51單片機-實現串口模塊教程

本章概述思維導圖：

51單片機實現串口模塊教程

通信基本概念

通信，至少是需要兩個對象，一個收一個發數據。

根據數據通信的傳輸時序協調方式，可分為：同步通信和異步通信；

根據數據通信的傳輸線路可分為：串行通信和并行通信；

根據數據通信的傳輸方向性及雙向交互能力可分為：單工通信和雙工通信（半雙工通信和全雙工通信）;

串行通信和并行通信定義

串行通信：數據按位順序傳輸，使用單條線路進行數據得傳輸。例如，發送字節?10110010?時，先傳?1，再傳?0，以此類推。

并行通信：數據的多個位（通常8位、16位等）同時通過多條線獨立線路并行傳輸。如傳輸字節?10110010，會使用8根數據線，每根線同時傳1位。

串行和并行的區別；

串行通信指同一時刻，只能收或發一個bit位信息，因此只用一根數據信號線即可；并行通信指同一時刻，可以收或發多個bit位信息，因此需要多根數據信號線才行；

同步通信和異步通信定義

同步通信：發送方與接收方通過共享時鐘線的時鐘信號，確保數據按固定時間間隔傳輸，接收方能準確預測數據到達時間；

異步通信：發送方與接收方無共享時鐘線，通過數據包或數據幀格式（如起始信號/停止位）協調傳輸數據；

同步和異步的區別：同步通訊需要有時鐘信號控制，通過時鐘線的高低電平控制數據的收發；異步通信沒有時鐘信號控制，通過數據幀格式控制數據的收發（大家約定好通信速度（波特率））；

小心得：就是一個有時鐘線提供時鐘時序，一個沒有時鐘線；

單工和半雙工、全雙工定義

單工通信：數據僅能沿固定方向單向傳輸，發送端與接收端角色不可互換。

應用場景：廣播系統（電臺→聽眾、衛星數據下行）、傳感器網絡（如溫濕度傳感器→數據中心）等；

半雙工通信：同一信道分時復用，雙方交替發送和接收。就是指同一時刻只允許發送或者接收；

應用場景：對講機、傳統Wi-Fi；

全雙工通信：雙方可同時發送和接收數據；

應用場景：電話通話、以太網交換機等；

單工和半雙工、全雙工的區別：

單工通信：單工要么收要么發，只能做接收設備或者發送設備。接收器不能發送數據給 ?發送器。例如：收音機；?

半雙工通信：雙發都可以發送數據，雙方不能同時發送數據或接收數據；只有一根發送/接收數據信號線。（特點：可以收可以發，但是不能同時收發）例如：對講機；?

全雙工通信：雙方可以同時發送或者接收數據；有兩根發送/接收數據信號線；（特點：可以同時即發送又接收數據）例如：手機

通信速率

通信速率（比特率）是衡量數據在信道中傳輸效率的核心指標，其本質是單位時間內傳輸的信息量。每秒傳輸的二進制比特數，單位為比特/秒（bps），是衡量信息量的直接指標。；例如1000bps表示每秒傳輸1000個二進制位（0或1）；

波特率是每秒傳輸的符號（碼元）數，是物理層信號變化的頻率，用于描述UART串口通信時的通信速度，其單位（bps）即每秒鐘傳送的位（bit）的數量

在二進制調制中（如UART），1符號=1比特，此時波特率=比特率

在多進制調制中（如QPSK、16QAM），1符號可攜帶多比特，波特率！=比特率

串口通信簡介

串口（UART）通訊：異步通訊、全雙工、串行通訊、總線協議；

UART通用同步異步收發器，是一種通用的串行、異步/同步通信總線。該總線有兩條數據信號線，可以實現全雙工的發送和接收；

上位機：就是連接串口的電腦或者手機上的APP軟件；是在自動化控制系統中，用于監控和控制下位機（如單片機、PLC等）的計算機。它可以直接發送操作指令給下位機，并接收下位機的反饋數據，通過用戶操作交互界面向用戶展示數據。

51單片機串口相關寄存器

一、串口控制寄存器（SCON）

SCON用于控制串口工作模式，數據收發及狀態指示，其各位定義如下：?????????

? ? ????位序	名稱	功能描述
? ????????7	SM0	串口工作模式選擇位（與SM1組合）
??????????6	SM1	串口工作模式選擇位（與SM0組合）
? ? ? ? ? 5	SM2	多機通信控制位（模式2/3時啟用）
? ? ? ? ? 4	REN	接收允許位（1=允許接收，0=禁止接收）
? ? ? ? ? 3	TB8	模式2/3時發送的第9位數據
? ????????2	RB8	模式2/3時接收的第9位數據
? ? ? ? ? 1	TI	發送中斷標志（硬件置位，軟件清零）
? ? ? ? ? 0	RI	接收中斷標志（硬件置位，軟件清零）

RI位：接收中斷標志位。當數據接收完成后由硬件自動置1，響應完中斷后必須軟件復位寫0；

TI位：發送中斷標志位。當數據發送完成后由硬件自動置1，響應完中斷后必須軟件復位寫0；

RB8位：模式2/3時接收的第9位數據；模式1，若SM2=0,則為接收到的停止位；

TB8位：模式2/3時發送的第9位數據，由軟件寫0/1；可用作于數據校驗位或多機通信中表示地址幀/數據幀的標志位；

REN位：接收運行位，使用串口接收必須將改為置1（1=允許接收，0=禁止接收）；

SM2位：多機通信控制位，模式2/3時，SM2位為1，REN位為1，則從機只有接收到RB8位為1（地址幀）時才會觸發RI位為1。SM2為0時，從而接收RB8位為0的數據幀；

SM1位：串口模式選擇位（與SM0組合）；

SM2位：串聯模式選擇位（與SM1組合）；

工作模式選擇（SM0/SM1）:

????????SM0	????????SM1	模式	特點
? ? ? ? ? ?0	?????? ? ? 0	模式0	同步移位寄存器（8位數據，波特率固定）
? ? ? ? ? 0	? ? ? ? ? ?1	模式1	8位UART，波特率可變
? ? ? ? ? 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，波特率可變

二、電源控制寄存器（PCON）

????????位序	名稱	功能描述
? ? ? ? ? ?7	SMOD	波特率倍增位（1=波特率加倍，僅模式1/2/3有效）
? ? ? ? ?6-0	保留	僅SMOD位有效，其他位為虛設或保留

三、串行口數據緩存寄存器SBUF

串行口數據緩存寄存器（SBUF）是串口通信中的核心寄存器，用于實現數據的發送和接收。

SBUF在物理上是一個寄存器，但在邏輯上分為發送緩沖區和接收緩沖器，兩者通過同一地址訪問，但功能獨立：

????????????????????????發送緩沖器：寫入SBUF的數據將被串口發送。

????????????????????????接收緩沖器：串口接收的數據將存入SBUF，供CPU讀取。

SBUF寄存器操作方式：

????????數據發送方式步驟：? ?

????????1、將待發送數據寫入SBUF。

????????2、硬件自動將SBUF中的數據通過TXD引腳（P3.1）發送。

????????3、發送完成后，發送中斷標志（TI）由硬件置位。

代碼示例：

SBUF = 0x41;  // 發送字符'A'（ASCII碼0x41）
while(!TI);   // 等待發送完成
TI = 0;       // 清零TI標志（必須軟件清零）

? ? ? ? 數據接收方式步驟：????????

????????1、啟用串口接收（通過SCON的REN位設置）。

????????2、當RXD引腳（P3.0）檢測到有效起始位時，硬件開始接收數據。

????????3、接收完成后，數據存入SBUF，接收中斷標志（RI）由硬件置位。

代碼示例：

if(RI) {      // 檢測接收標志char data = SBUF; // 讀取接收數據RI = 0;     // 清零RI標志（必須軟件清零）
}

串口工作模式

1、模式0

模式0：同步移位寄存器模式

????????數據格式：8位同步移位寄存器，LSB優先，無起始/停止位。

????????波特率：固定為晶振頻率（fosc）的1/12。

????????寄存器配置：

????????????????SCON寄存器：SM0=0，SM1=0。

數據通過RXD引腳（P3.0）輸入輸出，TXD引腳（P3.1）輸出（移位脈沖）同步時鐘。

如果設置中斷的情況下，發送/接收完成，對應中斷標志位TI/RI都會硬件置一，小伙伴們使用完中斷標志位要記得軟件清0呦！

2、模式1

模式1：8位UART模式（可變波特率）

????????數據格式：10位異步通信（1起始位+8數據位+1停止位）。

????????波特率：由定時器1的溢出率決定，計算公式為：

????????波特率=定時器時鐘頻率 / ?(12×(256?TH1初值))?

????????定時器時鐘頻率通常為fosc/12（12時鐘模式）或fosc/6（6時鐘模式）。

????????寄存器配置：

????????????????SCON寄存器：SM0=0，SM1=1。

????????????????TMOD寄存器：定時器1設為模式2（自動重裝載），TMOD=0x20。

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

3、模式2

模式2：9位UART模式（固定波特率）

????????數據格式：11位異步通信（1起始位+9數據位+1停止位）。第9位為可編程位（TB8）。

????????波特率：由PCON寄存器的SMOD位控制：

????????SMOD=0時，波特率=fosc/64；

????????SMOD=1時，波特率=fosc/32。

????????寄存器配置：

????????????????SCON寄存器：SM0=1，SM1=0。

????????????????PCON寄存器：SMOD位根據需求設置（例如，波特率倍增時SMOD=1）。

應用場景：多機通信中，第9位可用于地址識別（如TB8=1表示地址幀）。

4、模式3

模式3：9位UART模式（可變波特率）

????????數據格式：與模式2相同，但波特率生成方式不同。

????????波特率：由定時器1的溢出率決定，計算公式與模式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配置與模式1相同，但需結合PCON的SMOD位優化波特率。

應用場景：需高波特率或多機通信的復雜場景，如工業控制網絡。

串口計算波特率

計算波特率方法：

????????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 )]}

在這里我使用串口波特率計算器進行計算，也會打包成文件方便大家使用喲！

51單片機串口配置步驟

配置步驟：

? ? ? ? 1、確定T1的工作方式（TMOD寄存器）：選擇定時器1的方式2，波特率的產生

????????2、確定串口工作方式（SCON寄存器）：一般選擇選擇串口方式1

????????3、計算T1的初值（設定波特率），賦初值裝載到TH1、TL1；

????????4、啟動T1（TCON中的TR1位）；

????????5、如果使用中斷，需開啟串口中斷控制器位（IE寄存器），并開啟總中斷位EA位

代碼示例：

Void UART_Init(u8 baud)    //串口配置函數：形參為定時器計數的初值
{TMOD|=0x20;		//設置計數器工作方式2SCON=0x50;		//設置為工作方式1PCON=0x80;		//波特率加倍TH1=baud;       //賦初值TL1=baud;ES=1;			//開啟接收中斷EA=1；			//打開總中斷TR1=1；			//打開計數器
}

串口模塊硬件電路原理圖分析

小伙伴們看這個電路圖是不是非常熟悉，是我們之前學習51開發板最小系統中的下載電路，它不僅是USB轉TTF電路也是開發板與電腦上位機軟件進行串口通信的電路，因為我們下載燒錄程序的時也是用的是串口功能實現燒錄的；同時我們要使用串口與電腦上位機軟件實現通信功能需要將P5底座進行跳線帽的連接。

觀察圖中CH340G是一款USB轉串口芯片，負責將PC的USB信號轉換為TTL串口信號（RXD/TXD），從而與51單片機的串口通信模塊（如STC89C52的P3.0/P3.1）對接。

電源引腳：

? ? ? ? USB的5V（VCC）連接到CH340G的VCC引腳，為芯片供電。

? ? ? ? USB的GND與CH340G的GND引腳連接，形成公共地。

數據引腳：

? ? ? ? USB的D+和D-分別連接到CH340G的UD+和UD-引腳，實現USB通信。

串口引腳：

? ? ? ? CH340G的TXD引腳 → 單片機的RXD（如P3.0），用于向單片機發送數據。

? ? ? ? CH340G的RXD引腳 → 單片機的TXD（如P3.1），用于接收單片機發送的數據。

串口模塊軟件編程設計

實現三個主題任務：

任務一：實現串口助手（上位機）發送數據給單片機，單片機接收到后原封不動轉發給串口助手（上位機）顯示；

實現步驟：

1、我們首先要進行串口初始化函數的配置，配置內容有配置定時器1的工作模式3，這是為了生成波特率。在配置串口的工作模式，并開啟定時器和串口中斷

2、配置串口中斷服務函數

代碼示例：


#include "reg52.h"void UART_Init(u8 bps)//串口初始時化函數：形參為定時器1賦初值
{TMOD|=0x20;			//配置定時器1工作模式3，用或運算是避免影響其他定時器初始化SCON=0x50;			//配置串口工作模式1，開啟接收允許位PCON=0x80;			//波特率加倍TH1=bps;			//賦初值TL1=bps;ES=1;				//串口中斷允許位開啟EA=1;				//總中斷允許位開啟TR1=1;				//定時器1開啟
}void UART_ISR()	interrupt 4
{u8 dat=0;RI=0;				//接收中斷軟件清零dat=SBUF;			//從SBUF寄存器中取值SBUF=dat;			//將數據發送給上位機while(!TI);			//等待發送完成TI=0;				//發送中斷軟件清零
}
int main()
{UART_Init(0xFA);while(1){}
}

效果展示：

任務二：實現串口發送數據給上位機，本任務是我們主動控制MCU利用串口發送數據給上位機

實現步驟：

1、在上面的基礎上我們構建串口發送一字節數據函數

2、利用串口一字節數據發送函數實現串口數據包發生函數

代碼示例：

#include "TYPEDEF.h"
#include "reg52.h"void UART_Init(u8 bps)//串口初始時化函數：形參為定時器1賦初值
{TMOD|=0x20;			//配置定時器1工作模式3，用或運算是避免影響其他定時器初始化SCON=0x50;			//配置串口工作模式1，開啟接收允許位PCON=0x80;			//波特率加倍TH1=bps;			//賦初值TL1=bps;ES=1;				//串口中斷允許位開啟EA=1;				//總中斷允許位開啟TR1=1;				//定時器1開啟
}
void UART_TX(u8 temp)//串口發送一字節函數
{ES=0;				//在串口初始化函數中我們開啟了串口中斷，在這里我們先關閉等數據發生完成在開啟TI=0;SBUF=temp; 			//開始發送數據while(!TI);			//等待數據發送完成TI=0;				//軟件請0ES=1;				//開啟串口中斷
}
void USAR_TxPacket(u8 *temps)//串口發送數據包函數
{while(*temps){UART_TX(*temps++);Delay_10us(2);	}}
void UART_ISR()	interrupt 4
{u8 dat=0;RI=0;				//接收中斷軟件清零}
int main()
{UART_Init(0xFA);USAR_TxPacket((u8*)"今晚夜色不錯，抬頭看看月光\n");while(1){}
}

效果展示：

任務三：上位機給串口發送控制指令，串口根據控制指令完成相應的步驟（模擬物聯網控制）

實現步驟：

1、創建一個接收緩沖區數組，接收緩存區數組標志位，接收標志位。（判斷接收完成要依靠\r\n標志符）

2、在串口中斷服務函數中判斷是否接收數據，接收到數據，放入到緩沖區數組中

3、在主函數中判斷緩沖區數組的數據是否與控制指令相同，相同執行開燈，關燈指令；

代碼示例：

#include "TYPEDEF.h"
#include "reg52.h"
#include "LED.h"
void UART_Init(u8 bps)//串口初始時化函數：形參為定時器1賦初值
{TMOD|=0x20;			//配置定時器1工作模式3，用或運算是避免影響其他定時器初始化SCON=0x50;			//配置串口工作模式1，開啟接收允許位PCON=0x80;			//波特率加倍TH1=bps;			//賦初值TL1=bps;ES=1;				//串口中斷允許位開啟EA=1;				//總中斷允許位開啟TR1=1;				//定時器1開啟
}
void UART_TX(u8 temp)//串口發送一字節函數
{ES=0;				//在串口初始化函數中我們開啟了串口中斷，在這里我們先關閉等數據發生完成在開啟TI=0;SBUF=temp; 			//開始發送數據while(!TI);			//等待數據發送完成TI=0;				//軟件請0ES=1;				//開啟串口中斷
}
void USAR_TxPacket(u8 *temps)//串口發送數據包函數
{while(*temps){UART_TX(*temps++);Delay_10us(2);	}}
u8 UART_buff[10]=0;		//緩沖區接收數組
u8 UART_cnt=0;			//緩存區數組下標
u8 UART_flag=0;				//標志位
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*)"今晚夜色不錯，抬頭看看月光\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;}}	}
}

制作不易！喜歡的小伙伴給個小贊贊！喜歡我的小伙伴點個關注！有不懂的地方和需要的資源隨時問我喲！