【51单片机】UART串口通信原理 + 使用

学习使用的开发板：STC89C52RC/LE52RC
编程软件：Keil5
烧录软件：stc-isp

开发板实图：
在这里插入图片描述

文章目录

  • 串口
    • 硬件电路
    • UART
    • 串口相关寄存器
  • 编码
    • 单片机通过串口发送数据
    • 电脑通过串口发送数据控制LED灯

串口

  • 串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信
  • 单片机的串口可以使单片机与单片机、单片机与电脑、单片机与各式各样的模块互相通信，极大的扩展了单片机的应用范围，增强了单片机系统的硬件实力
    51单片机内部自带UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器)，可实现单片机的串口通信

在这里插入图片描述

硬件电路

简单双向串口通信有两根通信线(发送端TXD(Transmit Exchange Data)和接收端RXD(Receive Exchange Date))

TXD和RXD要交叉连接，设备1的TXD连接设备2的RXD，设备1的RXD连接设备2的TXD
在这里插入图片描述
当只要单向传输数据时，可以只有一根通信线

GND是一定要连接的，若两个设备都可以各自供电，则不需要连接VCC

当电平标准不一致时，还需要加电平转换芯片

电平标准

电平标准是数据1和数据0的表达方式，是传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：

  • TTL电平：+5V表示1，0V表示0，一般用于单片机
  • RS232电平：-3 ~ -15V 表示1，+3 ~ +15V 表示0，一般用于电脑
  • RS485电平：两线压差 +2 ~ +6V 表示1，-2 ~ -6V 表示0(差分信号)，一般用于CAN总线

前两个通信距离都较近，一般只有十几米，距离过远传输的数据就很容易出错；而RS485通信距离远，信号可靠性高，传输距离可达1KM以上

相关术语

  • 全双工：通信双方可以在同一时刻互相传输数据

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  • 半双工：通信双方可以互相传输数据，但同时间只能有一段发送，另一端接收，必须分时复用一根数据线

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  • 单工：通信双方只能一方发送到另一方，不能反向传输。比如遥控器控制电视，只能遥控器向电视发送数据
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  • 异步：通信双方各自约定通信速率
  • 同步：通信双方靠一根时钟线来约定通信速率

数据传输是依靠高低电平的，也就是电平协议。比如如下两个数据
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看电平都是从高电平变为低电平，但是如果通信速率不一样，则获取的数据不一样
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通信速率快，10可能会被解析为1100；通信速率慢，1100也可能会被解析为10。

所以约定好通信速率很重要

  • 总线：连接各个设备的数据传输线路(类似一条马路，把路边的住户连接起来，使住户可以相互交流)

在这里插入图片描述

常见通信接口比较

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  • UART：为本节学习的串口通信接口
  • I2C：板子上的C24C02使用该串口
  • SPI：板子上的DS1302使用非标准SPI
  • 1-Wire：板子上的DS18B20使用该串口

常见的还有CAN总线和USB，CAN总线常用于汽车领域

UART

51单片机的UART

STC89C52有1个UART，RXD和TXD分别和P3.0和P3.1这两个I/O口共用同一个引脚
在这里插入图片描述

STC89C52的UART有四种工作模式：
模式0：同步移位寄存器
模式1：8位UART，波特率可变(常用)
模式2：9位UART，波特率固定
模式3：9位UART，波特率可变

串口参数及时序图

  • 波特率：串口通信的速率(发送和接收各数据位的间隔时间)
  • 校验位：用于数据验证，一定程序可以知道数据是否错误，也需要双方提前协商统一校验。常用的校验如01校验，奇偶校验。9位UART就是多了一位校验位
  • 停止位：用于数据帧间隔，发送多个数据，如何间隔两个数据，就使用停止位
    波特率就是上述异步双方要约定好的如何对数据进行采样

串口收发数据，都是从低位开始
在这里插入图片描述

串口模式图

简单的串口模式图

在这里插入图片描述

UART是集成在单片机内部的，通过TXD引脚发送数据，RXD引脚接收数据

UART可以分为三个部分，中间为定时器T1——控制波特率；左侧绿框的SBUF用于收发数据；右侧为中断系统

SBUF：串口数据缓存寄存器，物理上是两个独立的寄存器，但占用相同的地址。写操作时，写入的是发送寄存器，读操作时，读出的是接收寄存器

完整的串口和中断系统模式图如下：

在这里插入图片描述

下面通过介绍相关寄存器来讲述串口通信的原理

串口相关寄存器

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串行口控制寄存器SCON和PCON

STC89C52系列单片机的串行口设有两个控制寄存器：串行控制寄存器SCON和波特率选择特殊功能寄存器PCON

PCON
电源控制寄存器，可能是电源控制还有剩下比特位，所以波特率选择和帧错误控制位也集成其中，减少资源消耗
格式如下：
在这里插入图片描述
我们只要关注SMOD 和 SMOD0 即可

  • SMOD：波特率选择位。当软件置SMOD = 1时，使串行通信方式1、2、3的波特率加倍；SMOD = 0，则不加倍。复位时SMOD = 0
  • SMOD0：帧错误检测有效控制位。当SMOD = 1，SCON寄存器中的 SM0/FE 位于 FE(帧错误检测)功能；当SMOD0 = 0，SCON的SM0/FE 用于 和 SM1 组合指定串行口的工作模式。复位时 SMOD0 = 0

SCON
用于选择串行通信的工作方式和某些控制功能，格式如下：
在这里插入图片描述

  • SM0/FE：当PCON寄存器的 SMOD0/FE = 1时，该位用于帧错误检测。当检测到一个无效停止位时，通过UART接收器设置该位，必须由软件清零；当SMOD0/FE = 0，该位和 SM1 组合指定工作模式

在这里插入图片描述

  • REN：允许/禁止串行接收控制位。由软件置位，若REN = 1即允许串行接收数据；REN = 0则禁止接收

  • SM2：允许方式2或方式3多机通信控制位。

  • TB8：在方式2或方式3，为要发送的第9位数据，按需要由软件置位或清0。可用作数据的校验位或多机通信中表示地址帧/数据帧的标志位。

  • RB8：在方式2或方式3，是接收到的第9位数据。在方式1，若SM2=0，则RB8是接收到的停止位。方式0不用RB8。

  • TI：发送中断请求标志位。在方式0，当串行发送数据第8位结束时，由内部硬件置TI = 1，向主机请求中断，响应中断后必须用软件复位，即TI = 0。在其他方式中，则在停止位开始发送时由内部硬件置位，必须用软件复位TI = 0

  • RI：接收中断请求标志位。在方式0，当串行接收到第8位结束时由内部硬件自动置位 RI = 1 ,向主机请求中断，响应中断后必须用软件复位，即RI=0。在其他方式中，串行接收到停止位的中间时刻由内部硬件置位，即RI=1，必须由软件复位，即RI=0

IE
中断允许寄存器
在这里插入图片描述
其中我们只关注EA 和 ES

  • EA：CPU的总中断允许控制位，EA = 1，CPU开放中断；EA = 0，CPU屏蔽所有中断请求
  • ES：串行口中断允许位，ES = 1，允许串行口中断；ES = 0，禁止串行口中断

在这里插入图片描述

注意：接收中断和发送中断共用一个中断，在中断处理函数中还需要通过RI 和 TI 的置位判断本次中断是接收中断还是发送中断

最后我们回归模式图，讲解一下串口通信的流程

在这里插入图片描述

发送数据
通过总线将数据写入SBUF，定时器1控制波特率。通过TXD发送数据，当发送数据结束时(方式0为发完8位数据，其他方式为发送停止位时)，将 TI = 1，发送中断请求
接收数据
RXD接收数据，通过定时器1控制波特率，对接收数据进行采样，存放在SBUF，当接收数据结束(方式0当串行发送数据第8位结束时，在其他方式中，则在停止位开始发送时由内部硬件置位)，将 RI = 1，发出中断请求

注意：TI 和 RI 都需要由软件置0

编码

经过上述学习，我们已经对串口有了一定的了解，接下来就是实现串口通信

单片机通过串口发送数据

我们使用UART串口通信，首先要进行初始化，如：选择工作方式，初始化中断系统，设置波特率，初始化定时器

选择工作模式
涉及到SCON 和 PCON

首先是PCON的SMOD0，当 SMOD0 = 0 时，SMOD 的 SM0 才会被用来选择工作方式
其次，我们选择 8位UART，波特率可变模式，即方式1，SCON的SM0 = 0，SM1 = 1
最后，如果要允许串口接收数据，还需要置SCON的REN = 1

初始化中断系统

首先，初始化串口收发数据的中断请求标志位，SCON的 TI 和 RI，由硬件置1，我们初始化时清零即可：TI = 0, RI = 0
到此，SCON的设置就结束了
总结一下，SM0 = 0, SM1 = 1, REN = 1/0, TI = 0, RI = 0，其他默认为0即可，所以SCON = 0x40/0x50

然后是中断开关
在这里插入图片描述

ES = 1, EA = 1

SCON = 0x50;	//选择工作方式 & 允许串口接收数据
PCON |= 0x80;	//使SM0为选择工作方式
//中断开关
ES = 1;			//串口中断开关
EA = 1;			//总中断开关

初始化定时器

初始化定时器可参看【51单片机】定时器
此处定时器1选择工作模式2——8位自动重装

8位自动重装
一次只对TL1或TH1计数加一
当一个溢出后，直接使用另一个计数单元的初值

//设置定时器1
TMOD &= 0x0F;	//高4位清零
TMOD |= 0x20;	//0010，模式3——8位自动重载
TR1 = 1;		//启用定时器T1
ET1 = 0;		//禁止定时器T1中断	
//定时器初值
TL1 = 0xF3;		//设定定时初值
TH1 = 0xF3;		//设定定时器重装值

设置波特率
我们设置波特率为4800
设置波特率需要通过设置定时器1的初始值

TL1 = 0xF3;		//设定定时初值
TH1 = 0xF3;		//设定定时器重装值

讲解一下为什么定时器初值是这个

假设系统频率为12MHz，使用12T模式，则定时器频率为12 / 12 = 1MHz，即每1us，计数单元加1。

使用8位自动重装，256时会溢出，0xF3 = 243，256 - 243 = 13。所以定时器溢出需要13us

溢出率：1 / 13 = 0.07692

使用SMOD = 1，波特率加倍(不除2)
在这里插入图片描述

还需要 0.07692 / 16 = 0.0048076923MHz
转化为Hz：4807.6923Hz，这个就是波特率
会存在一定误差

也可参看如下计算
在这里插入图片描述

到此，串口的初始化就完成了
完整代码如下：

/*** @brief		初始化串口* @parm		无* @retval		无*/
void UART_Init()
{//SCON高4位分别为SM0、SM1、SM2、REN//SM0和SM1控制串口模式，选择01——8位UART，波特率可变//REN接收使能，REN = 0禁止接收，REN = 1允许接收//所以设置0101 0000SCON = 0x50;//PCON包含波特率和电源设置//前两位为SMOD和SMOD0//SMOD = 1波特率加倍，SMOD = 0，波特率不加倍//SMOD0是帧错误的，此处不用//所以设置1000 0000PCON |= 0x80;//设置定时器1TMOD &= 0x0F;	//高4位清零TMOD |= 0x20;	//0010，模式3——8位自动重载TR1 = 1;		//启用定时器T1ET1 = 0;		//禁止定时器T1中断	//定时器初值TL1 = 0xF4;		//设定定时初值TH1 = 0xF4;		//设定定时器重装值//中断开关ES = 1;			//串口中断开关EA = 1;			//总中断开关
}

博主的单片机系统频率为11.0592MHz
可以使用STC-ICP生成波特率设置代码

在这里插入图片描述

注意：配置一定要选择正确；代码中的AUXR寄存器为高版本单片机才有的，低版本不认识这个寄存器，可以直接删掉

串口发送数据通过赋值SBUF，数据发送完后，硬件置位TI = 1，需要我们手动对TI清零
代码如下：

/*** @brief 		通过串口发送一个字节数据* @parm		Byte：要发送字节数据* @retval		无*/
void UART_SendByte(unsigned char Byte)
{SBUF = Byte;while(TI == 0);//数据发送完，硬件置1TI = 0;		//软件置0
}

模块化编程，完整代码如下：

延时模块——控制串口发送数据速率
Delay.h

#ifndef __DELAY_H__
#define __DELAT_H__void Delayms(unsigned int xms);//等待指定毫秒#endif

Delay.c

#include <INTRINS.h>
/*** @brief  延迟一定时间* @parm	延迟的时间，单位是毫秒，范围：0 ~ 65535* @retval	无*/
void Delayms(unsigned int xms)		//@11.0592MHz
{while(xms--){unsigned char i, j;_nop_();i = 2;j = 199;do{while (--j);} while (--i);}	
}

UART串口模块

UART.h

#ifndef __UART_H__
#define __UART_H__void UART_Init();
void UART_SendByte(unsigned char Byte);#endif

UART.c

#include <REGX52.H>
/*** @brief		初始化串口* @parm		无* @retval		无*/
void UART_Init()
{//SCON高4位分别为SM0、SM1、SM2、REN//SM0和SM1控制串口模式，选择01——8位UART，波特率可变//REN接收使能，REN = 0禁止接收，REN = 1允许接收//所以设置0101 0000SCON = 0x50;//PCON包含波特率和电源设置//前两位为SMOD和SMOD0//SMOD = 1波特率加倍，SMOD = 0，波特率不加倍//SMOD0是帧错误的，此处不用//所以设置1000 0000PCON |= 0x80;//设置定时器1TMOD &= 0x0F;	//高4位清零TMOD |= 0x20;	//0010，模式3——8位自动重载TR1 = 1;		//启用定时器T1ET1 = 0;		//禁止定时器T1中断	//定时器初值TL1 = 0xF4;		//设定定时初值TH1 = 0xF4;		//设定定时器重装值//中断开关ES = 1;			//串口中断开关EA = 1;			//总中断开关
}
/*** @brief 		通过串口发送一个字节数据* @parm		Byte 要发送字节数据* @retval		无*/
void UART_SendByte(unsigned char Byte)
{SBUF = Byte;while(TI == 0);//数据发送完，硬件置1TI = 0;		//软件置0
}///**
//  * @brief 		接收数据 模版
//  * @parm			无
//  * @retval		无
//  */
//void UART_Routine() interrupt 4
//{
//	if(RI == 1)//检测是否是接收数据中断
//	{
//		RI = 0;//软件置0
//	}
//}

主程序——每隔一秒通过串口发送递增数据

#include <REGX52.H>
#include "UART.h"
#include "Delay.h"
/*** @brief		通过串口每隔1s发送递增的数据 范围：0 ~ 255* @parm		无* @retval		无*/
void SendIncreasingNum()
{static unsigned char num;UART_SendByte(num++);Delayms(1000);
}void main()
{UART_Init();while(1){SendIncreasingNum();}
}

使用STC-IST 的 串口助手 查看效果

在这里插入图片描述
注意：下面一行的配置要正确

电脑通过串口发送数据控制LED灯

电脑发送数据给单片机需要USB转串口，自带的USB线就已经实现了这一转换，所以我们直接编写单片机通过串口接收数据的逻辑即可。

串口接收数据会存放在SBUF，接收完毕后会将RI置1，发出中断请求，中断号为4，然后需要手动清零RI

代码如下：

void UART_Routine() interrupt 4
{if(RI == 1)//检测是否是接收数据中断{P2 = SBUF;RI = 0;//软件置0}
}

注意：P2寄存器用于控制LED亮灭，为0亮起，为1熄灭

还可以将数据重新返回给电脑，同样使用Delay 和 UART 模块，只有main.c不同

main.c

#include <REGX52.H>
#include "UART.h"
#include "Delay.h"
/*** @brief 		接收数据，亮相应的灯，并返回数据* @parm		无* @retval		无*/
void UART_Routine() interrupt 4
{if(RI == 1)//检测是否是接收数据中断{P2 = SBUF;UART_SendByte(SBUF);RI = 0;//软件置0}
}
void main()
{UART_Init();while(1){}
}

效果如下：
我们通过串口助手，发送 0xAA = 1010 1010

在这里插入图片描述

LED灯效果如下：

在这里插入图片描述

以上就是本篇博客的所有内容，感谢你的阅读
如果觉得本篇文章对你有所帮助的话，不妨点个赞支持一下博主，拜托啦，这对我真的很重要。
在这里插入图片描述

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