51单片机串口通信的原理及应用

51 单片机内部有一个全双工串行接口。什么叫全双工串口呢?一般来说，只能接受或只能发送的称为单工串行;既可接收又可发送，但不能同时进行的称为半双工;能同时接收和发送的串行口称为全双工串行口。串行通信是指数据一位一位地按顺序传送的通信方式，其突出优点是只需一根传输线，可大大降低硬件成本，适合远距离通信。其缺点是传输速度较低。一.串行通信的原理

1.随着多微机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，计算机的通信功能愈来愈显得重 要。计算机通信是指计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。

2.通信有并行通信和串行通信两种方式。在多微机系统以及现代测控系统中信息的交换多采用串行通信方式。

3.计算机通信是将计算机技术和通信技术的相结合，完成计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。可以分为两大类：并行通信与串行通信。

4.并行通信 通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送 。

STC51单片机一般带有1个串口，有的带有2个串口，串口一般用于下载程序和串口通信。串口通信特别适合控制设备，所以工控机的电脑上一般都带有串口。

51单片机的串口引脚为P3.0引脚与P3.1引脚，分别是RXD和TXD引脚。串口通信可以用于单片机和其它芯片通信或者单片机之间通信或者单片机与电脑通信。串口通信一般都是交叉连接。标准的串口有9个引脚，我们一般情况下，只用RXD TXD GND，剩下的引脚都是通信控制引脚，在以前用于控制电话机，现在已经基本上不用了。所以我们的51单片机上只保留了RXD和TXD。

串口通信的协议非常简单。如果单片机上的串口不够用，还可以用任意两个引脚模拟串口通信。

一般情况，我们用带有起始位的8位串口协议。波特率常用9600，此外还有1200 2400 4800 115200等。

打开串口的程序如下：

TMOD=0x20;

TH1=0xFD;

TL1=0xFD;

SCON=0X50;

TR1=1;

程序涉及到5个寄存器的配置。

TMOD是定时器控制寄存器

TH1和TL1是定时器1的初值寄存器

SCON是串行口控制寄存器

TR1是TCON寄存器中的bit4，因为该寄存器可以位操作

串口发送数据的程序如下所示：

SBUF=55; // 发送数据55

while(!TI);

TI=0;

程序涉及到2个寄存器

SBUF是串口数据寄存器

TI是SCON寄存器中的bit1，位操作

串口接收数据的程序如下所示：

if(RI)

{

recebuf=SBUF;

RI=0;

}

程序涉及到2个寄存器

SBUF是串口数据寄存器

RI是SCON寄存器中的bit0，位操作

SBUF既是发送数据寄存器，又是接收数据寄存器。

可以把上面的功能模块封装成函数，在使用的时候，直接调用。

串口通信的基本认识

通信分为并行通信和串行通信，并行通信时的数据各个位同时传送，可以实现字节为单位通信，但通信线多占用资源，成本高。以前用到的的P1=0x55,一次给P1口的8个管脚分别赋值，同时进行信号输出，类似于8个车道可以过去8辆车，这样的形式是并行的，一般称P0,P1,P2,P3为51单片机的4组并行总线。

串行通信，就是一个车道，一个只能通过一辆车，如果一个0x55这样一个字节的数据要传输过去的话，假如低位在前，高位在后的话，那发送方式是：0-1-0-1-0-1-0-1，一位一位的进行传输，要发送8次才能发送完一个字节

STC89C52有两个引脚是专门用来做串口通信的，一个是P3.0(RXD)，一个是P3.1(TXD)，他们组成的通信接口就是串行接口，简称串口。用于两个单片机进行UART通信。两单片机通信接口连接方式：RXD——TXD，TXD——RXD。

单片机1的TXD发送通道接到单片机2的RXD接收通道，单片机的1的RXD接收通道接到单片机2的TXD发送通道，从而实现相互通信。

当单片机1想给单片机2发送数据，比如发送了0xCE，用二进制表示就是11001110，在串口通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就是让TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位0，然后拉高电平，持续一段时间，发送一位1，继续拉高，在持续一段时间，发送一位1，一直把8位二进制数11001110全部发送完毕，这里涉及到一个问题，就是持续的一个时间段时间“到底是多少”。因而便引入通信中非常重要的一个概念波特率，也叫做比特率。

波特率

波特率就是发送二进制数据位的速率，习惯用baud表示，即我们发送一位二进制数据持续的时间=1/baud。在通信之前，单片机1和单片机2首先都要明确约定好他们之间的通信波特率，必须保持一致，收发双方才能正常通信。

约定好速度之后，我们还要考虑第二个问题，数据什么时候是起始，什么时候是结束?提前和延迟结束都会接收错误。在uart通信的时候，一个字节是8位，规定当没有通信信号发生时，通信线路保持高电平，当数据发送前，先发一位0表示起始位，然后发送8位数据位，数据位是先低再高，数位位发送完后才呢个后再发送一位1表示停止位，这样我们要发送的8位数据，实际上我们发送了10位，多出来两位其中一个是起始位，一个是停止位。而接受方一直保持的高电平，一旦检测到一位低电平，准备开始接受数据，接受8位数据后，然后检测停止位，再准备下一个数据接收。

串口数据发送示意图，实际上是一个时域示意图，就是信号随着时间变化的对应关系。比如在单片机的发送引脚上，左边的是先发生的，右边的是后发生的，数据位的切换时间就是波特率分之一秒，如果能够理解时域的概念，后边很多通信的时序图就很容易理解了。

RS232

在我们电脑上，一般都会有一个9针的串行接口，这个串行接口叫做RS232接口，它和UART通信有关联，但是由于现在笔记本电脑不带9针串口，所以和单片机通信越来越趋于使用USB虚拟串口。

九针串口分工头和母头

公头上5下4，上5从左到右为1.2.3.4.5;下4从左到右为6.7.8.9;

母头上5下4，上5从左到右为5.4.3.2.1;下4从左到右为9.8.7.6;

RS232接口一共有9个引脚，分别定义是：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、信号地线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。我们要让这个串口和我们单片机进行通信，我们只需要关心其中的2脚RXD、3脚TXD和5脚GND即可。

虽然这三个引脚的名字和我们单片机上的串口名字一样，但是却不能直接和单片机对连通信，这是为什么呢?随着我们了解的内容越来越多，我们得慢慢知道，不是所有的电路都是5V代表高电平而0V代表低电平的。对于RS232标准来说，它是个反逻辑，也叫做负逻辑。为何叫负逻辑?它的TXD和RXD的电压，-3V～-15V电压代表是1，+3～+15V电压代表是0。低电平代表的是1，而高电平代表的是0，所以称之为负逻辑。因此电脑的9针RS232串口是不能和单片机直接连接的，需要用一个电平转换芯片MAX232来完成。

这个芯片就可以实现把标准RS232串口电平转换成我们单片机能够识别和承受的UART 0V/5V电平。从这里大家似乎慢慢有点明白了，其实RS232串口和UART串口，它们的协议类型是一样的，只是电平标准不同而已，而MAX232这个芯片起到的就是中间人的作用，它把UART电平转换成RS232电平，也把RS232电平转换成UART电平，从而实现标准RS232接口和单片机UART之间的通信连接。

USB转串口通信

随着技术的发展，工业上还有RS232串口通信的大量使用，但是商业技术的应用上，已经慢慢的使用USB转UART技术取代了RS232串口，绝大多数笔记本电脑已经没有串口这个东西了，那我们要实现单片机和电脑之间的通信该怎么办呢?

我们只需要在电路上添加一个USB转串口芯片，就可以成功实现USB通信协议和标准UART串行通信协议的转换，在我们的开发板上，我们使用的是CH340T这个芯片。

我们需要用跳线帽把中间和下边的针短接在一起。右侧的CH340T这个电路很简单，把电源、晶振接好后，6脚和7脚的DP和DM分别接USB口的2个数据引脚上去，3脚和4脚通过跳线接到了我们单片机的TXD和RXD上去。

CH340T的电路里3脚位置加了个4148的二极管，是一个小技巧。因为STC89C52这个单片机下载程序时需要冷启动，就是先点下载后上电，上电瞬间单片机会先检测需要不需要下载程序。虽然单片机的VCC是由开关来控制，但是由于CH340T的3脚是输出引脚，如果没有此二极管，开关后级单片机在断电的情况下，CH340T的3脚和单片机的P3.0(即RXD)引脚连在一起，有电流会通过这个引脚流入后级电路并且给后级的电容充电，造成后级有一定幅度的电压，这个电压值虽然只有两三伏左右，但是可能会影响到正常的冷启动。加了二极管后，一方面不影响通信，另外一个方面还可以消除这种不良影响。这个地方可以暂时作为了解，大家如果自己做这类电路，可以参考一下。

IO口模拟UART串口通信

UART串口波特率，常用的值是300、600、1200、2400、4800、9600、14400、19200、28800、38400、57600、115200等速率。IO口模拟UART串行通信程序是一个简单的演示程序，我们使用串口调试助手下发一个数据，数据加1后，再自动返回。

串口调试助手，这里我们直接使用STC-ISP软件自带的串口调试助手，先把串口调试助手的使用给大家说一下，如图11-6所示。第一步要选择串口助手菜单，第二步选择十六进制显示，第三步选择十六进制发送，第四步选择COM口，这个COM口要和自己电脑设备管理器里的那个COM口一致，波特率按我们程序设定好的选择，我们程序中让一个数据位持续时间是1/9600秒，那这个地方选择波特率就是选9600，校验位选N，数据位8，停止位1。

串口调试助手的实质就是利用电脑上的UART通信接口，发送数据给我们的单片机，也可以把我们的单片机发送的数据接收到这个调试助手界面上。

因为初次接触通信方面的技术，所以我把后面的IO模拟串口通信程序进行一下解释，大家可以边看我的解释边看程序，把底层原理先彻底弄懂。

变量定义部分就不用说了，直接看main主函数。首先是对通信的波特率的设定，在这里我们配置的波特率是9600，那么串口调试助手也得是9600。配置波特率的时候，我们用的是定时器T0的模式2。模式2中，不再是TH0代表高8位，TL0代表低8位了，而只有TL0在进行计数，当TL0溢出后，不仅仅会让TF0变1，而且还会将TH0中的内容重新自动装到TL0中。这样有一个好处，就是我们可以把想要的定时器初值提前存在TH0中，当TL0溢出后，TH0自动把初值就重新送入TL0了，全自动的，不需要程序中再给TL0重新赋值了，配置方式很简单，大家可以自己看下程序并且计算一下初值。