51单片机-实现串口模块教程

本章概述思维导图：

51单片机实现串口模块教程

通信基本概念

通信，至少是需要两个对象，一个收一个发数据。

根据数据通信的传输时序协调方式，可分为：同步通信和异步通信；

根据数据通信的传输线路可分为：串行通信和并行通信；

根据数据通信的传输方向性及双向交互能力可分为：单工通信和双工通信（半双工通信和全双工通信）;

串行通信和并行通信定义

串行通信：数据按位顺序传输，使用单条线路进行数据得传输。例如，发送字节 10110010 时，先传 1，再传 0，以此类推。

并行通信：数据的多个位（通常8位、16位等）同时通过多条线独立线路并行传输。如传输字节 10110010，会使用8根数据线，每根线同时传1位。

串行和并行的区别；

串行通信指同一时刻，只能收或发一个bit位信息，因此只用一根数据信号线即可；并行通信指同一时刻，可以收或发多个bit位信息，因此需要多根数据信号线才行；

同步通信和异步通信定义

同步通信：发送方与接收方通过共享时钟线的时钟信号，确保数据按固定时间间隔传输，接收方能准确预测数据到达时间；

异步通信：发送方与接收方无共享时钟线，通过数据包或数据帧格式（如起始信号/停止位）协调传输数据；

同步和异步的区别：同步通讯需要有时钟信号控制，通过时钟线的高低电平控制数据的收发；异步通信没有时钟信号控制，通过数据帧格式控制数据的收发（大家约定好通信速度（波特率））；

小心得：就是一个有时钟线提供时钟时序，一个没有时钟线；

单工和半双工、全双工定义

单工通信：数据仅能沿固定方向单向传输，发送端与接收端角色不可互换。

应用场景：广播系统（电台→听众、卫星数据下行）、传感器网络（如温湿度传感器→数据中心）等；

半双工通信：同一信道分时复用，双方交替发送和接收。就是指同一时刻只允许发送或者接收；

应用场景：对讲机、传统Wi-Fi；

全双工通信：双方可同时发送和接收数据；

应用场景：电话通话、以太网交换机等；

单工和半双工、全双工的区别：

单工通信：单工要么收要么发，只能做接收设备或者发送设备。接收器不能发送数据给发送器。例如：收音机；

半双工通信：双发都可以发送数据，双方不能同时发送数据或接收数据；只有一根发送/接收数据信号线。（特点：可以收可以发，但是不能同时收发）例如：对讲机；

全双工通信：双方可以同时发送或者接收数据；有两根发送/接收数据信号线；（特点：可以同时即发送又接收数据）例如：手机

通信速率

通信速率（比特率）是衡量数据在信道中传输效率的核心指标，其本质是单位时间内传输的信息量。每秒传输的二进制比特数，单位为比特/秒（bps），是衡量信息量的直接指标。；例如1000bps表示每秒传输1000个二进制位（0或1）；

波特率是每秒传输的符号（码元）数，是物理层信号变化的频率，用于描述UART串口通信时的通信速度，其单位（bps）即每秒钟传送的位（bit）的数量

在二进制调制中（如UART），1符号=1比特，此时波特率=比特率

在多进制调制中（如QPSK、16QAM），1符号可携带多比特，波特率！=比特率

串口通信简介

串口（UART）通讯：异步通讯、全双工、串行通讯、总线协议；

UART通用同步异步收发器，是一种通用的串行、异步/同步通信总线。该总线有两条数据信号线，可以实现全双工的发送和接收；

上位机：就是连接串口的电脑或者手机上的APP软件；是在自动化控制系统中，用于监控和控制下位机（如单片机、PLC等）的计算机。它可以直接发送操作指令给下位机，并接收下位机的反馈数据，通过用户操作交互界面向用户展示数据。

51单片机串口相关寄存器

一、串口控制寄存器（SCON）

SCON用于控制串口工作模式，数据收发及状态指示，其各位定义如下：

位序	名称	功能描述
7	SM0	串口工作模式选择位（与SM1组合）
6	SM1	串口工作模式选择位（与SM0组合）
5	SM2	多机通信控制位（模式2/3时启用）
4	REN	接收允许位（1=允许接收，0=禁止接收）
3	TB8	模式2/3时发送的第9位数据
2	RB8	模式2/3时接收的第9位数据
1	TI	发送中断标志（硬件置位，软件清零）
0	RI	接收中断标志（硬件置位，软件清零）

RI位：接收中断标志位。当数据接收完成后由硬件自动置1，响应完中断后必须软件复位写0；

TI位：发送中断标志位。当数据发送完成后由硬件自动置1，响应完中断后必须软件复位写0；

RB8位：模式2/3时接收的第9位数据；模式1，若SM2=0,则为接收到的停止位；

TB8位：模式2/3时发送的第9位数据，由软件写0/1；可用作于数据校验位或多机通信中表示地址帧/数据帧的标志位；

REN位：接收运行位，使用串口接收必须将改为置1（1=允许接收，0=禁止接收）；

SM2位：多机通信控制位，模式2/3时，SM2位为1，REN位为1，则从机只有接收到RB8位为1（地址帧）时才会触发RI位为1。SM2为0时，从而接收RB8位为0的数据帧；

SM1位：串口模式选择位（与SM0组合）；

SM2位：串联模式选择位（与SM1组合）；

工作模式选择（SM0/SM1）:

SM0	SM1	模式	特点
0	0	模式0	同步移位寄存器（8位数据，波特率固定）
0	1	模式1	8位UART，波特率可变
1	0	模式2	9位UART，波特率固定（PCON寄存器中SMOD位控制）
1	1	模式3	9位UART，波特率可变

二、电源控制寄存器（PCON）

位序	名称	功能描述
7	SMOD	波特率倍增位（1=波特率加倍，仅模式1/2/3有效）
6-0	保留	仅SMOD位有效，其他位为虚设或保留

三、串行口数据缓存寄存器SBUF

串行口数据缓存寄存器（SBUF）是串口通信中的核心寄存器，用于实现数据的发送和接收。

SBUF在物理上是一个寄存器，但在逻辑上分为发送缓冲区和接收缓冲器，两者通过同一地址访问，但功能独立：

发送缓冲器：写入SBUF的数据将被串口发送。

接收缓冲器：串口接收的数据将存入SBUF，供CPU读取。

SBUF寄存器操作方式：

数据发送方式步骤：

1、将待发送数据写入SBUF。

2、硬件自动将SBUF中的数据通过TXD引脚（P3.1）发送。

3、发送完成后，发送中断标志（TI）由硬件置位。

代码示例：

SBUF = 0x41;  // 发送字符'A'（ASCII码0x41）
while(!TI);   // 等待发送完成
TI = 0;       // 清零TI标志（必须软件清零）

数据接收方式步骤：

1、启用串口接收（通过SCON的REN位设置）。

2、当RXD引脚（P3.0）检测到有效起始位时，硬件开始接收数据。

3、接收完成后，数据存入SBUF，接收中断标志（RI）由硬件置位。

代码示例：

if(RI) {      // 检测接收标志char data = SBUF; // 读取接收数据RI = 0;     // 清零RI标志（必须软件清零）
}

串口工作模式

1、模式0

模式0：同步移位寄存器模式

数据格式：8位同步移位寄存器，LSB优先，无起始/停止位。

波特率：固定为晶振频率（fosc）的1/12。

寄存器配置：

SCON寄存器：SM0=0，SM1=0。

数据通过RXD引脚（P3.0）输入输出，TXD引脚（P3.1）输出（移位脉冲）同步时钟。

如果设置中断的情况下，发送/接收完成，对应中断标志位TI/RI都会硬件置一，小伙伴们使用完中断标志位要记得软件清0呦！

2、模式1

模式1：8位UART模式（可变波特率）

数据格式：10位异步通信（1起始位+8数据位+1停止位）。

波特率：由定时器1的溢出率决定，计算公式为：

波特率=定时器时钟频率 / (12×(256−TH1初值))

定时器时钟频率通常为fosc/12（12时钟模式）或fosc/6（6时钟模式）。

寄存器配置：

SCON寄存器：SM0=0，SM1=1。

TMOD寄存器：定时器1设为模式2（自动重装载），TMOD=0x20。

TH1/TL1：设置波特率初值，例如9600bps时（fosc=11.0592MHz，SMOD=0），TH1=0xFD。

3、模式2

模式2：9位UART模式（固定波特率）

数据格式：11位异步通信（1起始位+9数据位+1停止位）。第9位为可编程位（TB8）。

波特率：由PCON寄存器的SMOD位控制：

SMOD=0时，波特率=fosc/64；

SMOD=1时，波特率=fosc/32。

寄存器配置：

SCON寄存器：SM0=1，SM1=0。

PCON寄存器：SMOD位根据需求设置（例如，波特率倍增时SMOD=1）。

应用场景：多机通信中，第9位可用于地址识别（如TB8=1表示地址帧）。

4、模式3

模式3：9位UART模式（可变波特率）

数据格式：与模式2相同，但波特率生成方式不同。

波特率：由定时器1的溢出率决定，计算公式与模式1一致，但支持更高波特率（因 SMOD可倍增）。

寄存器配置：

SCON寄存器：SM0=1，SM1=1。

TMOD/TH1/TL1配置与模式1相同，但需结合PCON的SMOD位优化波特率。

应用场景：需高波特率或多机通信的复杂场景，如工业控制网络。

串口计算波特率

计算波特率方法：

方式0：波特率（固定）=fosc / 12

方式1：波特率=（2的SMOD次方 / 32）* （T1溢出率）

方式2：波特率（固定）=（2的SMOD次方 / 64）* fosc

方式3：波特率=（2的SMOD 次方/ 32）* （T1溢出率）

其中T1溢出率=fosc / { 12 * [ 256 - ( TH1 )]}

在这里我使用串口波特率计算器进行计算，也会打包成文件方便大家使用哟！

51单片机串口配置步骤

配置步骤：

1、确定T1的工作方式（TMOD寄存器）：选择定时器1的方式2，波特率的产生

2、确定串口工作方式（SCON寄存器）：一般选择选择串口方式1

3、计算T1的初值（设定波特率），赋初值装载到TH1、TL1；

4、启动T1（TCON中的TR1位）；

5、如果使用中断，需开启串口中断控制器位（IE寄存器），并开启总中断位EA位

代码示例：

Void UART_Init(u8 baud)    //串口配置函数：形参为定时器计数的初值
{TMOD|=0x20;		//设置计数器工作方式2SCON=0x50;		//设置为工作方式1PCON=0x80;		//波特率加倍TH1=baud;       //赋初值TL1=baud;ES=1;			//开启接收中断EA=1；			//打开总中断TR1=1；			//打开计数器
}

串口模块硬件电路原理图分析

小伙伴们看这个电路图是不是非常熟悉，是我们之前学习51开发板最小系统中的下载电路，它不仅是USB转TTF电路也是开发板与电脑上位机软件进行串口通信的电路，因为我们下载烧录程序的时也是用的是串口功能实现烧录的；同时我们要使用串口与电脑上位机软件实现通信功能需要将P5底座进行跳线帽的连接。

观察图中CH340G是一款USB转串口芯片，负责将PC的USB信号转换为TTL串口信号（RXD/TXD），从而与51单片机的串口通信模块（如STC89C52的P3.0/P3.1）对接。

电源引脚：

USB的5V（VCC）连接到CH340G的VCC引脚，为芯片供电。

USB的GND与CH340G的GND引脚连接，形成公共地。

数据引脚：

USB的D+和D-分别连接到CH340G的UD+和UD-引脚，实现USB通信。

串口引脚：

CH340G的TXD引脚 → 单片机的RXD（如P3.0），用于向单片机发送数据。

CH340G的RXD引脚 → 单片机的TXD（如P3.1），用于接收单片机发送的数据。

串口模块软件编程设计

实现三个主题任务：

任务一：实现串口助手（上位机）发送数据给单片机，单片机接收到后原封不动转发给串口助手（上位机）显示；

实现步骤：

1、我们首先要进行串口初始化函数的配置，配置内容有配置定时器1的工作模式3，这是为了生成波特率。在配置串口的工作模式，并开启定时器和串口中断

2、配置串口中断服务函数

代码示例：


#include "reg52.h"void UART_Init(u8 bps)//串口初始时化函数：形参为定时器1赋初值
{TMOD|=0x20;			//配置定时器1工作模式3，用或运算是避免影响其他定时器初始化SCON=0x50;			//配置串口工作模式1，开启接收允许位PCON=0x80;			//波特率加倍TH1=bps;			//赋初值TL1=bps;ES=1;				//串口中断允许位开启EA=1;				//总中断允许位开启TR1=1;				//定时器1开启
}void UART_ISR()	interrupt 4
{u8 dat=0;RI=0;				//接收中断软件清零dat=SBUF;			//从SBUF寄存器中取值SBUF=dat;			//将数据发送给上位机while(!TI);			//等待发送完成TI=0;				//发送中断软件清零
}
int main()
{UART_Init(0xFA);while(1){}
}

效果展示：

任务二：实现串口发送数据给上位机，本任务是我们主动控制MCU利用串口发送数据给上位机

实现步骤：

1、在上面的基础上我们构建串口发送一字节数据函数

2、利用串口一字节数据发送函数实现串口数据包发生函数

代码示例：

#include "TYPEDEF.h"
#include "reg52.h"void UART_Init(u8 bps)//串口初始时化函数：形参为定时器1赋初值
{TMOD|=0x20;			//配置定时器1工作模式3，用或运算是避免影响其他定时器初始化SCON=0x50;			//配置串口工作模式1，开启接收允许位PCON=0x80;			//波特率加倍TH1=bps;			//赋初值TL1=bps;ES=1;				//串口中断允许位开启EA=1;				//总中断允许位开启TR1=1;				//定时器1开启
}
void UART_TX(u8 temp)//串口发送一字节函数
{ES=0;				//在串口初始化函数中我们开启了串口中断，在这里我们先关闭等数据发生完成在开启TI=0;SBUF=temp; 			//开始发送数据while(!TI);			//等待数据发送完成TI=0;				//软件请0ES=1;				//开启串口中断
}
void USAR_TxPacket(u8 *temps)//串口发送数据包函数
{while(*temps){UART_TX(*temps++);Delay_10us(2);	}}
void UART_ISR()	interrupt 4
{u8 dat=0;RI=0;				//接收中断软件清零}
int main()
{UART_Init(0xFA);USAR_TxPacket((u8*)"今晚夜色不错，抬头看看月光\n");while(1){}
}

效果展示：

任务三：上位机给串口发送控制指令，串口根据控制指令完成相应的步骤（模拟物联网控制）

实现步骤：

1、创建一个接收缓冲区数组，接收缓存区数组标志位，接收标志位。（判断接收完成要依靠\r\n标志符）

2、在串口中断服务函数中判断是否接收数据，接收到数据，放入到缓冲区数组中

3、在主函数中判断缓冲区数组的数据是否与控制指令相同，相同执行开灯，关灯指令；

代码示例：

#include "TYPEDEF.h"
#include "reg52.h"
#include "LED.h"
void UART_Init(u8 bps)//串口初始时化函数：形参为定时器1赋初值
{TMOD|=0x20;			//配置定时器1工作模式3，用或运算是避免影响其他定时器初始化SCON=0x50;			//配置串口工作模式1，开启接收允许位PCON=0x80;			//波特率加倍TH1=bps;			//赋初值TL1=bps;ES=1;				//串口中断允许位开启EA=1;				//总中断允许位开启TR1=1;				//定时器1开启
}
void UART_TX(u8 temp)//串口发送一字节函数
{ES=0;				//在串口初始化函数中我们开启了串口中断，在这里我们先关闭等数据发生完成在开启TI=0;SBUF=temp; 			//开始发送数据while(!TI);			//等待数据发送完成TI=0;				//软件请0ES=1;				//开启串口中断
}
void USAR_TxPacket(u8 *temps)//串口发送数据包函数
{while(*temps){UART_TX(*temps++);Delay_10us(2);	}}
u8 UART_buff[10]=0;		//缓冲区接收数组
u8 UART_cnt=0;			//缓存区数组下标
u8 UART_flag=0;				//标志位
void UART_ISR()	interrupt 4
{u8 dat=0;if(RI){RI=0;				//接收dat=SBUF;if(UART_cnt>=9 || UART_buff[UART_cnt]=='\n' ){UART_buff[UART_cnt]='\0';UART_flag=1;}else{UART_buff[UART_cnt++]=dat;}}}
int main()
{UART_Init(0xFA);//USAR_TxPacket((u8*)"今晚夜色不错，抬头看看月光\n");while(1){if(UART_flag){if(!strcmp((char *)UART_buff,"LED_ON")){LED=0;UART_flag=0;UART_cnt=0;}if(!strcmp((char *)UART_buff,"LED_OFF")){LED=1;UART_flag=0;UART_cnt=0;}}	}
}

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