【正文】 控制器和輸入移位寄存器等組成，： 51單片機(jī)串行口結(jié)構(gòu)圖 串行通信數(shù)據(jù)寄存器SBUF,字節(jié)地址為99H，實(shí)際對(duì)應(yīng)兩個(gè)寄存器：發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器、接收數(shù)據(jù)寄存器。當(dāng)CPU向SBUF寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)應(yīng)的是發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器；當(dāng)CPU讀SBUF時(shí)，對(duì)應(yīng)的是接收數(shù)據(jù)寄存器。特殊功能寄存器SCON用于存放串行口的控制信息和狀態(tài)信息。根據(jù)對(duì)其寫(xiě)控制字決定工作方式，從而決定波特率發(fā)生器的時(shí)鐘來(lái)自系統(tǒng)時(shí)鐘還是來(lái)自定時(shí)器T1或T2。特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD為串行口波特率的倍增控制位。51單片機(jī)的串行口正是通過(guò)對(duì)上述專用寄存器的設(shè)置、檢測(cè)與讀寫(xiě)來(lái)管理串行通信的。在進(jìn)行通信時(shí)，外界的串行數(shù)據(jù)是通過(guò)引腳RXD()輸入的。輸入數(shù)據(jù)先逐位進(jìn)入輸入移位寄存器，再送入接收SBUF，在此采用了雙緩沖結(jié)構(gòu)，這是為了避免在接收到第二幀數(shù)據(jù)之前，CPU未及時(shí)響應(yīng)接收器的前一幀的中斷請(qǐng)求而把前一幀數(shù)據(jù)讀走，造成兩幀數(shù)據(jù)重疊的錯(cuò)誤。對(duì)于發(fā)送器，因?yàn)榘l(fā)送時(shí)CPU是主動(dòng)的，不會(huì)產(chǎn)生寫(xiě)重疊的問(wèn)題，一般不需要雙緩沖器結(jié)構(gòu)，為了保持最大的傳送速率，僅用了SBUF一個(gè)緩沖器。TI和RI為發(fā)送和接收中斷標(biāo)志，無(wú)論哪個(gè)為1，只要中斷允許，都會(huì)引起中斷[8]。 51系列單片機(jī)串口工作原理設(shè)有兩個(gè)單片機(jī)串行通信，甲機(jī)發(fā)送，乙機(jī)接收。 51單片機(jī)串行傳送示意圖發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)執(zhí)行一條向SBUF寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)把數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，就啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。串行通信中，甲機(jī)CPU向SBUF寫(xiě)入數(shù)據(jù)（MOV SBUF,A),就啟動(dòng)發(fā)送過(guò)程。在發(fā)送時(shí)鐘控制下，先發(fā)送一個(gè)低電平的起始位，緊接著把A中的數(shù)據(jù)送入SBUF，在發(fā)送控制器的控制下，按設(shè)定的波特率，每來(lái)一個(gè)移位時(shí)鐘，數(shù)據(jù)移出移一位，由低位到高位一位一位發(fā)送到電纜線上，移出的數(shù)據(jù)位通過(guò)電纜線直達(dá)乙機(jī)。最后發(fā)送一個(gè)高電平的停止位。一個(gè)字符發(fā)送完畢，串行口控制寄存器中的發(fā)送中斷標(biāo)志位T1置位。（對(duì)于方式2和方式3，當(dāng)發(fā)送完數(shù)據(jù)位后，要把串行口控制寄存器SCON中的TB8位發(fā)送出去后才能發(fā)送停止位）。乙機(jī)按設(shè)定的波特率，每來(lái)一個(gè)移位時(shí)鐘及移入一位，由低位到高位一位一位移入到SBUF。一個(gè)移出，一個(gè)移進(jìn)，很顯然，如果兩邊的移位速度一致，甲機(jī)移出的數(shù)據(jù)位正好被乙機(jī)移進(jìn)，就能完成數(shù)據(jù)的正確傳送；如果不一致，則必然會(huì)造成數(shù)據(jù)位的丟失。因此，兩邊的波特率必須一致。當(dāng)甲機(jī)一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢（或稱發(fā)送緩沖器空），硬件置位發(fā)送中斷標(biāo)志位TI（），該位可作為查詢標(biāo)志，如果設(shè)置為允許中斷，則將引起中斷，甲機(jī)的CPU可發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)。作為接受方的乙機(jī)，需預(yù)先設(shè)置位REN（），即允許接收。當(dāng)REN置位1，接收控制器就開(kāi)始工作，對(duì)接收數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣到從“1”到“0”的負(fù)跳變時(shí)，接收控制器開(kāi)始接收數(shù)據(jù)。為了減少干擾的影響，接收控制器在接收數(shù)據(jù)時(shí)，將一位的傳送時(shí)間分成16等分，用當(dāng)中的9三個(gè)狀態(tài)對(duì)接收數(shù)據(jù)線進(jìn)行采樣，三次采樣當(dāng)中，當(dāng)兩次采樣為低電平時(shí)，就認(rèn)為接收的是“0”，兩次采樣為高電平，就認(rèn)為接收是“1”。如果接收是起始位的值不是“0”，則起始位無(wú)效，復(fù)位接收電路；如果起始位為“0”，則開(kāi)始接受其它數(shù)據(jù)。甲方的數(shù)據(jù)按設(shè)定的波特率由地位到高位順序進(jìn)入乙機(jī)的移位寄存器。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)到齊（接收緩沖器滿）后（接收的前8位數(shù)據(jù)依次移入輸入移位寄存器，接收是第9位數(shù)據(jù)置入串口控制寄存器的RB8位中），硬件自動(dòng)置位接收中斷標(biāo)志RI（），通知CPU來(lái)取數(shù)據(jù)。該位可作為查詢標(biāo)志，如果設(shè)置為允許中斷，將引起接收中斷，乙機(jī)的CPU可通過(guò)讀SBUF（MOV A,SBUF），將幀數(shù)據(jù)讀入，從而完成了一幀數(shù)據(jù)的傳送。無(wú)論是單片機(jī)之間，還是單片機(jī)和PC機(jī)之間，串行通信雙方的波特率必須相同，才能完成數(shù)據(jù)的正確傳送[7]。 51系列單片機(jī)多機(jī)通信多機(jī)應(yīng)用是指在一個(gè)系統(tǒng)中用到了多塊單片機(jī)。它是單片機(jī)在高科技領(lǐng)域的主要應(yīng)用，主要用于一些大型的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。這時(shí)整個(gè)系統(tǒng)分成了多個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)是一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，用于完成本系統(tǒng)的工作，即從上級(jí)主機(jī)接收信息，并發(fā)送信息給上級(jí)主機(jī)。上級(jí)主機(jī)則根據(jù)接收的下級(jí)子系統(tǒng)的信息，進(jìn)行判斷，產(chǎn)生相應(yīng)的處理命令傳送給下級(jí)子系統(tǒng)。通過(guò)51單片機(jī)串口能夠?qū)崿F(xiàn)一臺(tái)主機(jī)與多臺(tái)從機(jī)進(jìn)行通信，主機(jī)和從機(jī)之間能夠相互發(fā)送和接收信息。主機(jī)可以向各個(gè)從機(jī)或指定的從機(jī)發(fā)送信息，各個(gè)從機(jī)發(fā)送的信息只能被主機(jī)接收，但從機(jī)與從機(jī)之間不能相互通信。單片機(jī)串行多機(jī)通信必須使用串口模式2和模式3。在多機(jī)通信中，為了保證主機(jī)能夠正確識(shí)別所選是從機(jī)并進(jìn)行通信，主，從機(jī)需要正確地設(shè)置和判斷多機(jī)通信控制位SM2和發(fā)送/接收的第9位信息，TB8,RB8。主機(jī)在發(fā)送信息時(shí)，依靠TB8標(biāo)志位來(lái)區(qū)分發(fā)送的信息為地址信息還是數(shù)據(jù)信息。當(dāng)設(shè)置TB8=1,時(shí)，發(fā)送的是地址信息；當(dāng)設(shè)置TB8=0時(shí)，發(fā)送的是數(shù)據(jù)或者命令信息。從機(jī)主要依靠SM2標(biāo)志位的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)的響應(yīng)。當(dāng)從機(jī)的SM2=1時(shí)，該從機(jī)只接受地址幀，對(duì)數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行處理，即只有接收的RB8位等于1數(shù)據(jù)時(shí)，接收才有效，RI才置1，對(duì)接收的RB8位等于0的數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理。當(dāng)SM2=0時(shí)，無(wú)論接收的是地址幀TB8=1還是數(shù)據(jù)幀RB8=0，接收都有效，RI都置1。多級(jí)通信時(shí)，主機(jī)每一次都向從機(jī)傳送至少兩字節(jié)信息，先傳送從機(jī)的地址信息，再傳送數(shù)據(jù)信息。處理時(shí)，地址信息的TB8位設(shè)為1，數(shù)據(jù)信息的TB8位設(shè)為0。 多機(jī)通信線路圖單片機(jī)多機(jī)通信的過(guò)程如下：1. 所有從機(jī)復(fù)位，置SM2=1，使其處于準(zhǔn)備接收一幀地址數(shù)據(jù)的狀態(tài)；2. 主機(jī)設(shè)置第9位TB8=1,發(fā)送一幀地址信息，與所需要的從機(jī)進(jìn)行聯(lián)系；3. 各從機(jī)接收到地址信息后，分別于自己的地址進(jìn)行比較，對(duì)于地址相符的從機(jī)，置SM2=0，以便于接收主機(jī)隨后發(fā)送的所有信息；對(duì)于地址不相符的從機(jī)，仍保持SM2=1，對(duì)主機(jī)隨后發(fā)送的數(shù)據(jù)不進(jìn)行處理。4. 主機(jī)發(fā)送控制指令和數(shù)據(jù)給從機(jī)，此時(shí)一幀數(shù)據(jù)的第9位TB8=0。5. 當(dāng)從機(jī)接收數(shù)據(jù)結(jié)束的時(shí)候，置SM2=1,返回接收地址幀狀態(tài)。6. 主機(jī)繼續(xù)發(fā)送其它地址幀，與其它從機(jī)進(jìn)行通信。多機(jī)通信協(xié)議約定：主機(jī)為了正確地和指定的從機(jī)正確的通信，雙方需要對(duì)各種數(shù)據(jù)、地址、指令和狀態(tài)等進(jìn)行明確的約定。本系統(tǒng)的通信協(xié)議作如下規(guī)定：主機(jī)的控制命令：01H表示主機(jī)請(qǐng)求從機(jī)接收數(shù)據(jù)；02H表示主機(jī)請(qǐng)求從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。其它保留，可定義其它用途。從機(jī)的地址定義在00H到FEH之間，即系統(tǒng)中最多允許連接255個(gè)從機(jī)。對(duì)于地址FFH定義為對(duì)所有從機(jī)都有效的控制命令，用于將各從機(jī)恢復(fù)到復(fù)位狀態(tài)，即SM2=1。按照上面的協(xié)議規(guī)定：主機(jī)首先發(fā)送地址幀，被尋址的從機(jī)向主機(jī)回送本地地址。主機(jī)判斷地址是否相符，然后給被尋址的從機(jī)發(fā)送控制命令，被尋址的從機(jī)根據(jù)其命令向主機(jī)發(fā)送本地機(jī)狀態(tài)。若主機(jī)判斷狀態(tài)正常，即開(kāi)始發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，后面緊跟的便是數(shù)據(jù)，若主機(jī)判斷不正常，需要重新聯(lián)系。為了能夠?qū)崿F(xiàn)多單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，本系統(tǒng)采用多機(jī)通信模式[8][9][10]。 模塊化方案比較與選擇根據(jù)51單片機(jī)的串行通信的特點(diǎn)，進(jìn)行了以下系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案比較與選擇。方案一:采用MCS51芯片,MCS51是Intel公司單片機(jī)的典型代表，內(nèi)部有4KB ROM空間。其結(jié)構(gòu)典型、總線完善、SFR集中管理，并且具有豐富的位操作系統(tǒng)和面向控制功能的指令系統(tǒng)[11]。但是，MCS51系列單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中使用較少。方案二: 采用AT89C51芯片作為硬件核心，AT89系列機(jī)是ATMEL公司將先進(jìn)的Flash存儲(chǔ)器技術(shù)和Intel 80C51單片機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物，是與MCS51系列兼容的Flash單片機(jī)系列。它既繼承了MCS51原有的功能，又擁有自己是獨(dú)特功能是目前應(yīng)用廣泛的主流單片機(jī)。AT89C51是AT89系列的標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)，是低功耗高性能的8位單片機(jī)，使用的最高晶振頻率為24MHz。采用Flash ROM，內(nèi)部具有4KB ROM 存儲(chǔ)空間,能于3V的超低壓工作,而且與MCS51系列單片機(jī)完全兼容，可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[12]。因此，采用該單片機(jī)作為主控制系統(tǒng)的芯片。方案一：采用LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價(jià)格適中,對(duì)于顯示數(shù)字合適,采用動(dòng)態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí),雖然占用的單片機(jī)口線少，但連線還需要花費(fèi)一點(diǎn)時(shí)間，所以也不用此種作為顯示。方案二：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對(duì)于顯示文字比較適合,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi),且價(jià)格也相對(duì)較高,所以也不用此種作為顯示。方案三：采用LCD液晶顯示屏,液晶顯示屏的顯示功能強(qiáng)大,可顯示大量文字、圖形、符號(hào)顯示多樣,清晰可見(jiàn)。由于本系統(tǒng)主機(jī)顯示4個(gè)數(shù)據(jù)，從機(jī)顯示2個(gè)數(shù)據(jù)，選擇的液晶顯示器皆可，所以在此設(shè)計(jì)中采用LCD1602液晶顯示屏。 軟件編程語(yǔ)言的選擇方案一：采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，匯編語(yǔ)言是一種用文字助記符來(lái)表示機(jī)器指令的符號(hào)語(yǔ)言，是最接近機(jī)器碼的一種語(yǔ)言。其主要優(yōu)點(diǎn)是占用資源少、程序執(zhí)行效率高。但是匯編語(yǔ)言可讀性差，而且不同的CPU，其匯編語(yǔ)言可能有所差異，也不易移植。因此本系統(tǒng)軟件不采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。方案二：采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化的高級(jí)語(yǔ)言。其優(yōu)點(diǎn)是可讀性好，移植容易，是普遍使用的一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言。 用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)目標(biāo)系統(tǒng)軟件，會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期，且明顯地增加軟件的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，從而研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。缺點(diǎn)是占用資源較多，執(zhí)行效率沒(méi)有匯編高。但本系統(tǒng)只進(jìn)行單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送，不涉及復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，因此本系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)[8]。本系統(tǒng)是由一個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)和三個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，上位機(jī)系統(tǒng)是由AT89C51單片機(jī)串行通信最小系統(tǒng)、LCD1602顯示器、中斷發(fā)送信號(hào)按鈕和接收/發(fā)送選擇開(kāi)關(guān)組成。三個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成完全相同主要有AT89C51單片機(jī)串行通信最小系統(tǒng)、LCD1602顯示器和中斷數(shù)據(jù)加1按鈕組成。單片機(jī)最小系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的核心，LCD1602液晶顯示器作為串行通信接收/發(fā)送數(shù)據(jù)以及單片機(jī)狀態(tài)的顯示。上位機(jī)系統(tǒng)的發(fā)送/接收狀態(tài)可以通過(guò)接收/發(fā)送選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，處于發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)，由中斷發(fā)送信號(hào)按鈕決定是否給從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。下位機(jī)系統(tǒng)始終處于串行中斷狀態(tài)，是接收還是發(fā)送數(shù)據(jù)由上位機(jī)發(fā)送的控制命令決定。 串行通信系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng)主要完成的功能是上位機(jī)和下位機(jī)的半雙工通信，可以通過(guò)接收/發(fā)送選擇開(kāi)關(guān)來(lái)控制上位機(jī)是處于接收狀態(tài)還是發(fā)送狀態(tài)。當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí)，主機(jī)循環(huán)接收下位機(jī)00、002三機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行顯示；當(dāng)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，主機(jī)將接收到的三機(jī)數(shù)據(jù)按從大到小的數(shù)據(jù)排列，然后依次發(fā)送到00、01和02機(jī)上，并進(jìn)行顯示。從機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò)外部中斷輸入，數(shù)據(jù)從0開(kāi)始每來(lái)一次中斷數(shù)據(jù)加1，加到9數(shù)據(jù)清0，再?gòu)?到9進(jìn)行循環(huán)。本章介紹了系統(tǒng)的方案選擇，主要對(duì)單片機(jī)串行通信的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了歸納整理和工作方式選擇，以及模塊化方案的比較與選擇，最后確定了串行通信控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能并繪制了系統(tǒng)框圖。根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案框圖，總系統(tǒng)由4個(gè)分系統(tǒng)組成，1個(gè)上位機(jī)系統(tǒng)，3個(gè)下位機(jī)系統(tǒng)。硬件主要由AT89C51微控制器、LCD1602液晶顯示器、開(kāi)關(guān)和按鈕組成。 本系統(tǒng)的兩大核心器件位AT89C51單片機(jī)和LCD液晶顯示器，AT89C51單片機(jī)完成系統(tǒng)的功能控制部分，液晶顯示器完成通信過(guò)程中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。 AT89C51的主要特點(diǎn)AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS的 8位單片機(jī)，采用單一+5V電源供電，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。AT89C51的主要部件：（1）一個(gè)以ALU為中心的8位中央處理器，完成運(yùn)算和控制功能。（2）128B的內(nèi)部數(shù)據(jù)存取存儲(chǔ)器（內(nèi)部RAM）,其地址空范圍00H7FH。（3）21個(gè)特殊功能寄存器，離散分布于地址80HFFH中。（4）程序計(jì)數(shù)器PC，是獨(dú)立的16位專用寄存器，內(nèi)容為將要執(zhí)行的指令地址。（5）4KB Flash內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(片內(nèi)ROM)，用來(lái)存儲(chǔ)程序、原始數(shù)據(jù)、表格等。（6）4個(gè)8位可編程I/O口（P0、PP2和P3）。（7）一個(gè)UART串行通信口。（8）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。（9）5個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制系統(tǒng)。（10）一個(gè)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。AT89C51的極限參數(shù)如表1所示：表1 AT89C51的極限參數(shù)：工作溫度55℃到+125℃儲(chǔ)藏溫度65℃到+150℃任一引腳對(duì)地電壓+最高工作電壓直流輸出電流 ，其引腳說(shuō)明如下：（1）電源引腳Vcc（40）：接DC電源端，Vcc=+5V。GND（20）：接地端。（2）P0P3引腳P0口：是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”可作為高阻抗輸入端用。P1口：是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。 AT89C51雙列直插式引腳圖P2口：是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。P3口：是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口