51单片机串口通信详解

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前言

本文为笔者学习过程的笔记，主要内容为串口通信，使用的开发板为51单片机，后期会补充其他平台。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、计算机通信简介

概念：计算机与外部设备或计算机与计算机之间的信息交换。

主要的通信形式有两种：并行通信和串行通信。

并行通信：将数据字节的多位用多根数据线连接同时进行传送。
优点：控制简单、传输速度快。
缺点：长距离通信时，成本高且接受方的各位同时接收存在困难。

串行通信：将数据字节分成一位一位的形式在一条传输线上进行数据传输。
优点：传输线少、长距离传输成本低。
缺点：传输控制相对并行困难。

二、串口通信简介

1、简介

串口是一种引用十分广泛的通讯接口，串口的成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信。

51单片机、树莓派、Wemos D1等开发板，都自带UART（通用异步收发器），可以实现串口通信。

2、同步通信和异步通信

串口通信可以分为同步通信和异步通信。

2.1 同步通信

同步通信：一种比特同步通信技术，要求发收双方具有同频同相的同步时钟信号，只需在传送报文的最前面附加特定的同步字符，使发收双方建立同步，此后便在同步时钟的控制下逐位发送/接收。

同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现

2.2 异步通信

异步通信：异步通信是指通信中两个字符（8位）之间的时间间隔是不固定的，而在一个字符内各位的时间间隔是固定的。

异步通信是以字符（构成的帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，但每个字符中的各位是以固定的时间传送的，即字符之间不一定有“位间隔”的整数倍的关系，但同一字符内的各位之间的距离均为“位间隔”的整数倍。

通信的发送与接收设备使用格子的时钟控制数据的发送和接受过程。为了使双方的手法协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致

异步通信特点：
1.不要求收发双方时钟的严格一致
2.容易实现
3.设备开销较小
4.每个字符需要附加2到3位用于起止位
5.各帧之间还有间隔
6.传输效率不高

3、串行通信的传输方式

传输方式有三种，分别为单工、半双工和全双工。

单工：数据传输仅能延一个方向，不能实现反向传输。
半双工：数据传输可以延两个方向，但是需要分时进行（不能同时进行通信）。
全双工：数据可以同时进行双向传输（不需要要分时）。

4、串口通信硬件电路

1. 简单的串口通信有两根通信线（发送端TXD 和 接收端RXD）。
2. TXD 和 RXD 需要交叉连接。
3. 当只需要单向传输时，也可以只接一根传输线。
4. 当电平标标准不一致时，需要加电平转换芯片。

图示：

5、常见接口介绍

名称	引脚定义	通信方式	特点
UART	TXD、RXD	全双工、异步	点对点通信
IIC	SCL、SDL	半双工、同步	可挂载多个设备
SPI	SCLK、MOSI、MISO、CS	全双工、同步	可挂载多个设备
1-write	DQ	半双工、异步	可挂载多个设备

除此之外还有CAN、USB等。

三、串口相关寄存器详解

51单片机串口通信相关寄存器有SCON、SBUF、PCON、TMOD等

1、特殊功能寄存器SCON

SCON：用来设定串行口的工作方式、接受/发送控制以及设置状态指示。

位	7	6	5	4	3	2	1	0
地址：98H	SM0	SM1	SM2	REN	TB8	RB8	TI	RI	SCON

SM2：多机通讯控制位。在方式0时，SM2一定要等于0。在方式1中，当（SM2）=1则只有接收到有效停止位时，RI才置1。在方式2或方式3当（SM2）=1且接收到的第九位数据RB8=0时，RI才置1。

REN：接收允许控制位。由软件置位以允许接收，又由软件清0来禁止接收。

TB8: 是要发送数据的第9位。在方式2或方式3中，要发送的第9位数据，根据需要由软件置1或清0。例如，可约定作为奇偶校验位，或在多机通讯中作为区别地址帧或数据帧的标志位。

RB8：接收到的数据的第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若（SM2）=0，RB8为接收到的停止位。在方式2或方式3中，RB8为接收到的第9位数据。

TI：发送中断标志。在方式0中，第8位发送结束时，由硬件置位。在其它方式的发送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束，同时也是申请中断，可根据需要，用软件查询的方法获得数据已发送完毕的信息，或用中断的方式来发送下一个数据。TI必须用软件清0。

RI：接收中断标志位。在方式0，当接收完第8位数据后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中间时刻由硬件置位（例外情况见于SM2的说明）。RI置位表示一帧数据接收完毕，可用查询的方法获知或者用中断的方法获知。RI也必须用软件清0。

SM1，SM0：串行工作方式：

SM0	SM1	方式	说明	波特率
0	0	0	移位寄存器	fosc/12
0	1	1	10位异步收发器（8微数据）	可变
1	0	2	11位异步收发器（9微数据）	fosc/64或fosc/32
1	1	3	11位异步收发器（9微数据）	可变

2、PCON寄存器

注意：改寄存器中只有一位与串行口工作有关

位	7	6	5	4	3	2	1	0
地址：87H	SMOD								PCON

SMOD：波特率倍增位。在串口工作在方式2、方式3，波特率与SMOD有关。

当SMOD = 1时，波特率提高一倍。
当SMOD = 0时，不加倍。

3、TMOD寄存器（定时器工作方式寄存器）

位	7	6	5	4	3	2	1	0
地址：89H	GATE	C/T	M1	M0	GATE	C/T	M1	M0	TMOD

高四位为定时计数器1的设置，低四位是定时计数器0设置，串口通信波特率设置占用定时计数器1，这里主要说串口通信，不过多说定时计数器，只需要设置定时计数器1的工作方式即可

当GATE=1时，“与门”的输出信号K由INTx输入电平和TRx位的状态一起决定(即此时K=TRx·INTx)，当且仅当TRx=1,INTx=1(高电平)时，计数启动；否则，计数停止。

当INT0引脚为高电平时且TR0置位，TR0=1；启动定时器T0；

当INT1引脚为高电平时且TR1置位，TR1=1；启动定时器T1。

当GATE=0时，“或门”输出恒为1，“与门”的输出信号K由TRx决定(即此时K=TRx)，定时器不受INTx输入电平的影响，由TRx直接控制定时器的启动和停止。

当TR0=1,启动定时器T0。

当TR1=1,启动定时器T1。

C/T:定时器和计数器选择位，0为定时器，1为计数器

M1	M0	工作方式
0	0	工作方式0：为13位定时/计数器
0	1	工作方式1：为16位定时/计数器
1	0	工作方式2：8位初值自动重装定时/计数器
1	1	工作方式3：仅适用于T0，分成两个8位计数器，T1停止计数

4、代码演示（单片机和电脑通信）

main.c

#include "reg52.h"
#include "delay.h"
#include "UART.h"


#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int



void main()
{
    
    
	uart_Init();

	while(1)
	{
    
    
		 
	}
}

void uart() interrupt 4
{
    
    
	uchar  byte;
	byte = uart_Receive();

	uart_Send(byte);
}

uart.h

#ifndef __UART_H__
#define __UART_H_

void uart_Init();

void uart_Send(unsigned char send);

unsigned char uart_Receive();


#endif

uart,c

#include "reg52.h"


void uart_Init()
{
    
    
	SCON = 0x50;				//设置串口工作方式为1，也可以设置为0x50
	PCON = 0x80;				//设置波特率倍频
	TMOD &= 0x0F;				//设置定时器模式
	TMOD |=	0x20;				//设置定时器模式
	TL1 = 0xF3;					//设定定时初值
	TH1 = 0xF3;					//设定定时器重装值
	ET1 = 0;					//禁止定时器1中断
	TR1 = 1;					//打开定时器1
	ES = 1;						//打开串行口中断
	EA = 1;						//打开总中断
}

void uart_Send(unsigned char  send)
{
    
    
	SBUF = send;
	while(TI == 0);				//发送中TI=1，当发送完成后TI=0，可以作为条件来判断是否发送完成
	TI = 0;						//软件清零
}

unsigned char uart_Receive()
{
    
    	
	unsigned char receive;
	receive = SBUF;
	RI = 0;

	return receive;	  
}