u  通過虛擬串口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)之間的相互通信。

u  通過設(shè)計(jì)將串口通信的各種方式進(jìn)行進(jìn)一步的了解。

u  將接收的數(shù)字與發(fā)送的數(shù)字在LCD上進(jìn)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(jī)上的編程應(yīng)用。

u  將各學(xué)科之間的的知識(shí)進(jìn)行綜合運(yùn)用，并能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能設(shè)計(jì)。

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(shí)僅需一到兩根傳輸線，且每次只能傳送一位，適用于長(zhǎng)距離傳輸，但速度較慢。MCS—51串行口是一個(gè)可編程的全雙工串行通信接口，其對(duì)應(yīng)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(fā)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(shè)置各種波特率。MCS—51串行口有兩個(gè)獨(dú)立的緩沖器，即發(fā)送緩沖器和接收緩沖器，且共用一個(gè)地址99H（SBUF）。同時(shí)，MSC—51串行口可以用軟件設(shè)置成4種不同的工作方式。

通過對(duì)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(jī)串口通信工作方式有4種，與串行口有關(guān)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(shí)器T1，主要確定了串口通信的工作方式和波特率的計(jì)算方法。

（1）串行口數(shù)據(jù)緩沖器SBUF

SBUF是兩個(gè)在物理上相互獨(dú)立的接收，發(fā)送緩沖器，可同時(shí)發(fā)送，接收數(shù)據(jù)，兩個(gè)緩沖器共用一個(gè)字節(jié)地址，為99H，可字節(jié)尋址，不可位尋址，復(fù)位值為00H。可通過編程對(duì)SBUF的讀寫來區(qū)別是對(duì)接收緩沖器的操作還是對(duì)發(fā)送緩沖器的操作。CPU寫SBUF，就是修改發(fā)送緩沖器；CPU讀SBUF，就是讀接收緩沖器，在硬件結(jié)構(gòu)上，串行口對(duì)外有兩條獨(dú)立的收發(fā)信號(hào)線RXD和TXD，因此可以同時(shí)發(fā)送，接收數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)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(fā)送控制、串行口的中斷狀態(tài)標(biāo)志，它既可以是字節(jié)尋址，也可以是位尋址，字地址為98H，其復(fù)位值為00H。

SM0，SM1—工作方式控制位，可構(gòu)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(fā)；方式2-11位異步收發(fā)；方式3-11位異步收發(fā)。

SM2—多機(jī)通信控制位，用于主一從式多機(jī)通信控制，因多機(jī)通信是在方式2和方式3下進(jìn)行，因此SM2位主要用于方式2和方式3。若SM2=1，則允許多機(jī)通信。若SM2=0，則不屬于多機(jī)通信情況，接收到一幀數(shù)據(jù)后，無論第9位（D8）是0還是1，都置中斷標(biāo)志RI=1，接收到的數(shù)據(jù)裝入接收/發(fā)送緩沖器（SBUF）中。

在工作方式1時(shí)，若SM2=1，則只有接收到有效停止位時(shí)中斷標(biāo)志RI才置1，以便接收下一幀數(shù)據(jù)；在工作方式0時(shí)，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(fā)送數(shù)據(jù)位8，在方式2和方式3時(shí)，TB8是要發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)。在多機(jī)通信中，以TB8位的狀態(tài)表示主機(jī)發(fā)送的是地址還是數(shù)據(jù)：TB8=0為數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的奇偶檢驗(yàn)位。

   RB8—接收數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)位，既可以作為約定好的奇偶檢驗(yàn)位，也可以作為多機(jī)通信時(shí)的地址幀或數(shù)據(jù)幀標(biāo)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(fā)送中斷標(biāo)志位，在工作方式0中，發(fā)送完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置1，向CPU申請(qǐng)接收中斷，CPU響應(yīng)中斷后，必須用軟件清零；在其他方式下，在發(fā)送停止位前，由硬件置位。

RI—接收中斷標(biāo)志位。在工作方式0種，接收完8位數(shù)據(jù)后，由硬件置1，向CPU申請(qǐng)發(fā)送中斷，CPU響應(yīng)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(shí)刻由硬件置1，中斷響應(yīng)后也必須用軟件清零。

串行發(fā)送中斷標(biāo)志位TI和接受中斷標(biāo)志位RI是同一個(gè)中斷源，在全雙工通信中，必須用軟件來判別是發(fā)送中斷請(qǐng)求還是接收中斷請(qǐng)求。

（3）電源控制寄存器PCON

   PCON主要是為CHMOS型單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)電源控制而設(shè)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(guān)。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(shí)器T1和中斷允許寄存器IE有關(guān)，定時(shí)器T1主要在工作方式1，工作方式2中用于計(jì)算波特率，而IE主要用于接收/發(fā)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(shí)，一個(gè)很重要的參數(shù)就是波特率，只有上下位機(jī)的波特率一樣時(shí)才可以進(jìn)行正常通訊。波特率是指串行端口每秒內(nèi)可以傳輸?shù)牟ㄌ匚粩?shù)。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(gè)12M的晶振來計(jì)算，那么它的波特率可以達(dá)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(shí)器1或2（52芯片）的溢出速率。計(jì)算這兩個(gè)模式的波特率可以用以下的公式去計(jì)算。

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

上式中如設(shè)置了PCON寄存器中的SMOD位為1時(shí)就可以把波特率提升2倍。通常會(huì)使用定時(shí)器1工作在定時(shí)器工作模式2下，這時(shí)定時(shí)值中的TL1做為計(jì)數(shù)，TH1做為自動(dòng)重裝值，這個(gè)定時(shí)模式下，定時(shí)器溢出后，TH1的值會(huì)自動(dòng)裝載到TL1，再次開始計(jì)數(shù)，這樣可以不用軟件去干預(yù)，使得定時(shí)更準(zhǔn)確。在這個(gè)定時(shí)模式2下定時(shí)器1溢出速率的計(jì)算公式如下：

溢出速率＝（計(jì)數(shù)速率）/(256－TH1)                     （2）   

上式中的“計(jì)數(shù)速率”與所使用的晶體振蕩器頻率有關(guān)，在51芯片中定時(shí)器啟動(dòng)后會(huì)在每一個(gè)機(jī)器周期使定時(shí)寄存器TH的值增加一，一個(gè)機(jī)器周期等于十二個(gè)振蕩周期，所以可以得知51芯片的計(jì)數(shù)速率為晶體振蕩器頻率的1/12，一個(gè)12M的晶振用在51芯片上，那么51的計(jì)數(shù)速率就為1M。通常用11.0592M晶體是為了得到標(biāo)準(zhǔn)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(shí)器1為模式2，SMOD設(shè)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(jì)算可以看出使用12M晶體的時(shí)候計(jì)算出來的TH1不為整數(shù)，而TH1的值只能取整數(shù)，這樣它就會(huì)有一定的誤差存在不能產(chǎn)生精確的9600波特率。

本次設(shè)計(jì)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(shí)器工作在方式2，即八位自動(dòng)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(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)與上位機(jī)接受的數(shù)據(jù)都是通過LCD1602來進(jìn)行顯示的，其引腳圖如圖1所示。

圖1    LCD1602引腳圖

下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)與上位機(jī)接受的數(shù)據(jù)都是通過LCD1602來進(jìn)行顯示的。1602LCD采用標(biāo)準(zhǔn)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(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。

第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。

第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。

第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。

第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

第15腳：背光源正極。

第16腳：背光源負(fù)極。

1602液晶模塊內(nèi)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(biāo)的操作都是通過指令編程來實(shí)現(xiàn)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(biāo)復(fù)位到地址00H位置。

指令2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址00H。

指令3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動(dòng)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(guān)控制。 D：控制整體顯示的開與關(guān)，高電平表示開顯示，低電平表示關(guān)顯示 C：控制光標(biāo)的開與關(guān)，高電平表示有光標(biāo)，低電平表示無光標(biāo) B：控制光標(biāo)是否閃爍，高電平閃爍，低電平不閃爍。

指令5：光標(biāo)或顯示移位 S/C：高電平時(shí)移動(dòng)顯示的文字，低電平時(shí)移動(dòng)光標(biāo)。

指令6：功能設(shè)置命令 DL：高電平時(shí)為4位總線，低電平時(shí)為8位總線 N：低電平時(shí)為單行顯示，高電平時(shí)雙行顯示 F: 低電平時(shí)顯示5x7的點(diǎn)陣字符，高電平時(shí)顯示5x10的點(diǎn)陣字符。

指令7：字符發(fā)生器RAM地址設(shè)置。

指令8：DDRAM地址設(shè)置。

指令9：讀忙信號(hào)和光標(biāo)地址 BF：為忙標(biāo)志位，高電平表示忙，此時(shí)模塊不能接收命令或者數(shù)據(jù)，如果為低電平表示不忙。

指令10：寫數(shù)據(jù)。

指令11：讀數(shù)據(jù)。

表3：基本操作時(shí)序表

圖2 寫操作時(shí)序

液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效。要顯示字符時(shí)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(nèi)部顯示地址。

例如第二行第一個(gè)字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個(gè)字符的位置呢？這樣不行，因?yàn)閷懭腼@示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平1所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。

例如第二行第一個(gè)字符的地址是40H，那么是否直接寫入40H就可以將光標(biāo)定位在第二行第一個(gè)字符的位置呢？這樣不行，因?yàn)閷懭腼@示地址時(shí)要求最高位D7恒定為高電平1所以實(shí)際寫入的數(shù)據(jù)應(yīng)該是01000000B（40H）+10000000B(80H)=11000000B(C0H)。

在對(duì)液晶模塊的初始化中要先設(shè)置其顯示模式，在液晶模塊顯示字符時(shí)光標(biāo)是自動(dòng)右移的，無需人工干預(yù)。每次輸入指令前都要判斷液晶模塊是否處于忙的狀態(tài)。

延時(shí)15mS

寫指令38H（不檢測(cè)忙信號(hào)）

延時(shí)5mS

寫指令38H（不檢測(cè)忙信號(hào)）

延時(shí)5mS

寫指令38H（不檢測(cè)忙信號(hào)）

以后每次寫指令、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測(cè)忙信號(hào)

寫指令38H：顯示模式設(shè)置

寫指令08H：顯示關(guān)閉

寫指令01H：顯示清屏

寫指令06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置

寫指令0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置

本次設(shè)計(jì)過程中當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后CPU響應(yīng)中斷，對(duì)接接收到得數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示后退出中斷，主函數(shù)以及中斷函數(shù)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(shù)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(diào)試

圖6硬件設(shè)計(jì)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(diào)試設(shè)置界面

當(dāng)仿真開始后下位機(jī)發(fā)送的數(shù)進(jìn)過虛擬串口發(fā)送上位機(jī)通過串口調(diào)試助手進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，其，仿真時(shí)下位機(jī)與上位機(jī)的波特率均設(shè)置為9600，串口調(diào)試助手工作時(shí)界面如圖8所示。

本次設(shè)計(jì)住實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)之間簡(jiǎn)單的通信，上位機(jī)通過串口調(diào)試助手發(fā)送一個(gè)十六進(jìn)制的數(shù)經(jīng)過虛擬串口，可以被下位機(jī)接收，并在LCD進(jìn)行顯示。在老師講述單片機(jī)課程的時(shí)候，對(duì)單片機(jī)的串口通信知識(shí)進(jìn)行了原理上的簡(jiǎn)單了解，對(duì)實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)考慮的一些問題并沒有過多的了解，通過本次設(shè)計(jì)，對(duì)單片機(jī)串口通信這部分的內(nèi)容進(jìn)行了更深層次的學(xué)習(xí)，知道了很多可是跟你學(xué)不到的東西。另外本次設(shè)計(jì)中，對(duì)收發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示時(shí)用到了LCD液晶1602，剛開始學(xué)習(xí)是覺得液晶顯示很神奇，再設(shè)計(jì)過程中，通過自己看教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)液晶的原理，以及操作命令等有了比較詳細(xì)的了解。一開始進(jìn)行操作時(shí)由于對(duì)液晶顯示的時(shí)序不是很清楚，知識(shí)把液晶顯示的代碼簡(jiǎn)單的堆在了一起，結(jié)果運(yùn)行時(shí)，液晶不能顯示。后來，自己仔細(xì)對(duì)1602的時(shí)序圖進(jìn)行學(xué)習(xí)后，才發(fā)現(xiàn)液晶初始化時(shí)，每條命令都是有先后順序的。

總之，通過本次設(shè)計(jì)鍛煉了我查找錯(cuò)誤時(shí)的耐力，也是我對(duì)與C語言在單片機(jī)上的編程變得更加熟練，為以后進(jìn)一步學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1]康華光主編,電子技術(shù)基礎(chǔ)(數(shù)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(shè)計(jì)/實(shí)驗(yàn)/測(cè)試[M]武漢:華中科技大學(xué)出版社，2000.7

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

[4]彭偉，單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)實(shí)例100例.電子工業(yè)出版社.2009，06