接收循环

  }

 else

   { SBUF=0xff;                     //校验和不等，发送FFH给主机

     while(!TI);

     TI=0;                           //发送成功，清零，进入下一次接收循环

 }

}

    while(1)                              //显示输出

{ for(i=0;i<=15;i++)

 { P1=TABS[i];

   delay(500);

}

}

}