u  通過虛擬串口實現下位機與上位機之間的相互通信。

u  通過設計將串口通信的各種方式進行進一步的了解。

u  將接收的數字與發送的數字在LCD上進行顯示，從而熟悉液晶顯示屏LCD1602的具體操作。

u  熟練掌握C語言在單片機上的編程應用。

u  將各學科之間的的知識進行綜合運用，并能夠實現所需的功能設計。

串行通信是CPU與外界交換信息的一種基本通信方式。通信時僅需一到兩根傳輸線，且每次只能傳送一位，適用于長距離傳輸，但速度較慢。MCS—51串行口是一個可編程的全雙工串行通信接口，其對應的引腳為P3.0（10腳）和P3.1（11腳），分別為RXD和TXD，通過軟件編程它可以作通用異步收發器用，也可以做同步移位寄存器使用，其幀格式有8位、10位和11位3種，并能設置各種波特率。MCS—51串行口有兩個獨立的緩沖器，即發送緩沖器和接收緩沖器，且共用一個地址99H（SBUF）。同時，MSC—51串行口可以用軟件設置成4種不同的工作方式。

通過對特殊功能寄存器—串行口控制寄存器中SM0、SM1兩位的操作，MCS—51單片機串口通信工作方式有4種，與串行口有關的特殊功能寄存器有串行口控制寄存器SCON、電源控制寄存器PCON和定時器T1，主要確定了串口通信的工作方式和波特率的計算方法。

（1）串行口數據緩沖器SBUF

SBUF是兩個在物理上相互獨立的接收，發送緩沖器，可同時發送，接收數據，兩個緩沖器共用一個字節地址，為99H，可字節尋址，不可位尋址，復位值為00H。可通過編程對SBUF的讀寫來區別是對接收緩沖器的操作還是對發送緩沖器的操作。CPU寫SBUF，就是修改發送緩沖器；CPU讀SBUF，就是讀接收緩沖器，在硬件結構上，串行口對外有兩條獨立的收發信號線RXD和TXD，因此可以同時發送，接收數據，實現全雙工傳送。

（2）串行口控制寄存器SCON

SCON寄存器用于確定串行通信的工作方式、接收和發送控制、串行口的中斷狀態標志，它既可以是字節尋址，也可以是位尋址，字地址為98H，其復位值為00H。

SM0，SM1—工作方式控制位，可構成4種通信工作方式，分別為：方式0-同步移位寄存器；方式1-10位異步收發；方式2-11位異步收發；方式3-11位異步收發。

SM2—多機通信控制位，用于主一從式多機通信控制，因多機通信是在方式2和方式3下進行，因此SM2位主要用于方式2和方式3。若SM2=1，則允許多機通信。若SM2=0，則不屬于多機通信情況，接收到一幀數據后，無論第9位（D8）是0還是1，都置中斷標志RI=1，接收到的數據裝入接收/發送緩沖器（SBUF）中。

在工作方式1時，若SM2=1，則只有接收到有效停止位時中斷標志RI才置1，以便接收下一幀數據；在工作方式0時，SM2必須為0。

REN—允許接收控制位，用軟件置1或清零，REN=1，允許接收；REN=0，禁止接收。

   TB8—發送數據位8，在方式2和方式3時，TB8是要發送的第9位數據。在多機通信中，以TB8位的狀態表示主機發送的是地址還是數據：TB8=0為數據，TB8=1為地址，該位由軟件置位或清零，此外，該位還可以作為數據的奇偶檢驗位。

   RB8—接收數據位8，在工作方式2和工作方式3種，它是接收到的第9位數據位，既可以作為約定好的奇偶檢驗位，也可以作為多機通信時的地址幀或數據幀標志。在工作方式1中若SM2=0，則RB8是接收到的停止位，在工作方式0種不使用RB8。

TI—發送中斷標志位，在工作方式0中，發送完8位數據后，由硬件置1，向CPU申請接收中斷，CPU響應中斷后，必須用軟件清零；在其他方式下，在發送停止位前，由硬件置位。

RI—接收中斷標志位。在工作方式0種，接收完8位數據后，由硬件置1，向CPU申請發送中斷，CPU響應中斷后，必須用軟件清零；在其他方式下，在接收到停止位的中間時刻由硬件置1，中斷響應后也必須用軟件清零。

串行發送中斷標志位TI和接受中斷標志位RI是同一個中斷源，在全雙工通信中，必須用軟件來判別是發送中斷請求還是接收中斷請求。

（3）電源控制寄存器PCON

   PCON主要是為CHMOS型單片機上實現電源控制而設置的專用寄存器，單元地址為87H其中只有一位SMOD與串行口工作有關。SMOD稱為波特率選擇位。在工作方式1，2，3中若SMOD=1，則波特率提高一倍；若SMOD=0，則波特率不加倍。

除了以上3種特殊功能寄存器以外，串口的工作還與定時器T1和中斷允許寄存器IE有關，定時器T1主要在工作方式1，工作方式2中用于計算波特率，而IE主要用于接收/發送中斷的允許控制，ES=0，禁止串行中斷，ES=1，允許串行中斷。

在使用串口做通訊時，一個很重要的參數就是波特率，只有上下位機的波特率一樣時才可以進行正常通訊。波特率是指串行端口每秒內可以傳輸的波特位數。51芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，為fosc/12，以一個12M的晶振來計算，那么它的波特率可以達到1M。模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具體用那一種就取決于PCON寄存器中的SMOD位，如SMOD為0，波特率為focs/64,SMOD為1，波特率為focs/32。模式1和模式3的波特率是可變的，取決于定時器1或2（52芯片）的溢出速率。計算這兩個模式的波特率可以用以下的公式去計算。

波特率＝（2SMOD÷32）×定時器1溢出速率                （1）

上式中如設置了PCON寄存器中的SMOD位為1時就可以把波特率提升2倍。通常會使用定時器1工作在定時器工作模式2下，這時定時值中的TL1做為計數，TH1做為自動重裝值，這個定時模式下，定時器溢出后，TH1的值會自動裝載到TL1，再次開始計數，這樣可以不用軟件去干預，使得定時更準確。在這個定時模式2下定時器1溢出速率的計算公式如下：

溢出速率＝（計數速率）/(256－TH1)                     （2）   

上式中的“計數速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關，在51芯片中定時器啟動后會在每一個機器周期使定時寄存器TH的值增加一，一個機器周期等于十二個振蕩周期，所以可以得知51芯片的計數速率為晶體振蕩器頻率的1/12，一個12M的晶振用在51芯片上，那么51的計數速率就為1M。通常用11.0592M晶體是為了得到標準的無誤差的波特率。如我們要得到9600的波特率，晶振為11.0592M和12M，定時器1為模式2，SMOD設為1，分別看看那所要求的TH1為何值。代入公式：

            11.0592M

            9600＝(2÷32)×((11.0592M/12)/(256-TH1))

            TH1＝250　

            12M

            9600＝(2÷32)×((12M/12)/(256-TH1))

            TH1≈249.49

上面的計算可以看出使用12M晶體的時候計算出來的TH1不為整數，而TH1的值只能取整數，這樣它就會有一定的誤差存在不能產生精確的9600波特率。

本次設計中為了得到精確地波特率，采用的晶振頻率為11.0592MHz，此外定時器工作在方式2，即八位自動重裝載，串口工作在方式1.

file:///C:/Users/Oraina/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg下位機發送的數據與上位機接受的數據都是通過LCD1602來進行顯示的，其引腳圖如圖1所示。

圖1    LCD1602引腳圖

下位機發送的數據與上位機接受的數據都是通過LCD1602來進行顯示的。1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表1所示:

表1：引腳接口說明表

第1腳：VSS為地電源。

第2腳：VDD接5V正電源。

第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數據。

第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負極。

1602液晶模塊內部的控制器共有11條控制指令，如表2所示：

表2：控制命令表

1602液晶模塊的讀寫操作、屏幕和光標的操作都是通過指令編程來實現的。（說明：1為高電平、0為低電平）

指令1：清顯示，指令碼01H,光標復位到地址00H位置。

指令2：光標復位，光標返回到地址00H。

指令3：光標和顯示模式設置 I/D：光標移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高電平表示有效，低電平則無效。

指令4：顯示開關控制。 D：控制整體顯示的開與關，高電平表示開顯示，低電平表示關顯示 C：控制光標的開與關，高電平表示有光標，低電平表示無光標 B：控制光標是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標或顯示移位 S/C：高電平時移動顯示的文字，低電平時移動光標。

指令6：功能設置命令 DL：高電平時為4位總線，低電平時為8位總線 N：低電平時為單行顯示，高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示5x7的點陣字符，高電平時顯示5x10的點陣字符。

指令7：字符發生器RAM地址設置。

指令8：DDRAM地址設置。

指令9：讀忙信號和光標地址 BF：為忙標志位，高電平表示忙，此時模塊不能接收命令或者數據，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數據。

指令11：讀數據。

表3：基本操作時序表

圖2 寫操作時序

液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執行每條指令之前一定要確認模塊的忙標志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符，圖3是1602的內部顯示地址。

例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數據應該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態。

例如第二行第一個字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標定位在第二行第一個字符的位置呢？這樣不行，因為寫入顯示地址時要求最高位D7恒定為高電平1所以實際寫入的數據應該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。

在對液晶模塊的初始化中要先設置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時光標是自動右移的，無需人工干預。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態。

延時15mS

寫指令38H（不檢測忙信號）

延時5mS

寫指令38H（不檢測忙信號）

延時5mS

寫指令38H（不檢測忙信號）

以后每次寫指令、讀/寫數據操作均需要檢測忙信號

寫指令38H：顯示模式設置

寫指令08H：顯示關閉

寫指令01H：顯示清屏

寫指令06H：顯示光標移動設置

寫指令0CH：顯示開及光標設置

本次設計過程中當接收到數據后CPU響應中斷，對接接收到得數據進行顯示后退出中斷，主函數以及中斷函數的流程圖如圖4與圖5所示。

file:///C:/Users/Oraina/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image007.giffile:///C:/Users/Oraina/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif

圖4   主函數流程圖                              圖5中斷流程圖

file:///C:/Users/Oraina/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg
2.4硬件仿真及調試

圖6硬件設計總體仿真電路圖

file:///C:/Users/Oraina/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg
圖7 虛擬串口調試設置界面

當仿真開始后下位機發送的數進過虛擬串口發送上位機通過串口調試助手進行數據的發送與接收，其，仿真時下位機與上位機的波特率均設置為9600，串口調試助手工作時界面如圖8所示。

本次設計住實現了上位機與下位機之間簡單的通信，上位機通過串口調試助手發送一個十六進制的數經過虛擬串口，可以被下位機接收，并在LCD進行顯示。在老師講述單片機課程的時候，對單片機的串口通信知識進行了原理上的簡單了解，對實際應用過程中應考慮的一些問題并沒有過多的了解，通過本次設計，對單片機串口通信這部分的內容進行了更深層次的學習，知道了很多可是跟你學不到的東西。另外本次設計中，對收發的數據進行顯示時用到了LCD液晶1602，剛開始學習是覺得液晶顯示很神奇，再設計過程中，通過自己看教學視頻進行學習，對液晶的原理，以及操作命令等有了比較詳細的了解。一開始進行操作時由于對液晶顯示的時序不是很清楚，知識把液晶顯示的代碼簡單的堆在了一起，結果運行時，液晶不能顯示。后來，自己仔細對1602的時序圖進行學習后，才發現液晶初始化時，每條命令都是有先后順序的。

總之，通過本次設計鍛煉了我查找錯誤時的耐力，也是我對與C語言在單片機上的編程變得更加熟練，為以后進一步學習打下了堅實的基礎。

[1]康華光主編,電子技術基礎(數字部分)[M]北京:高等教育出版社,2000.6

[2]謝自美主編,電子線路設計/實驗/測試[M]武漢:華中科技大學出版社，2000.7

[3]胡漢才．單片機原理與其接口技術（第二版）［M］．北京：清華大學出版社，2004．

[4]彭偉，單片機C語言程序設計實例100例.電子工業出版社.2009，06