單片機(jī)與PC機(jī)的通信原理及電路的設(shè)計(jì)研究分析

引言

本論文題目為基于串口通信的單片機(jī)仿真和C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，研究的是一種基于串口的溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。利用DS18B20 溫度傳感器設(shè)計(jì)溫度監(jiān)測(cè)模塊，精確到0.1℃，用液晶顯示當(dāng)前溫度，然后通過(guò)串口調(diào)試助手向單片機(jī)發(fā)送指令。當(dāng)單片機(jī)收到十六進(jìn)制指令01時(shí)，將當(dāng)前溫度值以1s 為間隔傳回PC 機(jī)顯示，同時(shí)PC 機(jī)顯示Turn on temp;當(dāng)單片機(jī)收到十六進(jìn)制指令02 時(shí)，停止溫度值的回傳，PC 機(jī)顯示Turn off temp;當(dāng)單片機(jī)收到其它指令時(shí)，PC 機(jī)顯示Error。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部份協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成信息的顯示；軟件主要完成信號(hào)的處理及控制功能等。

本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，以AT89C52 單片機(jī)為核心，與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測(cè)電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)模塊：

AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測(cè)模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運(yùn)算功能，LCD 顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機(jī)和PC 機(jī)之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測(cè)模塊主要完成環(huán)境溫度檢測(cè)功能。系統(tǒng)組成方框圖如圖1.1 所示。

圖1.1系統(tǒng)硬件組成方框圖

應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)軟件主要由主程序、串口接收發(fā)送數(shù)據(jù)中斷子程序、LCD 顯示子程序等模塊組成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖1.2 所示。

圖1.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖。

2 系統(tǒng)工作原理

MCS-51 單片機(jī)串行口發(fā)送/接收數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)2 個(gè)串行緩沖器SBUF 進(jìn)行，這2 個(gè)緩沖器采用一個(gè)地址（98H），但在物理上是獨(dú)立的。其中接收緩沖器只能讀出不能寫(xiě)入，50 發(fā)送緩沖器只能寫(xiě)入不能讀出。

1. 發(fā)送過(guò)程

當(dāng)數(shù)據(jù)被寫(xiě)入SBUF 寄存器后，單片機(jī)自動(dòng)開(kāi)始從起始位發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送到停止位的開(kāi)始時(shí)，由內(nèi)部硬件將TI 置1,向CPU 申請(qǐng)中斷，接下來(lái)可在中斷服務(wù)程序中做相應(yīng)處理，也可選擇不進(jìn)入中斷。

2. 接收過(guò)程

串行口的接收與否受制于允許接收位REN 的狀態(tài)，當(dāng)REN 被軟件置"1"后，允許接收器接收。串口的接收器以所選波特率的16 倍速對(duì)RXD 線進(jìn)行監(jiān)視。當(dāng)"1"到"0"跳變時(shí)，檢測(cè)器連續(xù)采樣到RXD 線上低電平時(shí)。便認(rèn)定RXD 端出現(xiàn)起始位，繼而接收控制器開(kāi)始工作。在每位傳送時(shí)間的第7、8、9 三個(gè)脈沖狀態(tài)采樣RXD 線，決定所接收的值為"0"或"1".當(dāng)接收完停止位后，控制電路使中斷標(biāo)志R1置為"1".

3. 溫度檢測(cè)

溫度檢測(cè)采用DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20,DS18B20 是一種新型的"一線器件",其體積更小，更適用于多種場(chǎng)合，且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。

溫度測(cè)量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9 位~12位轉(zhuǎn)換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時(shí)，最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12 位分辨率時(shí)，最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。

3 溫度傳感器

3.1 溫度傳感器特性

DALLAS 最新單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20[2]是一種新型的"一線器件",其體積更小，更適用于多種場(chǎng)合，且適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)。DALLAS 半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20 是世界上第一片支持"一線總線"接口的溫度傳感器。溫度測(cè)量范圍為-55℃~+125℃，可編程為9 位~12 位轉(zhuǎn)換精度，可分辨溫度分別為0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃。在9 位分辨率時(shí)，最多在93.75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字；在12 位分辨率時(shí)，最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字。DS18B20的性能特點(diǎn)如下：

1. 獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；

2. 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能

3. 無(wú)須外部器件；

4. 可通過(guò)數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5V;

5. 零待機(jī)功耗；

6. 溫度以 9 或12 位數(shù)字；

7. 用戶可定義報(bào)警設(shè)置；

8. 報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過(guò)程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；

9. 負(fù)電壓特性，電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作；

DS18B02 可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時(shí)DS18B20的1 腳接地，2 腳作為信號(hào)線，3 腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，單片機(jī)端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20 時(shí)鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個(gè)MOSFET 管來(lái)完成對(duì)總線的上拉。

當(dāng) DS18B20 處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度A/D 轉(zhuǎn)換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10us.采用寄生電源供電方式時(shí)VDD 端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。

圖 3.1 DS18B20 引腳圖

3.2 工作時(shí)序圖

1. 初始化

圖 3.2 初始化時(shí)序圖

1）先將數(shù)據(jù)線置高電平1;2） 延時(shí)（該時(shí)間要求不是很嚴(yán)格，但是要盡可能短一些）；3） 數(shù)據(jù)線拉到低電平0;4） 延時(shí) 750us（該時(shí)間范圍可以在480~960us）；5） 數(shù)據(jù)線拉到高電平1;6）延時(shí)等待。如果初始化成功則在15~60ms內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由DS18B20 返回的低電平0,據(jù)該狀態(tài)可以確定它的存在。但是要注意，不能無(wú)限地等待，不然會(huì)使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時(shí)判斷；7） 若 CPU 讀到數(shù)據(jù)線上的低電平0 后，還要進(jìn)行延時(shí)，其延時(shí)時(shí)間從發(fā)出高電平算起最少要480us;8）將數(shù)據(jù)線再次拉到高電平后結(jié)束。

2. DS18B20 寫(xiě)數(shù)據(jù)

圖3.3 寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)序圖

1） 數(shù)據(jù)線先置低電平0;

2）延時(shí)確定的時(shí)間為15us;

3） 按從低位到高位的順序發(fā)送數(shù)據(jù)（一次只發(fā)送一位）；

4） 延時(shí)時(shí)間為 45us;

5） 將數(shù)據(jù)線拉到高電平1;

6） 重復(fù) 1）到5）步驟，直到發(fā)送完整個(gè)字節(jié)；

7）最后將數(shù)據(jù)線拉高到1.

3. DS18B20 讀數(shù)據(jù)

圖3.4 讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖

1）將數(shù)據(jù)線拉高為1;

2） 延時(shí) 2us ;

3） 將數(shù)據(jù)線拉低0 ;

4） 延時(shí) 6us ;

5） 將數(shù)據(jù)線拉高1 ;

6）延時(shí) 4us ;

7） 讀數(shù)據(jù)線的狀態(tài)得到1 個(gè)狀態(tài)位，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

8） 延時(shí) 30us ;

9） 重復(fù) 1）到7）步，知道讀取完一個(gè)字節(jié)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 時(shí)鐘電路及復(fù)位電路

1.時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路可以產(chǎn)生CPU 校準(zhǔn)時(shí)序，是單片機(jī)的控制核心，本次設(shè)計(jì)是通過(guò)外接12MHz的晶振來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路的時(shí)序控制。在使用片內(nèi)振蕩器時(shí)，XTAL1 和XTAL2 分別為反向放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C3 和C5 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。當(dāng)用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)，XTAL2引腳應(yīng)懸空，而由XTAL1引腳上的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，外部振蕩器通過(guò)一個(gè)2 分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，故對(duì)外部信號(hào)的占空比沒(méi)有什么要求，但最小和最大的高電平持續(xù)時(shí)間和低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合技術(shù)要求。電路如圖4.1 所示。

圖 4.1 晶振電路

2.空閑方式

在空閑方式下，CPU 的內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)被門(mén)控電路所封鎖，CPU 即進(jìn)入睡眠狀態(tài)，但內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)仍繼續(xù)供給中斷系統(tǒng)，定時(shí)器和串行口。這種方式由軟件調(diào)用。在空閑方式期間，片內(nèi)RAM和所有專用寄存器的狀態(tài)仍被保留，空閑方式可通過(guò)任何允許的中斷或硬件復(fù)位來(lái)終止。當(dāng)空閑方式由硬件復(fù)位終止時(shí)，通常系統(tǒng)在空閑處恢復(fù)程序的執(zhí)行。硬件復(fù)位只需要信號(hào)持續(xù)有效兩個(gè)機(jī)器周期。當(dāng)用復(fù)位終止空閑方式時(shí)，為防止避免意外寫(xiě)入端口引腳的可能性，調(diào)用空閑方式指令的下一條指令不應(yīng)是寫(xiě)端口引腳或外部存儲(chǔ)器。

3.掉電工作方式

在掉電方式下，片內(nèi)振蕩器停止工作。調(diào)用掉電指令是執(zhí)行的最后一條指令。片內(nèi)RAM 和專用寄存器的值被保留，直到掉電方式終止。退出掉電方式只能靠硬件復(fù)位。復(fù)位后將重新定義所有專用寄存器，但不改變RAM 的內(nèi)容。在VCC 未恢復(fù)到正常工作電壓之前，不能啟動(dòng)復(fù)位，復(fù)位信號(hào)應(yīng)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以保證振蕩器的起振和達(dá)到穩(wěn)定。

為了使單片機(jī)正常工作，還需要加入上電復(fù)位電路和掉電檢測(cè)電路。上電復(fù)位簡(jiǎn)要原理：

在系統(tǒng)不需要復(fù)位時(shí)，RST端是低電平；按下按鍵，RST端變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖 4.2 上電復(fù)位電路

AT89C51、晶振電路與上電復(fù)位電路共同組成單片機(jī)最小系統(tǒng)，如圖4.3 所示。

圖 4.3 最小系統(tǒng)

4.2 溫度傳感器

圖4.4 DS18B20連線圖

從圖 4.4 可以看出，DS18B20 與單片機(jī)的連接非常簡(jiǎn)單，單片機(jī)只需要一個(gè)I/O 口就可以控制DS18B20.這個(gè)圖的接法是單片機(jī)與一個(gè)DS18B20 通信，如果要控制多個(gè)DS18B20進(jìn)行溫度采集，只要將所有的DS18B20 的I/O 口全部連接到一起就可以了。

4.3 LCD顯示模塊

顯示電路采用LCD1602 液晶顯示屏，P2 作為液晶8 位數(shù)據(jù)輸入端口。P1.0 口作為液晶數(shù)據(jù)/命令選擇端口，P1.1 為液晶使能端口。

圖 4.5 LCD 顯示模塊

4.4 串行口通信模塊設(shè)計(jì)

51 單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通信口，使單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行通信。

電平范圍是電路能夠安全可靠識(shí)別信號(hào)的電壓范圍。

CMOS 電路的電平范圍一般是從0 到電源電壓。CMOS 電平中，高電平（3.5~5V）為邏輯"1",低電平（0~0.8V）為邏輯"0".

RS232 接口的電平范圍是-15V 到+15V,RS232 電平采用負(fù)邏輯，即邏輯"1":-3~-15V,邏輯"0":+3~+15V.

單片機(jī)的串口是TTL 電平的，而計(jì)算機(jī)的串口是RS232 電平，要使兩者之間進(jìn)行通信，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路，即單片機(jī)的串口要外接電平轉(zhuǎn)換電路芯片把與TTL兼容的CMOS 高電平表示的1 轉(zhuǎn)換成RS232 的負(fù)電壓信號(hào)，把低電平轉(zhuǎn)換成RS-232 的正電壓信號(hào)。典型的轉(zhuǎn)換電路給出-9V 和+9V.

本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)邏輯電平轉(zhuǎn)換可以采用MAX232 芯片的轉(zhuǎn)換接口：MAX232 是MAXIM公司生產(chǎn)的，包含兩路驅(qū)動(dòng)器和接收器的RS-232 轉(zhuǎn)換芯片。MAX232 芯片內(nèi)部有一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸人的+5V 電壓轉(zhuǎn)換為RS-232 接口所需的±10V 電壓，尤其適用于沒(méi)有±12V 的單電源系統(tǒng)。與此原理相同的芯片還有MAX202、AD 公司的ADDt101 以及SIL 公司的IC1232 芯片。

圖 4.6 MAX232 芯片引腳

由于 protues仿真時(shí)不需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，所以仿真時(shí)沒(méi)有用上MAX232 芯片電路，但做實(shí)物時(shí)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其硬件連線圖如圖4.7 所示。MAX232 芯片的T1in 引腳連接AT89C51 單片機(jī)的P3.1（TXD）引腳，MAX232 芯片的R1out 引腳連接AT89C51 單片機(jī)的P3.0（RXD）引腳；MAX232 芯片的T1out 引腳連接DB9 針接口的第2 引腳，MAX232 芯片的R1in 引腳連接DB9 針接口的第3 引腳。

圖4.7 電平轉(zhuǎn)換硬件連接圖

4.5 系統(tǒng)原理圖

由以上模塊化設(shè)計(jì)可得整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖4.8 所示：

圖4.8 系統(tǒng)原理圖

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 算法設(shè)計(jì)

編寫(xiě)單片機(jī)異步通信程序步驟如下：

1. 設(shè)置串口工作方式

此時(shí)需對(duì)串行控制器SCON 中的SM0、SM1 進(jìn)行設(shè)置。PC 機(jī)與單片機(jī)的通信中一般選擇串口工作在方式1 下。

串行控制器 SCON（98H）的格式如表1 所示：

表1串行控制器格式

2. 選擇波特率發(fā)生器

選擇定時(shí)器1或定時(shí)器2 做為其波特率發(fā)生器。

3. 設(shè)置定時(shí)器工作方式

當(dāng)選擇定時(shí)器1 做為波特率發(fā)生器時(shí)，需設(shè)置其方式寄存器TMOD 為計(jì)數(shù)方式并選擇相應(yīng)的工作方式（一般選擇方式2 以避免重裝定時(shí)器初值）；當(dāng)選擇定時(shí)器2 做為波特率發(fā)生器時(shí)，需將T2CON 設(shè)置為波特率發(fā)生器工作方式。

4. 設(shè)置波特率參數(shù)

影響波特率的參數(shù)有二，一是特殊寄存器PCON 的SMOD 位，另一個(gè)是相應(yīng)定時(shí)器初值。

5. 允許串行中斷

因在程序中我們一般采有中斷接收方式，故應(yīng)設(shè)EA=1、ES=1.

6. 允許接收數(shù)據(jù)

設(shè)置 SCON 中的REN 為1.表示允許串行口接收數(shù)據(jù)。

7. 允許定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作

此時(shí)開(kāi)啟定時(shí)/計(jì)數(shù)器，使其產(chǎn)生波特率8. 編寫(xiě)串行中斷服務(wù)程序。

當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)串口時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)執(zhí)行所編寫(xiě)的中斷服務(wù)程序。

9. 收/發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)

注意的是發(fā)送操作完成需將T1清零，接收工作完成后需將R1清零。

5.2 程序設(shè)計(jì)

5.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能。

1. 初始化。

首先調(diào)用 LCD 初始化程序，在LCD 上顯示數(shù)據(jù)"RECEIVE:"和"TEMP is: *C".

然后調(diào)用中斷及串口初始化子程序程序，把串口接收數(shù)據(jù)單元RECDATA 清零。設(shè)置寄存器SCON 的SM0、SM1 位定義串口工作方式，選擇波特率發(fā)生器為定時(shí)器T1;設(shè)定定時(shí)器T1 工作方式為方式2;設(shè)置波特率參數(shù)為9600bps;允許串行中斷及總中斷；允許串口接收數(shù)據(jù)，定義REN=1;啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1 工作，定義TR1=1.

2. 串口收發(fā)數(shù)據(jù)。

判斷串口成功接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位flag_uart 是否為0,若flag_uart 為0,表明串口未接收到數(shù)據(jù)，則繼續(xù)等待串口接收數(shù)據(jù)；若flag_uart 為1,表明串口成功接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入串口中斷服務(wù)子程序，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)，并將串口成功接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位flag_uart 清零，調(diào)用LCD 顯示接收數(shù)據(jù)子程序，在LCD 上顯示單片機(jī)從串口接收到的數(shù)據(jù)，同時(shí)回傳溫度值給PC機(jī)顯示。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5.1 所示。

圖 5.1 主程序流程圖

5.2.2 串口中斷服務(wù)子程序

判斷串口發(fā)送標(biāo)志位TI 是否為1,若TI 為1,則把數(shù)據(jù)從單片機(jī)發(fā)給PC 機(jī)，并把TI清零，中斷子程序返回；若TI為0,表明RI=0,則把串口接收標(biāo)志位RI清零，把串口接收緩沖器SBUF 中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口接收數(shù)據(jù)單元RECDATA,再把該數(shù)據(jù)送到串口發(fā)送緩沖器SBUF 中，傳給PC 機(jī)，置串口成功接收數(shù)據(jù)標(biāo)志位RECOKBIT 為1,表明串口成功接收發(fā)送數(shù)據(jù)，最后中斷子程序返回。串口收發(fā)數(shù)據(jù)中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5.2 所示。

圖5.2 串口中斷服務(wù)子程序

5.2.3 讀溫子程序

讀出溫度子程序的主要功能是讀出RAM 中的9 字節(jié)，在讀出時(shí)需進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，校驗(yàn)有錯(cuò)時(shí)不進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的改寫(xiě)。其程序流程圖如圖5.3 示。

圖5.3 讀溫子程序

5.2.4 溫度轉(zhuǎn)換命令子程序

溫度轉(zhuǎn)換命令子程序主要是發(fā)溫度轉(zhuǎn)換開(kāi)始命令，當(dāng)采用12 位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間約為750ms,在本程序設(shè)計(jì)中采用1s顯示程序延時(shí)法等待轉(zhuǎn)換的完成。溫度轉(zhuǎn)換命令子程序流程圖如上圖，圖5.4 所示。

圖5.4 溫度轉(zhuǎn)換流程圖

5.2.5 計(jì)算溫度子程序

計(jì)算溫濕度子程序?qū)AM 中讀取值進(jìn)行BCD 碼的轉(zhuǎn)換運(yùn)算，并進(jìn)行溫度值正負(fù)的判定，其程序流程圖如圖5.5 所示。

圖5.5 計(jì)算溫度流程圖

5.2.6 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序

顯示數(shù)據(jù)刷新子程序主要是對(duì)分離后的溫度顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行刷新操作，當(dāng)標(biāo)志位位為1時(shí)將符號(hào)顯示位移入第一位。程序流程圖如圖5.6 所示。

圖5.6 顯示數(shù)據(jù)刷新子程序

6 結(jié)論

本系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，以AT89C52 單片機(jī)為核心，與LCD 顯示電路、串行口通信電路及DS18B20 溫度檢測(cè)電路組成控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個(gè)模塊：

AT89C52 主控模塊、LCD 顯示模塊、串行口通信模塊、DS18B20 溫度檢測(cè)模塊等。其中AT89C52 主要完成外圍硬件的控制以及一些運(yùn)算功能，LCD 顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能、串行口通信模塊主要完成單片機(jī)和PC 機(jī)之間的通信功能，DS18B20 溫度檢測(cè)模塊主要完成環(huán)境溫度檢測(cè)功能。