单片机与pc机串行通信的正稿大学学位论文.docx

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单片机与pc机串行通信的正稿大学学位论文

安徽矿业职业技术学院

毕业课题（设计）

题目单片机与PC串行通信设计

指导教师陈玉宝

院系自动化与信息工程系

班级电气自动化1201

学号125802020120

姓名吴科良

二〇一五年六月二日

安徽矿业职业技术学院

毕业课题（设计）任务书

（2012届）

题目单片机与PC串行通信设计

指导教师陈玉宝

院系自动化与信息工程系

专业电气自动化专业

班级电气自动化1201

学号125802020120

姓名吴科良

2014年10月1日至2015年6月3日

论文（设计）方向：

一、主要参考资料

王福瑞．单片微机测控系统设计大全[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1998．06

李华．MCS一51系列单片机实用接口技术[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1993．07

李朝青．PC机与单片机&DSP数据通信技术选编

（1）[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2003．12

刘金伍．单片机应用与实践[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1995．08

二、课题的内容和任务要求：

主要内容：

该设计主要采用了AT89C51单片机与PC机的控制系统的基本知识，来完成单片机与PC机的串行通信原理。

任务要求：

具体可实现由AT89C51单片机发送数据（由LCD显示），PC做接收且屏幕显示；也可由PC发送数据，由8051接收并显示至LCD

三、毕业论文（设计）进度安排：

起讫日期

工作内容

备注

10．1-10.20

查阅资料，完成开题报告

10.25-11.20

调查并完成毕业设计课题设计任务

前期检查

11.22-12.30

熟悉系统软件的环境

1.1-1.20

控制平台的建立，分析和实验及程序调试

2.1-5.22

与同学讨论并请教专业人员

中期检查

6.1-6.3

完成毕业设计请指导老师点评

学生（签名）：

年月日

指导教师（签名）：

年月日

系毕业设计（论文）工作指导小组意见：

组长（签名）

年月日

系毕业论文工作领导小组审核意见：

主管领导（签名）

年月日

注：

1.指导教师填写，任务下达人为指导教师，指导教师和接受任务的学生均应签字。

2.此任务书最迟必须在学生毕业设计（论文）开始前下达给学生。

安徽矿业职业技术学院

毕业课题（设计）

开题报告

（2012届）

题目单片机与PC串行通信设计

指导教师陈玉宝

院系自动化与信息工程系

班级电气自动化1201

学号125802020120

姓名吴科良

二〇一五年六月二日

一、选题的意义

目前，随着集成电路集成度的增加，电子计算机向微型化和超微型化方向发展，为了提高系统管理的先进性和安全性，计算机工业自动控制和监测系统越来越多地采用集总分算系统。

较为常见的形式是由一台做管理用的上位主计算机（主机）和一台直接参与控制检测的下位机（单片机）构成的主从式系统，主机和从机之间以通讯的方式来协调工作。

主机的作用一是要向从机发送各种命令及参数：

二是要及时收集、整理和分析从机发回的数据，供进一步的决策和报表。

从机被动地接受、执行主机发来的命令，并且根据主机的要求向主机回传相应烦人实时数据，报告其运行状态。

二、研究的主要内容，拟解决的主要问题（阐述的主要观点）

用串行总线技术可以使系统的硬件设计大大简化、系统的体积减小、可靠性提高。

同时，系统的更改和扩充极为容易。

提高工作的效率。

三、毕业论文（设计）思路

系统结构图

四、毕业论文（设计）提纲

1、总体设计方案

2、器件原理

3、控制系统设计原则和设计步骤/

4、结论与结果

五、主要参考文献

[1]王福瑞．单片微机测控系统设计大全[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1998．06

[2]李华．MCS一51系列单片机实用接口技术[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1993．07

[3]李朝青．PC机与单片机&DSP数据通信技术选编

（1）[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，2003．12

[4]刘金伍．单片机应用与实践[M]．北京：

北京航空航天大学出版社，1995．08

[5]刘大茂．智能仪器：

单片机应用系统设计[M]．北京：

机械工业出版社，1998．04

[6]万福君，潘松峰．单片微机原理系统设计与应用[M]．合肥：

中国科学技术大学出版社，2001．01　　

[7][美]安格斯生．串行端口大全[M]．精英科技译．北京：

中国电力出版社，2001．01

指导教师意见：

签名：

年月日

系毕业设计（论文）工作指导小组意见：

签名：

年月日

系毕业设计（论文）工作领导小组意见：

签名：

年月日

摘要

AT89C51是一款高性能的8位单片微型计算机，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度NVRAMUII（易失性随机存储器）技术，片内带有一个4KB的FLASHFPROM（可擦除、可编程只读存储器），作为INTEL8051的换代产品，其输出引脚和指令系统与MCS一51完全兼容。

由于AT89C51单片机具有集成度高、面向控制、系统结构简单、价格便宜等诸多优点，因而在智能化仪器仪表、数据采集、数据测量等方面有着广泛的应用。

但是，实际应用中单片机在数据处理能力、人机交互等方面往往不能满足要求，因而通常用PC来弥补单片机的这些不足。

例如，在工程应用中，常常由一台PC机和一台单片机构成主从式计算机测控系统。

在这样的系统中，以单片机为核心的智能测控仪表（从机）作为现场测控设备，完成数据的采集、处理和控制各种任务，同时将数据传给PC机（主机），PC机将这些数据加工处理后，进行显示、打印报表等，PC机也可以将各种控制命令传送给单片机，干预单片机系统的运行，从而发挥PC机的优势。

随着单片机和微机技术的不断发展，特别是网络技术在测控领域的广泛应用，由PC机和多台单片机构成的多机网络测控系统已成为单片机技术发展的一个方向。

它结合了单片机在实时数据采集和微机对图形处理、显示的优点。

同时，windows环境下后台微机在数据库管理上具有明显的优势。

二者结合，使得单片机的应用已不仅仅局限于传统意义上的自动监测或控制，而形成了向以网络为核心的分布式多点系统发展的趋势。

关键词：

LEDPC单片机AT89C51串行通信串行口

1、本文的设计目标...............................................11

1.1总体方案设计……………………………………………………………11

2、硬件电路设计..................................................11

2.1单片机AT89C51…………………………………………………………12

2.2LCM1601原理……………………………………………………………17

2.34×4行列式扫描键盘……………………………………………………18

2.4音频功率放大器件LM386………………………………………………18

2.5RS-232电平转换器件Max232…………………………………………18

3部分器件的原理分析……………………………………………………………19

3.1键盘扫描的工作原理…………………………………………………19

3.2按键发声原理…………………………………………………………20

4单片机软件设计…………………………………………………………………21

4.1CM1601软件子程序设计………………………………………………………21

4.2串口通信子程序设计…………………………………………………………22

4.3键盘扫描子程序设计…………………………………………………………26

4.4按键发声子程序的设计………………………………………………………27

5软硬件调试及结果………………………………………………………………29

5.1软件仿真………………………………………………………………………29

5.2调试……………………………………………………………………………29

5.3结果……………………………………………………………………………29

6、结论………………………………………………………………………………30

参考文献………………………………………………………………………………31

致谢……………………………………………………………………………………32

1、本文的设计目标

本设计是基于MSP430F149和PC机串口通讯。

在硬件上要想与PC串口或者其它带有串口的终端设备相连接，必须要进行EIA-RS-232-C与MSP430电平和逻辑关系的转换，本设计采用MAX3232芯片，完成3V～5V电平与串口电平的双向转换；本设计依据MSP430F149的串行通信模块的构成，利用其异步通信模式的特点，按照位寻址的方式设计的通信协议

1．1总体方案设计

硬件由单片机89C51、11.059M晶振，30PF电容、22uf/25V电容、10uf/25V电容10K电阻、LCM1601、4×4键盘、LM386、蜂鸣器、按键、Max232组成。

具体可实现由AT89C51键盘（P1）发送数据（由LCD显示），PC做接收且屏幕显示该值；也可由PC键盘发送数据，由8051接收并显示至LCD。

系统结构如图1-1所示。

图1-1系统结构图

LCD：

系统显示界面采用LCM1601，一行16字符的液晶显示模块，显示AT89C51接收或PC发来的数据。

键盘：

输入按键采用4行4列非编码矩阵键盘，配合液晶界面用于和PC机通信。

发声电路：

发声电路采用LM386作为音频放大电路，在有按键按下的时候会发出相应的按键音。

串行通信电平转换接口：

AT89C51与PC间的串行数据通信采用的是最简单的TxD，RxD，GND三线制连接，从单片机TX和RX端CMOS电平到PC的标准RS-232电平的转换器件选用Maxim的Max232。

2硬件电路设计

总电路图见附录C。

2.1单片机AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51的管脚图如图2-1所示。

图2-1AT89C51的管脚图

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表2-1所示：

表2-1P3口的一些特殊功能口

口管脚

备选功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

AT89C51的时序：

AT89C51的振荡器输入分别有引脚19（XTAL1）和引脚18（XTAL2）来完成。

只要将这两个引脚接石英晶体和陶瓷电容，如图图2-2所示，就可以与CPU内部组成完整的振荡电路。

AT89C51的一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，因此一个机器周期共有12个振荡周期，如振荡器的频率为12MHZ，一个振荡器周期为1/12微秒，而一个机器周期为1微秒。

图2-2AT89C51的振荡电路

在本设计中石英晶体的频率为11.0592MHZ,陶瓷电容的取值为30PF。

AT89C51的复位:

单片机微处理器的复位都是以外部电路来执行的，在CLOCK工作后，只要在RESET引脚上接上10MS以上的高电平，单片机微处理器便执行状态复位。

一、寄存器的复位

单片机在RESET为高电平控制下，程序计数器（PC）和特殊功能寄存器的复位如表2-2所示。

单片机的复位并不影响芯片内部RAM状态，只要RESET引脚保持高电平，单片机将循环复位。

在复位有效期内，ALE，PSEN将输出高电平。

表2-2寄存器复位后的状态

寄存器

复位状态

寄存器

复位状态

0000H

TMOD

00H

ACC

00H

TCON

00H

TH0

00H

PSW

00H

TL0

00H

07H

TH1

00H

DPTR

0000H

TL1

00H

P0~P3

FFH

SCON

00H

（×××00000）

SBUF

（××××××××）

（0××00000）

PCON

（0×××0000）

二、复位电路

简单复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下不会造成单片机的错误复位，但会引起内部某些寄存器的错误复位，可以在RESET引脚上接上一个去耦电容。

为了保证复位电路的可靠性，常将RC电路接斯密特电路后再接入单片机和外围IC的RESET引脚，如图2-3所示。

图2-3AT89C51的复位电路

AT89C51的串行口：

（1）基本概念

数据通信的传输方式：

常用于数据通信的传输方式有单工、半双工、全双工和多工方式。

A．单工方式：

数据仅按一个固定的方向传送。

因为这种传输方式的用途有限，常用于串行口的打印数据传输与简单系统间的数据采集。

B．双工方式：

数据可以实现双向传送，但不能同时进行，实际的应用采用某种协议实现收发开关转换。

C．全双工方式：

允许双方同时进行数据双向传送，但一般全双工电路的线路和设备比较复杂。

D．多工方式：

以上三种传输方式都是同一线路传输一种频率信号，为了充分的利用线路资源，可通过使用多路复用器或多路集线器，采用频分、时分、或码分复用技术，即可实现在同一线路上资源共享功能，我们称之为多工传输方式。

串行通信的两种通信形式

A.异步通信

在这种通信方式中，接收器和发射器有各自的时钟，他们的工作是非同步的，异步通信用一帧来表示一个字符，其内容如下：

一个起始位，紧接着是若干个数据位，图是传输45H的数据格式。

B.同步通信

同步通信格式中，发送器和接收器由同一个时钟源控制，为了克服在异步传输中，每传输一帧字符都必须加上起始位和停止位，占用了传输时间，在要求传送的数据量较大的

（2）MCS-51的串行和控制寄存器

MCS-51单片机串行口专用寄存器的SBUF为串行口的收发缓冲器，它是一个可寻址的专用寄存器，其中包含了接收器和发射器寄存器，可以实现全双工通信。

但这两个寄存器具有同一地址（99H）。

MCS-51的串行数据传输很简单，只要向缓冲器写入数据就可发送数据。

而从接收缓冲器读出数据既可接收数据。

此外，接收缓冲器前还加上一级输入移位寄存器，MCS-51这种结构的目的在于接收数据时避免发生重叠现象，文献称这种结构为双缓冲结构。

而发送数据就不需要这样设计，因为发送时，CPU是主动的，不可能出现这种情况。

串行通信控制寄存器（SCON），它是一个可寻址的专用寄存器，用于串行数据通信的控制，单元地址是98H，其结构格式如表2-3所示。

表2-3SCON寄存器结构

SCON

SM0

SM1

SM2

REN

TB8

RB8

位地址

9FH

9EH

8DH

9CH

9BH

9AH

99H

98H

下面我们对SCON控制位功能介绍如表2-4所示。

1）SM0、SM1：

串行口工作方式控制位

表2-4SCON控制位功能介绍

SM0

SM1

工作方式

功能说明

方式0

移位寄存器方式（用于I/O扩展）

方式1

8位UART，波特率可变（T1溢出率/n）

方式2

9位UART，波特率为fosc/64或fosc/32

方式3

9位UART，波特率可变（T1溢出率/n）

2）SM2：

多机通信控制位

多机通信是工作方式2和方式3，SM2位主要用于方式2和方式3。

接收状态，当串行口工作方式2或3，以及SM2=1时，只有当接收到第9位数据（RB8）为1时，才把接收的前8位数据送入SBUF，且置位RI发出中断申请，否则会将收到的数据放弃。

当SM2=0时，只有在接收到有效停止位时才启动RI，若没接收到有效停止位，则RI清“0”。

在方式0中SM2应该为“0”。

REN：

允许接收控制位。

由软件置“1”时，允许接收；软件置“0”时，不许接收。

TB8：

在方式3和方式3中要发送的第9位数据，需要时用软件置位和清零。

TB8：

在方式2和方式3中是接收到的第9位数据。

在方式1时，如SM2=0，RB8接收到的停止位。

在方式0中，不使用RB8。

TI：

发送中断标志。

由硬件在方式0发送完第8位时置“1”，或在其它方式中串行发送停止位的开始时置“1”。

必须由软件清“0”。

RI：

接收中断标志。

由硬件在方式0串行发射第8位结束时置“1”

特殊功能寄存器PCON

PCON：

主要是是CHMOS型单片机的电源控制而设置的专用寄存器，单元地址为87H其机构格式如表2-5所示。

表2-5特殊功能寄存器PCON

PCON

位符号

SMOD

—

GF1

GF0

IDL

在CHMOS型单片机中，除SMOD位外其它位均为虚设的，SMOD是串行波特率倍增位，当SMOD=1时串行口波特率加倍，系统复位默认为SMOD=0。

这里重述一下中断允许寄存器IE对串行口有影响的位ES。

ES为串行中断允许控制位，ES=1允许串行中断，ES=0，禁止串行中断。

如表2-6所示。

表2-6中断允许寄存器

符号

—

ET1

EX1

ETO

EX0

位地址

AFH

AEH

ADH

ACH

ABH

AAH

A8H

（3）串行口工作方式

串行口具有4种工作方式，我从应用和毕业设计的角度，重点讨论方式1发送。

串行口定义为方式1时传送1帧数据为10位，其中1位起始地址、8位数据位（先低位后高位）、1位停止位方式1的波特率可变，波特率=

（T1的溢出率）

2.2LCM1601原理

LCM1601是一款兼容的液晶显示模块，支持5×7点阵和16字×2行符两种模式，背光亮度和显示对比度可调，是一种功能较简易、价格较便宜的液晶显示器件。

它由液晶显示屏和驱动器两部分组成，单片机通过写控制字方式访问它的驱动器来实现对显示屏的控制。

图2-4所示为LCM1601封装图。

图2-4LCM1601封装图

器件封装为单列DIP16，引脚定义如表2-7所示。

表2-7LCM1601引脚说明

编号

标示

引脚说明

VSS

电源地

VDD

电源正极

液晶显示偏压

指令/数据选择端（H/L）

R/W

读/写选择端

使能信号

8位数据总线

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