51单片机入门——UART串口通信

  通信，按照传统的理解就是信息的传输与交换。对于单片机来说通信则与传感器、存储芯片、外围控制芯片等技术紧密结合，成为整个单片机系统的“神经中枢”。没有通信，单片机所实现的功能仅仅局限于单片机本身，就无法通过其它设备获得有用信息，也无法将自己产生的信息告诉其它设备。如果单片机通信没处理好的话，它和外围器件的合作程度就受到限制，最终总系统也没办法完成强大的功能，由此可见单片机通信技术的重要性。UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，即通用异步收发器）串行通信是单片机最常用的一种通信技术，通常用于单片机和电脑之间以及单片机和单片机之间的通信。

  通信按照基本类型可大致分为并行通信和串行通信。并行通信时数据的各个位同时传送，能轻松实现字节为单位通信，但是通信线多占用资源多，成本高。比如我们前边用到的 P0 = 0xFE;一次给 P0 的 8 个 IO 口分别赋值，同时进行信号输出，类似于有 8 个车道同时能过去 8 辆车一样，这种形式就是并行的，我们习惯上还称 P0、P1、P2 和 P3 为 51 单片机的 4 组并行总线。

  而串行通信，就如同一条车道，一次只能一辆车过去，如果一个 0xFE 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线，一位一位的发送出去的，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 UART 串行通信的，一个是 P3.0 一个是 P3.1，它们还分别有另外的名字叫做 RXD 和 TXD，由它们组成的通信接口就叫做串行接口，简称串口。用两个单片机进行 UART 串口通信，基本的演示图如图所示：

  图中，GND 表示单片机系统电源的参考地，TXD 是串行发送引脚，RXD 是串行接收引脚。两个单片机之间要通信，首先电源基准得一样，所以我们要把两个单片机的 GND 相互连接起来，然后单片机 1 的 TXD 引脚接到单片机 2 的 RXD 引脚上，即此路为单片机 1 发送而单片机 2 接收的通道，单片机 1 的 RXD 引脚接到单片机 2 的 TXD 引脚上，即此路为单片机 2 发送而单片机 1 接收的通道。这个示意图就体现了两个单片机相互收发信息的过程。当单片机 1 想给单片机 2 发送数据时，比如发送一个 0xE4 这个数据，用二进制形式表示就是 0b11100100，在 UART 通信过程中，是低位先发，高位后发的原则，那么就让 TXD首先拉低电平，持续一段时间，发送一位 0，然后继续拉低，再持续一段时间，又发送了一位 0，然后拉高电平，持续一段时间，发了一位 1……一直到把 8 位二进制数字 0b11100100全部发送完毕。这里就涉及到了一个问题，就是持续的这“一段时间”到底是多久？由此便引入了通信中的一个重要概念——波特率，也叫做比特率。

  波特率就是发送二进制数据位的速率，习惯上用 baud 表示，即我们发送一位二进制数据的维持的时间=1/baud。在通信之前，单片机 1 和单片机 2 首先都要明确的约定好它们之间的通信波特率，一定要保持一致，收发双方才能正常实现通信，这一点大家必须要记清楚。

  约定好速度后，我们还需要考虑第二个问题，数据何时是起始，何时是结束呢？不管是提前接收还是延迟接收，数据都会接收错误。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，当要发送数据之前，先发一位 0 表示起始位，然后发送 8 位数据位，数据位是先低后高的顺序，数据位发完后再发一位 1 表示停止位。这样本来要发送一个字节的 8 位数据，而实际上我们一共发送了 10 位，多出来的两位其中一位起始位，一位停止位。而接收方呢，原本从始至终保持的高电平，一旦检测到了一位低电平，那就知道了要开始准备接收数据了，接收到 8 位数据位后，然后检验测试到停止位，再准备下一个数据的接收。我们图示看一下，如图所示：

  上图，串口数据发送示意图，其实就是一个时域示意图，就是信号跟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，若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。

  在我们的台式电脑上，大多数都会有一个 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都不带这种 9 针串口了，所以和单片机通信越来越趋向于使用 USB 虚拟的串口。

  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样的一个东西了，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，个人会使用的是 CH340T 这个芯片。市面上常用的开发板也是使用该芯片。

  图中左下方 J1 和 J2 是两个跳线的组合，你们可以在我们板子左下方的位置找到，我们应该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，假如没有此二极管，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，有电流会通过这一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。这一个地区可以暂时作为了解，大家如果自己做这类电路，可以借鉴一下。

  为了让大家充分理解 UART 串口通信的原理，我们先把 P3.0 和 P3.1 当做 IO 口来进行模拟实际串口通信的过程，原理搞懂后，我们再使用寄存器配置实现串口通信过程。

  对于 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，个人会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，如下图所示。第一步要选择串口助手菜单，第二步选择HEX模式，第三步选择HEX模式发送，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维持的时间是 1/9600 秒，那这一个地区选择波特率就是选 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，你们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，就是我们大家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，你们可以自己看下程序并且计算一下初值。

  波特率设置好以后，打开中断，然后等待接收串口调试助手下发的数据。接收数据的时候，首先要进行低电平检测 while (PIN_RXD)，若没有低电平则说明没有数据，一旦检测到低电平，就进入启动接收函数 StartRXD()。接收函数最开始启动半个波特率周期，初学可能这里不是很明白。大家回头看一下我们的图 11-2 里边的串口数据示意图，如果在数据位电平变化的时候去读取，因为时序上的误差以及信号稳定性的问题很容易读错数据，所以我们希望在信号最稳定的时候去读数据。除了信号变化的那个沿的位置外，其它位置都很稳定，那么我们现在就约定在信号中间位置去读取电平状态，这样能够保证我们读的一定是正确的。

  一旦读到了起始信号，我们就把当前状态设定成接收状态，并且打开定时器中断，第一次是半个周期进入中断后，对起始位进行二次判断一下，确认一下起始位是低电平，而不是一个干扰信号。以后每经过 1/9600 秒进入一次中断，并且把这个引脚的状态读到 RxdBuf 里边。等待接收完毕之后，我们再把这个 RxdBuf 加 1，再通过 TXD 引脚发送出去，同样需要先发一位起始位，然后发 8 个数据位，再发结束位，发送完毕后，程序运行到 while (PIN_RXD)，等待第二轮信号接收的开始。

  if (!PIN_RXD) //起始位为 0 时，清零接收缓冲器，准备接收数据位

  单工通信通指只允许单方向的通信，即只允许一方向另一方传递信息，而另一方不可回传信息，常见的单工通信为：收音机、广播等。

  半双工通信指信息可以在双方之间传递，但同一时刻只能由一方传递给另一方例如：对讲机，微信的语音信息等。

  全双工通信指信息可以在任意时刻在双方之间传递，例如:打电话、微信视频聊天等。

  在前文中我们使用了P30和P31I/O口来模拟串口通信，让大家更好的了解了单片机串口通信的原理与本质。但是单片机要不断的运行程序，不断的扫描I/O口来获取数据，这样就很占用单片机的时间。我们根本就不关心通信的过程，我们只需要一个通信的结果而已，最终接收到的数据即可。那我们可以在单片机的内部设计一个模块，让它自动接收数据，接收好了通知我们即可，在我们的51系列单片机中就有这样的硬件模块——UART模块。

  51单片机的UART 串口的结构由串行口控制寄存器SCON、发送和接收电路三部分构成，先来了解一下串口控制寄存器 SCON。

  前边学了那么多寄存器的配置，相信 SCON 这个地方，对于大多数同学来说已经不是难点了，应该能看懂并且能自己配置了。对于串口的四种模式，模式 1 是最常用的，就是我们前边提到的 1 位起始位，8 位数据位和 1 位停止位。下面我们就详细介绍模式 1 的工作细节和使用方法，至于其它 3 种模式与此也是大同小异，真正遇到需要使用的时候大家再去查阅相关资料就行了。

  在个人会使用 IO 口模拟串口通信的时候，串口的波特率是使用定时器 T0 的中断体现出来的。在硬件串口模块中，有一个专门的波特率发生器用来控制发送和接收数据的速度。对于STC89C52 单片机来讲，这个波特率发生器只能由定时器 T1 或定时器 T2 产生，而不能由定时器 T0 产生，这和我们模拟的通信是完全不同的概念。

  就使用定时器 T1 作为波特率发生器来讲解，方式 1 下的波特率发生器必须使用定时器 T1 的模式 2，也就是自动重装载模式，定时器的重载值计算公式为：

  和波特率有关的还有一个寄存器，是一个电源管理寄存器 PCON，他的最高位可以把波特率提高一倍，也就是如果写 PCON = 0x80 以后，计算公式就成了：

  公式中数字的含义这里解释一下，256 是 8 位定时器的溢出值，也就是 TL1 的溢出值，晶振值在我们的开发板上就是 11059200，12 是说 1 个机器周期等于 12 个时钟周期，值得关注的是这个 16，我们来重点说明。在 IO 口模拟串口通信接收数据的时候，采集的是这一位数据的中间位置，而实际上串口模块比我们模拟的要复杂和精确一些。他采取的方式是把一位信号采集 16 次，其中第 7、8、9 次取出来，这三次中其中两次如果是高电平，那么就认定这一位数据是 1，如果两次是低电平，那么就认定这一位是 0，这样一旦受到意外干扰读错一次数据，也依然可以保证最终数据的正确性。

  了解了串口采集模式，在这里要给大家留一个思考题。“晶振值/12/2/16/波特率”这个地方计算的时候，出现不能除尽，或者出现小数怎么办，允许出现多大的偏差？把这部分理解了，也就理解了我们的晶振为何使用 11.0592M 了。串口通信的发送和接收电路在物理上有 2 个名字相同的 SBUF 寄存器，它们的地址也都是 0x99，但是一个用来做发送缓冲，一个用来做接收缓冲。意思就是说，有 2 个房间，两个房间的门牌号是一样的，其中一个只出人不进人，另外一个只进人不出人，这样的话，我们就可以实现 UART 的全双工通信，相互之间不会产生干扰。但是在逻辑上呢，我们每次只操作 SBUF，单片机会自动根据对它执行的是“读”还是“写”操作来选择是接收 SBUF 还是发送 SBUF，后边通过程序，我们就会彻底了解这个问题。

  3、根据波特率计算 TH1 和 TL1 的初值，如果有需要可以使用 PCON 进行波特率加倍。

  这里还要特别注意一下，就是在使用 T1 做波特率发生器的时候，千万不要再使能 T1 的中断了。

  我们先来看一下由 IO 口模拟串口通信直接改为使用硬件 UART 模块时的程序代码，看看程序是不是简单了很多，因为大部分的工作硬件模块都替我们做了。程序功能和 IO 口模拟的是完全一样的。

  加入串口中断后，因为接收和发送触发的是同一个串口中断，所以在串口中断函数中就必须先判断是哪种中断，然后再作出相应的处理。

  1.什么是Proteus 8 Professional ？ Proteus是Lab Center Electronics公司推出的一个EDA工具软件。 Proteus具有原理布图、PCB自动或人工布线、SPICE电路仿真、互动电路仿真、仿真处理器及其外围电路等特点功能。 Proteus 8.9 安装包，内附安装教程 链接：提取码：qcyx 2.Proteus 8 Professional的使用 双击图标后进入主页面：如图： 首先我们要建立一个工程文件，点击左上角的图标或在开始设计中点击新建工程，如图： 选择合适的保

  入门——Proteus 8 Professional的使用 /

  在CVAVR系统提供的标准库函数stdio.h中，提供了getchar()函数，该函数是采用轮询方式从USART接收数据的，轮询方式不仅效率低，而且会丢失数据，不能实现多任务的并行处理。 CVAVR程序向导中给出的采用中断+缓冲的方式接受数据，同PC的串口接受数据的方法一样，充分利用了AVR的高速和RAM多的优点，体现出了如何才能充分发挥AVR的特点的程序设计思想，这种思路在32位系统中也是这样的。 使用AVR的话，对软件的设计能力要求更高了，否则根本不能发挥和体现AVR的特点。许多人有了一点C的基础，就认为采用C编写单片机程序没问题，很快就会掌握AVR了，对此我只能一笑了之。看看本站上众多的代码，再看看本贴

  实验名称：串口通信之单片机和PC计算梯形面积 MCU型号：STC12C5A60S2(12T模式) 晶振 ：11.0592MHZ 实验内容：利用单片机和PC机串口通信的工作方式1(波特率可变)，(已经晶振为11.0592MHZ)设置波特率为9600B/S，结合定时器1的工作方式2(TH1=0xfd,TL1=0xfd)，输入梯形的上底、下底、高，输出梯形面积 效果图： 参考程序： /* 文件名：串口通信值单片机和PC机计算梯形面积.c 创建人：杨瑞 创建时间：2013年2月20日 开发环境：HOT51增强型单片机开发板 程序功用：利用单片机与PC机的串口通信，计算梯形面积 附：利用单片机和PC机的串口通信的工作方式1(波特率可变)

  的使用方法 /

  的无线 引言 射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。射频识别工作无须人工干预，非接触，阅读速度快，无磨损，不受环境影响，寿命长，便于使用。目前，射频识别技术在国外发展非常迅速，射频识别产品种类繁多，已广泛用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车、火车等交通监控；高速公路自动收费系统；停车场管理系统；物品管理；仓储管理；车辆防盗等。由于我国射频识别技术起步较晚，除用于中国铁路的车号自动识别系统外，仅限于射频公交卡的应用。 在此，给出一种实现简单射频识别系统的方式。阅读器和应答器均包含在单片机控制系统中，利用2ASK调制与解调电路以及匹配网络电路，使整

  概述 LCD液晶显示的51单片机简单计算器可实现完成了两个范围在0到255的数加、减、乘、除运算，其中减法可显示负数，除法只保留整数并由LCD液晶显示。并在实验室实验箱，实现上述功能。完成该任务需要熟悉和了解控制LCD液晶屏的显示的方法，矩阵键盘读取按键值的方法、89C51系列单片机的相关知识、C51编程和数字电子技术的相关知识。 完整代码：。 方案 我使用实验室试验箱的2×8矩阵键盘作为的16个按键作为输入分别为0到9、“+”、“-”、“*”、“/”、“=”与复位，由单片机计算并通过LCD显示。 矩阵键盘

  简单计算器 /

  1.三极管认识 假如我们的开发板的硬件连接有如下情况，我们需要点亮LED,需要怎么做？ 先看左图，要想点亮LED，根据本章第一讲知识，只需“+5”与R1是短接状态即可，那么PNP型三极管就是起到被单片机IO端口控制是否允许此处短接的作用，也叫三极管是否导通。 如果单片机IO端口输出的是低电平（0V）,此时我们大家可以直观的认为“+5”那端与单片机IO端口形成压差有电流通过，而电流流向正如箭头所示，则表明此时“+5”与R1是短接状态，三极管导通，灯就被点亮了。 那单片机IO端口输出的是高电平（5V）时，则没有形成压差也就产生不了电流，那么箭头不能代表此时有电流流向这个方向，所以“+5”与R1是断开状态，灯没

  -实际LED硬件连接 /

  一、 设计方案比较与分析： 1、电机调速控制模块： 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，进而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格相对较昂贵。更主要的问题就在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案二：采用继电器对电动机的开或关来控制，通过开关的切换对小车的速度做调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以

  控制直流电机 /

  异步串行通信要求的传输线少，可靠性高，传输距离远，被大范围的应用于微机和外设的数据交换。实现串口通信主要需要完成两部分工作： 将串口电平转换为设备电路板的工作电平，即实现RS-232电平和TTL/CMOS电平的转换； 接收并且检验串行的数据，将数据变成并行的并提供给处理器处理。 实现RS-232电平和TTL/CMOS电平转换可以用接口芯片来实现，实现数据的串行到并行转换用的是UART，它们是实现串行通信必不可少的两个部分。虽然目前大部分处理器芯片中都集成了UART，但是一般FPGA芯片却没这个特点，所以使用FPGA作为处理器可以有两个选择，第一个选择是使用UART芯片进行串并转换，第二个选择是在FP

  控制器的多模块设计与实现 /

  工程开发实例导航

  解锁【W5500-EVB-Pico】，探秘以太网底层，得捷电子Follow me第4期来袭！

  【下载】LAT1317 STM32CubeProgrammer和STM32CubeIDE协同调试的方法

  【下载】LAT1334 基于MCSDK5.4.8电机库修改两电阻采样方法

  【直播】轻松使用STM32MP13x如MCU般在Cortex A 核上裸跑应用程序

  【新品】STM32H5-Arm® Cortex®-M33 内核，主频高达250MHz，提升性能与信息安全性

  【新品】STM32MP13X-支持Linux、RTOS和Bare Metal应用,新一代通用工业级MPU

  【新品】Arm® Cortex®-M33处理器内核，运行频率160 MHz，基于Armv8-M架构并带有TrustZone®

  【Matter】康普和意法半导体强强联手，让物联网设备Matter证书管理既安全又简便

  【方案】STM32WLE5 x 利尔达LoRa模组助力亚残会开幕式惊艳秀

  【新品】意法半导体发布远距离无线微控制器，提高智能计量、智能建筑和工业监控的连接能效

  2023年12月20日，中国 - 意法半导体新软件帮助工程师把STM32微控制器应用代码移植到性能更强大的STM32MP1微处理器上，将嵌入式系统模块设计性 ...

  瑞萨推出面向图形显示应用和语音/视觉多模态AI应用的 全新RA8 MCU产品群

  瑞萨基于Arm® Cortex®-M85处理器的产品在优化图形显示功能的同时，为楼宇自动化、智能家居、消费及医疗应用带来超高性能和领先的安全性2 ...

  Microchip推出PIC18-Q24 系列单片机 为增强代码安全性设置新标准

  该系列单片机新增电压电平转换功能，有助于提高灵活性并降低系统成本从手机、汽车到智能恒温器和家用电器，慢慢的变多日常设备与云端相连。随 ...

  今天就分享一个读者问到的关于中断处理的问题。 很多人都知道STM32CubeMX这套工具的一个目的：减少开发者对STM32底层驱动的开发时间，把重 ...

  在万利STM32学习板的USB摇杆例程中，摇杆的按键处理并没有消抖处理，因此重新修改了摇杆的驱动，顺便还增加了两个按键以及摇杆中键下压的驱 ...

  STM32F103+ESP8266接入机智云 实现小型IOT智能家居项目

  stm32mp1 Cortex M4开发篇2：通过GPIO点亮LED灯详解

  PIC单片机AVR单片机ARM单片机嵌入式系统汽车电子消费电子数据处理视频教程电子百科其他技术STM32MSP430单片机资源下载单片机习题与教程词云：