1、引言 第 1 页 (共 43 页 ) 安徽矿业职业技术学院 毕业 课题 （ 设计 ）任务书 （ 2015 届） 题 目 指导教师 院 系 专 业 班 级 学 号 姓 名 20 年 月 日至 20 年 月 日共 周 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 2 页 (共 43 页 ) 1 引言 1.1 选题背景 3 1.2 目的和意义 4 1.3 国内外发展现状 5 2 系统分析 2.1 系统功能概述 6 2.2 系统要求及主要内容 6 2.3 系统技术指标 7 3 系统总体设计 3.1 硬件电路设计思路 8 3.2 软件设计思路 9 4 硬件电路设计 10 4.1 单片机模块 10 4.
2、2 红外通信（发射与接收）模块 18 4.3 PC 机模块 21 5 串行口通信技术 24 5.1 单片机串行口通信技术 25 5.2 PC 机串口通信技术 28 6 软件设计 30 6.1 单片机通信程序设计 30 6.2 PC机通信程序设计 6.2 PC机通信程序设计 引言 第 3 页 (共 43 页 ) PC 机 MCS-51 单片机的串口通信 1 引言 1.1 选题背景 在国内外，以 PC 机作为上位机，单片机作为下位机的控制系统中， PC 机通常以软件界面进行人机交互，以串行通信方式与单片机进行积极交互，而单片机系统根据被控对象配置相应的前向，后向信息通道，工作时作为主控机测对象，作
3、为被控机接受 PC 机监督，指挥，定期或受命向上位机提供对象及本身的工作状态信息。 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，微型计算机已成为导弹，智能机器人，人类宇宙和太空和太空奥妙复杂系统不可缺少的智能部件。在一些工业控制中，经常需要以多台单片机作为下位机执行对被控对象的直接控制，以一台 PC 机为上位机完成复杂的数据处理，组成一种以集中管理、分散控制为特点的集散控制系统。 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
4、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。 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。 MCS-51 系列单片机，由于内部带有一个可用于异步通讯的全双工的穿行通讯接口，阴齿可以很方 便的构成一个主从式系统。 串口是计算机上一种非常通用的设备通讯协议，大多数计算机包容两个基于RS232 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通过用的
5、通讯协议，很多 GPIB兼容的设备也带有 RS-232 口。同时串口通讯协议也可以用于获取远程采集设备数据。所以，深入的理解学习和研究串口通信相关知识是非常必要的。此次毕业设计选题为 “PC机与 MCS-51 单片机的串口通讯 ”，使用 51 单片机来实现一个主从式的总线通讯系统。通过此次设计，对串口通讯的原理和应用融会贯通，为以后的时间工作储备知识和研究方法。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 4 页 (共 43 页 ) 1.2 目的和意义 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
6、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。 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。 MCS-51 系列单片机，由于内部带有一个可用于异步通讯的全双工的穿行通讯接口，阴齿可以很方便的构成一个主从式系统。 串口是计算机上一种非常通用的设备通讯协议，大多数计算机包容两个基于R
7、S232 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通过用的通讯协议，很多 GPIB兼容的设备也带有 RS-232 口。同时串口通讯协议也可以用于获取远程采集设备数据。所以，深入的理解学习和研究串口通信相关知识是非常必要的。此次毕业设计选题为 “PC机与 MCS-51 单片机的串口通讯 ”，使用 51 单片机来实现一个主从式的总线通讯系统。通过此次设计，对串口通讯的原理和应用融会贯通，为以后的时间工作储备知识和研究方法。 1.3 国内外发展现状 在国内外，以 PC 机作为上位机，单片机作为下位机的控制系统中， PC 机通常以软件界面进行人机交互，以串行通信方式与单片机进行积极交互，而单片机系统根引言 第
8、 5 页 (共 43 页 ) 据被控对象配置相应的前向，后向信息通道，工作时作为主控机测对象，作为被控机接受 PC 机监督，指挥，定期或受命向上位机提供对象及本身的工作状态信息。 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，微型计算机已成为导弹，智能机器人，人类宇宙和太空和太空奥妙复杂系统不可缺少的智能部件。在一些工业控制中，经常需要以多台单片机作为下位机执行对被控对象的直接控制，以一台 PC 机为上位机完成复杂的数据处理，组成一种以集中管理、分散控制为特点的集散控制系统。 PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 6 页 (共 43 页 ) 2 系统分析 2
9、.1 系统功能概述 系统主要实现功能是 :由 PC机键盘的输入发送给 MCS-51单片机 ,单片机接收到 PC 机发来的数据后 ,回送同一数据给 PC 机 ,并在 PC 机屏幕上显示出来。只要PC 机屏幕上显示的字符与键入的字符相同，即表明 PC 机与单片机间通信正常，红外通信成功。 微机与单片机红外线通信系统 ,由于我们本次毕业设计采用的是红外通信方式，考虑到红外通信存在发射与接收之间的相互干扰，所以本次设计采用是半双工 (Half Duplex)串口通信，微机与单片机两个部分。微机部分是通过串口 RS-232的 TXD 口发送数据，经电平转换电路之后送红外发射电路发射出去，由单片机部分接收
10、，并相应的处理、显示之后再经红外发射电路返回给 PC 机， PC 机检验发送与接受是否一致，标志着设计的成与败。微机部分用 Visual Basic 软件编写的界面作为 PC 机部分与单片机进行串口之间通信，其界面的设计、电平转换电路和红外发射、接收电 路以及单片机部分的电路的设计等将在以下章节作详细地设计。 从实用的角度看，评价一个系统实用价值的重要标准，就是这个系统对社会生活和科技观念有多大的贡献。随着生活节奏的加快，人们将更加钟情于个人信息终端的智能化互联。另一方面，用无线设备来代替安全隐患的工作区采集数据，更加安全。因此，红外线有其不可估量的实用价值！ 2.2 系统要求及主要内容 将微
11、机中的二进制或 ASC 数据通过微机的 RS 232 串口经红外发射器发送缎带单片机，再由单片机将接收的二进制或 ASC 数据通过串口经红外发射器发送给微机，在微机中检查发送的二进制或 ASC 数据与接收到的二进制数据是否一致。 （ 1） 单片机部分主要完成接收微机发送的数据和将接收的数据回送给 机； （ 2） 红外发发射部分完成将微机或单片机发送的数据通过红外发送给红外接收器。 系统分析 第 7 页 (共 43 页 ) （ 3） 红外接收部分主要完成接收红外信号并将红外信号转换为数据送给计算机。 （ 4） PC机部分主要完成将数据的发送给单片机和接受单片机发送的数据。 2.3 系统技术指标
12、微机与单片机红外线通信的主要完成以下功能： 单片机部分： （ 1）设计并制作单片机 的串口通信的硬件系统； （ 2）用汇编语言编制串口通信软件； （ 3）要求把从微机发送来的原样发送回微机； 红外发射部分： （ 1）自行设计红外发送器 （ 2）红外发送距离大于 50cm （ 3）系统稳定、抗干扰能力强 红外接收部分： （ 1）自行设计红外接收器 （ 2）红外接收器的稳定、抗干扰能力要强 PC 机部分： （ 1）在微机部分采用 Visual Basic 编制 RS232 通信软件 （ 2）通信软件具有数据发送和数据接受编辑框 （ 3）通信软件要实现发送数据与接受数据一致 根据系统要实现的功能以及
13、要求，要实现单片机和 PC机之间的红外通信，主要是实现上下微机之间能够互通信息，而采用红外通信，就是利用这种非电信号传送控制信息和数据信息，省去了有线方式信号线的直接连接，属完全隔离状态，安全可靠，能有效地隔离电气干扰，同时使用简单，移动方便，实现了通信双方非接触式的数据传送。它可以应用于高压、辐射、潮湿、有毒气体、粉尘等不利于人们现场控制的环境下，这种红外通信方案也可用于其它遥控、遥测的单片机应用场合。 红外通信的重点在于信号的调制 与解调，完成低误码率、高速率的信息传输。目前红外 通信 技术和集成技术的发展已将此方面做的比较平民化了。以普通的集成红外头为核心的红外收发模块即可完成此功能。单
14、片机可通过编程控制外围部件，能实现较高的自动化程度。PC 机与 MCS-51 单片机的串口通信 第 8 页 (共 43 页 ) 以它为系统核心的控制模块可实现主从控制，完成预定的任务。系统的进一步升级是与上位机实现红外通信，实现与整个网络的连通，达到资源共享和远程控制，这在当今这个信息化的社会里是非常有价值的 ! 3 系统总体设计 3.1 硬件电路设计思路 硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的原理框图、电路原理图。 89C51单片机通过普通 I/O口与 PC机 RS 232串口实现通信的硬件接口电路如图 2 所示。由于 PC 系列
15、微机串行口为 RS232C 标准接口，与输入、输出均采 TTL 电平的89C51 单片机在接口规范上不一致，因此 TTL 电平到 RS 232 接口电平的转换采用MAXIM 公司的 MAX232 标准 MAX232CPE接口芯片，该芯片可以用单电压（ +5V）实现 RS232接口逻辑 “1”（ -3V -15V）和逻辑 “0”（ +3V +15V）的电平转换。 (1) 单片机部分硬件设计思路：本次设计单片机部分的硬件框图如图 3 1所示。 图 3 1 单片机部分硬件框图 (2) PC 机部分硬件设计思路： PC 机与单片机之间的红外数据收发装置的结构非常简单，其结构框图如图 3 2 所示。 P
16、C 机及其兼容机的标准串行通信接口 RS-232C有一个 9 芯的 D 型插座，该红外收发装置便是通过此接口插座与计算机连接，并由计算机通信软件控制其数据的收发，并由计算机通信软件控制其数据的收发。由于数CPU 执行 单元 显示电路 红外发射电路 红外接收电路 时钟电路 复位电路 系统总体设计 第 9 页 (共 43 页 ) 据的传输采用了 38KHZ信号进行调制、解调和发射、接收，因而更加安全可靠。具体的电路原理图将在第三章中作详细地分析设计。 图 3 2 PC机部分硬件框图 3.2 软件设计思路 软件需要解决的是设定 PC 机串口和单片机串行口的工作方式，包括串行口的通讯速率、奇偶校验位、
17、停止位等。 软件工作流程是： PC 机发送一个数据信号，通过红外通信方式传送到单片机，单片机接收数据作相应的处理后回送到 PC 机。经测试，此系统可以在 2400kbit/s 速率下稳定工作，比较理想。 (1) 单片机部分软件设计思路： AT89C51 单片机的 P3.0 和 P3.1 口分别串行通信的接收和发送端，其接口程序主要由 INPUT 发送子程序和 OUTPUT 接收子程序组成。通信速率 2400 bit /s，帧格式为 N.8.1。发送时，先发送一个起始位（低电平），接着按低位在先的顺序发送 8 位数据，最后发送停止位。接收时，先判断 P3. 0 接收端口是 否有起始低电平出现，如
18、有则按低位在先的顺序接收 8 位数，最后判断 P3.0 口是否有停止高电平出现，如有则完成一个数据接收，否则继续等待。其中软件编写要严格按照异步通信的时序进行，每 bit 位传送时间间隔按通信速率 2400 bit /s 计算为833s，系统要求单片机晶振为 11.0592MHZ。 (2) PC 机部分软件设计思路： PC 机有多种支持串行通信的软件， Visual Basic 通信语句、 C 语言等等，本次毕业设计准备采用 Visual Basic 语言来实现 PC 机部分的通信， VB 具有面向对象的设计方法，友好的 用户界面，简单方便的串行通讯和实用性强等优点。 PC 机与 MCS-51
19、 单片机的串口通信 第 10 页 (共 43 页 ) 4 硬件电路设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以难电路图的正确性，以及工艺结构的设计加工、印制板的制作、样机的组装等。 根据本次毕业设计的要求以及要实现的功能，查阅了很多有关 PC 机与单片机之间通信的书籍以及红外通信方面的知识，对硬件电路的设计做了很深刻的研究。 我们将整个 PC 机与单片机之间的红外通信系统分成三大模块： PC 机模块、红外通信模块 (红外发射和红外接收 )以及单片机模块，各个模块都承担着
20、各自的任务。 在设计单片机模块时，考虑到单片机本身并不具备红外通信接口，利用单片机的串行接口与单片机外的红外发射和接收电路，组成一个应用于单片机系统的红外串行通信接口； PC 机通过 RS 232 进行数据的传输，考虑到 PC 微机串口的电平和单片机的输入输出的 TTL 电平不一致，在整个电路设计时要考虑电平 转换电路，除此之外本系统的传输是采用的无线通信，因此还需要设计红外发射与接收电路，具体每一部分的设计将在以下章节中详细分析。 4.1 单片机模块 根据系统功能要求以及单片机硬件电路设计思路（如图 2 1）对单片机模块进行设计，要使单片机准确的接收与发送，并且使接收到的数据能显示出来，所以
21、整个单片机部分分为时钟电路、复位电路、执行元件以及显示电路四个部分。 4.1.1 执行元件 本次毕业设计的单片机部分的执行元件我们采用 MCS-51T 系列的 AT89C51(其引脚图如图 4 1)，由于它本身带有一定的优点。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）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， AT89C 单片机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。
