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简介：51单片机凭借其串口通信功能，在嵌入式系统设计中具有广泛应用。本实验介绍如何理解并实现51单片机串口接收数据，通过实践编程与硬件操作，掌握其在数据传输和模块通讯中的应用。从串口工作原理到接收程序编写，再到寄存器的配置与应用，实验步骤完整，旨在帮助初学者快速掌握串口接收操作，并为进一步的通信技术研究打下基础。
串口接收

1. 51单片机串口通信简介

1.1 串口通信基本概念

串口通信是单片机与外部设备或计算机之间交换数据的一种常见方式。51单片机的串口通信通过其内部的UART（通用异步收发传输器）实现。简单来说，它通过一条数据线（RXD）接收数据，另一条数据线（TXD）发送数据，实现数据的串行传输。

1.2 串口通信的重要性

串口通信之所以在嵌入式系统中得到广泛应用，是因为它的实现简单且成本低廉。与并行通信相比，串口通信只需要较少的线路，这意味着在布线、通信距离和抗干扰能力方面都有优势。

1.3 串口通信在51单片机中的实现

在51单片机中，串口通信的实现涉及到特定的寄存器配置，包括波特率的设置、数据位和停止位的确定，以及奇偶校验的选择等。这些配置决定了串口通信的速率和可靠性，是开发过程中不可或缺的步骤。在接下来的章节中，我们将详细介绍这些概念以及如何在51单片机中进行具体配置和使用。

2. 串口工作原理与UART模式

2.1 串口通信基础

2.1.1 串口通信的定义和特点

串口通信，全称为串行通信，是一种在计算机和串行设备之间进行数据交换的方式。它是计算机通信最古老也是最常用的方式之一。在串口通信中，数据是以位（bit）为单位按顺序逐个传输的，相比于并行通信，串口通信只需要少量的信号线（通常是2至3条），这使得它在远距离数据传输中非常实用。

串口通信的特点包括：
- 简易性 ：串口通信使用单一的信号线进行数据传输，硬件接口简单。
- 灵活性 ：既可以实现点对点的通信，也可以通过多路复用技术实现多点通信。
- 成本效益 ：相对于并行通信，串行通信所需的数据线路少，成本较低。
- 远距离传输 ：采用信号线少且可以使用调制解调器进行长距离通信。

2.1.2 串口通信的应用场景

串口通信广泛应用于嵌入式系统、工业控制、数据采集等领域。例如：
- 嵌入式系统 ：在嵌入式设备中，串口用于微控制器与外围设备（如传感器、打印机、显示器）之间的通信。
- 工业控制 ：工业设备如PLC（可编程逻辑控制器）经常利用串口进行远程控制和监控。
- 数据采集 ：串口通信在数据采集系统中用作传感器和计算机之间的桥梁。

2.2 UART模式详解

2.2.1 UART模式的工作原理

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）即通用异步收发传输器，是一种通用的串行通信接口。UART模式允许设备通过异步串行通信进行数据传输，这意味着数据的发送和接收不需要同步时钟信号。

工作原理简述如下：
- 数据帧结构 ：UART通信的基本单位是数据帧。一个数据帧包含起始位、数据位、可选的奇偶校验位和停止位。
- 起始位和停止位 ：起始位标志数据帧的开始，而停止位标志数据帧的结束。
- 数据位 ：携带有效信息的数据位，通常有8位数据位。
- 奇偶校验 ：用于错误检测，根据奇偶校验位判断数据在传输过程中是否发生错误。

2.2.2 UART模式的优势与局限性

UART模式的优势：
- 简易性 ：硬件实现简单，只需少量的引脚即可完成数据传输。
- 成本效益 ：通信成本低，适合于远距离通信。
- 灵活性 ：配置灵活，数据格式可调，方便不同的应用场景。

局限性：
- 传输速度 ：相比于其他高速通信协议，UART的传输速度较慢。
- 数据丢失风险 ：由于是异步通信，高速传输时如果系统处理不及时容易造成数据丢失。
- 错误检测能力有限 ：依靠奇偶校验位的错误检测能力较弱。

在设计串口通信系统时，需要仔细考虑UART模式的优势与局限性，以确保系统性能满足实际应用需求。

3. 波特率、数据位、停止位和奇偶校验设置

3.1 波特率的设置与意义

3.1.1 波特率的概念和计算方法

波特率是串口通信中描述符号传输速率的参数，以每秒传输的符号数为单位，符号可以是位（bit）。它是决定通信速率的关键因素之一。波特率的计算公式一般表示为：

波特率 = 1 / 波特时间

其中，波特时间是传输一个符号所需的时长。在实际通信中，比如使用51单片机进行串口通信时，常见的是选择标准的波特率，例如9600bps（每秒9600位），这是通过设置定时器来实现的。在一些51单片机的编程中，波特率的生成依赖于定时器的配置，如使用定时器1，并以适当的预分频值来得到所需的波特率。

3.1.2 波特率的配置对通信质量的影响

波特率设置的精确性对通信质量有着重要影响。若波特率设置过低，会造成通信带宽的浪费；而如果设置过高，超出了接收方的处理能力，则会导致通信失败。因此，在设计串口通信系统时，必须仔细计算并设置适当的波特率。同时，在长距离传输或者噪声较多的环境中，通常会使用较低的波特率以保证通信的稳定性和可靠性。

3.2 数据格式的配置

3.2.1 数据位、停止位的含义和配置方法

串口通信中的数据格式通常包括数据位、停止位和奇偶校验位。数据位表示每个传输字节中有效数据的位数，常见的有7位或8位。停止位用于表示数据传输的结束，常见的配置有1位、1.5位或2位停止位。数据位和停止位的设置会影响通信的数据容量和可靠性。

在51单片机中，数据位的配置通常在SCON寄存器中设置。SCON寄存器是一个8位寄存器，其中SM0和SM1位用来配置工作模式（包括数据位的位数），而RB8和TB8位则与停止位和校验位相关。当使用模式1（8位数据）时，停止位默认为1位。如果需要配置为1.5或2位停止位，通常需要设置SM2位为1，并通过软件来设置额外的停止位。

SCON: 串口控制寄存器
| SM0 | SM1 | SM2 | REN | TB8 | RB8 | TI | RI |
| 0   | 1   | 0   | 1   | 0   | 0   | 0  | 0  |
// SM0=1, SM1=0 表示串口工作在模式1，即8位UART通信
// REN=1 表示允许接收
// TI和RI分别表示发送和接收中断标志位
3.2.2 奇偶校验的原理及其在通信中的作用

奇偶校验是一种简单的错误检测机制，在串口通信中广泛应用。它通过在数据位中添加一个额外的位（校验位）来确保传输数据的正确性。奇偶校验位的设置取决于数据位的组合，如果数据位加上校验位后1的总数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验），则校验位被设置为1或0。

奇偶校验能够检测到单个位的错误，但它无法发现偶数位错误。此外，它也无法提供足够的信息来纠正错误。在51单片机中，奇偶校验位的设置同样在SCON寄存器中完成。

3.3 配置示例与实验步骤

3.3.1 配置波特率

为了设置波特率，我们需要配置定时器。例如，若要设置9600波特率，且单片机的时钟频率为11.0592MHz，可以使用如下代码配置定时器：

void Serial_Init() {
    TMOD = 0x20; // 定时器1工作在2模式
    TH1 = 0xFD;  // 定时器1高位，设置波特率9600
    TL1 = 0xFD;  // 定时器1低位，设置波特率9600
    TR1 = 1;     // 启动定时器1
    SM0 = 0;
    SM1 = 1;     // 设置串口工作在模式1
    REN = 1;     // 允许接收
    EA = 1;      // 开启全局中断
    ES = 1;      // 开启串口中断
}
3.3.2 数据格式配置

要设置数据位、停止位以及奇偶校验位，可以使用以下代码进行配置：

void SetDataFormat(unsigned char dataBits, unsigned char stopBits, unsigned char parity) {
    SCON = (SCON & 0x0F) | dataBits; // 设置数据位
    if (stopBits == 2) {
        SCON |= 0x40; // 设置停止位为2位
    }
    // 根据parity值设置奇偶校验
    switch (parity) {
        case 'N': // 无校验
            SCON &= 0x1F;
            break;
        case 'E': // 偶校验
            SCON |= 0x80;
            break;
        case 'O': // 奇校验
            SCON |= 0x40;
            break;
    }
}

在配置数据格式时，需要根据实际的应用场景选择合适的数据位、停止位和奇偶校验方式。这样设置是为了适应不同传输质量和要求的应用，例如，在稳定性优先的系统中，可能会选择2位停止位和奇偶校验位以提高数据的可靠性。

通过以上的配置，可以设置出适合特定通信需求的串口参数。而在实际操作中，还应该根据通信双方的具体协议，来适配这些设置，确保两端可以正常进行数据交换。

4. 串口接收中断服务程序编写

4.1 中断服务程序的作用

4.1.1 中断的概念与分类

中断是一种计算机系统中用于响应外部事件或内部条件的机制，使得处理器能够暂停当前任务，转而处理更加紧急的任务。在51单片机中，中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）是实现串口通信中接收和发送数据的关键部分。

中断通常分为两类：硬件中断和软件中断。硬件中断由外部设备如串口、定时器等触发，软件中断则由指令如 INT 指令触发。在51单片机中，串口通信涉及到的中断主要是硬件中断，即串口中断。

4.1.2 串口中断的特点和优势

串口中断具有以下特点：
- 异步操作 ：中断服务程序能够在主程序执行的同时响应串口事件，实现异步通信。
- 实时性 ：因为中断响应的优先级高，所以能及时处理串口数据，减少数据丢失的风险。
- 程序结构清晰 ：使用中断处理串口事件，可以使主程序更加简洁，逻辑更加清晰。

优势主要体现在提高系统效率和程序的可维护性上。通过中断方式处理串口数据，能够让主程序专注于业务逻辑的处理，而将数据的接收和发送交由中断服务程序管理。

4.2 中断服务程序的编写步骤

4.2.1 中断服务程序的基本结构

一个典型的串口中断服务程序通常包含以下几个部分：
- 中断触发判断 ：检查中断标志位来确认是否为串口触发的中断。
- 数据接收与发送 ：根据中断的类型执行数据的接收或发送操作。
- 中断处理完成标记 ：完成后清除中断标志位，允许新的中断发生。

4.2.2 串口中断服务程序的实现

在51单片机中，编写串口中断服务程序通常需要以下步骤：

  1. 初始化串口和中断 ：设置串口工作模式、波特率等参数，并开启串口中断允许。
  2. 编写中断服务函数 ：创建一个中断服务函数，用于处理串口数据。
  3. 中断优先级设置 （可选）：如果系统中有多个中断源，需要设置中断优先级。
  4. 主循环中处理数据 ：在主循环中，通过访问全局变量（由中断服务函数更新）来处理接收到的数据。

下面是一个简单的中断服务函数示例代码，以及逻辑分析和参数说明：

void UART_ISR(void) interrupt 4 // 中断号为4，对应串口中断
{
    // 检查是否为接收中断
    if (RI) {
        RI = 0; // 清除接收中断标志位
        // 接收到的数据已经保存在SBUF中
        // 可以在这里处理数据
    }
    // 检查是否为发送中断
    if (TI) {
        TI = 0; // 清除发送中断标志位
        // 发送数据完成，可以在这里准备下一次发送
    }
}

在该代码中，使用了 interrupt 4 来指定中断服务函数响应中断号4，即串口中断。 RI 和 TI 是51单片机中的特殊功能寄存器位，分别表示接收和发送中断标志位。当中断发生时，对应的标志位被硬件自动设置为1，当程序中清除这些标志位时，意味着对应的中断处理完成。注意，此代码段并不直接处理数据，而是提供了处理数据的框架，具体的数据处理逻辑需要根据应用场景进一步开发。

5. 寄存器配置与实验步骤

5.1 寄存器配置要点

在51单片机中，串口通信的配置主要是通过一系列的寄存器来完成的。掌握这些寄存器的功能和配置方法对于成功搭建串口通信至关重要。

5.1.1 SCON寄存器的功能和配置方法

SCON是串口控制寄存器，主要负责控制串口的工作模式和接收/发送状态。SCON寄存器的位定义如下：

  • SM0和SM1：串口模式选择位，决定单片机工作在模式0、模式1、模式2或模式3。
  • REN：允许接收位，当REN=1时，允许单片机接收串口数据。
  • TB8和RB8：在模式2和模式3中，这两个位用于多机通信中的地址识别。
  • TI：发送中断标志位，数据发送完成后，TI会被硬件置1。
  • RI：接收中断标志位，数据接收完成后，RI会被硬件置1。

配置SCON寄存器的示例代码如下：

SCON = 0x50; // 设置为模式1，允许接收

5.1.2 TMOD、TH1、TL1寄存器的作用和设置

TMOD寄存器用于设置定时器的模式，TH1和TL1是定时器1的高8位和低8位，用于产生波特率。

  • TMOD中的GATE、C/T、M1和M0位用于控制定时器1的工作模式。
  • TH1和TL1需设置为适合当前波特率的值。

例如，要设置9600波特率，假设晶振为11.0592MHz，可以通过以下代码实现：

TMOD |= 0x20; // 定时器1工作在2模式
TH1 = 0xFD;   // 定时器1高位赋值
TL1 = 0xFD;   // 定时器1低位赋值

5.1.3 IE、IP寄存器与中断优先级的关系

IE和IP寄存器用于控制中断使能和优先级。

  • EA位必须置1，允许中断系统工作。
  • EX0和EX1分别控制外部中断0和外部中断1的使能。
  • ET0和ET1分别控制定时器中断0和定时器中断1的使能。
  • IP寄存器的位定义与IE类似，但用于设置中断优先级。

例如，要使能串口中断并设置为高优先级：

IE |= 0x90; // 使能串口中断和全局中断
IP |= 0x10; // 设置串口中断为高优先级

5.2 实验步骤与电路搭建

5.2.1 实验的具体步骤详解

接下来，我们将进行一个简单的串口通信实验，该实验涉及以下步骤：

  1. 初始化单片机的串口配置。
  2. 编写串口接收中断服务程序。
  3. 实现数据的发送和接收。
  4. 在接收端显示接收到的数据。

具体代码如下：

#include <reg51.h>

// 串口初始化函数
void SerialInit() {
    SCON = 0x50; // 串口模式1，REN=1
    TMOD |= 0x20; // 定时器1模式2
    TH1 = 0xFD; // 波特率9600
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1; // 启动定时器1
    ES = 1; // 使能串口中断
    EA = 1; // 允许中断
}

// 主函数
void main() {
    SerialInit(); // 初始化串口配置
    while(1) {
        // 主循环，等待中断发生
    }
}

// 串口中断服务程序
void Serial_ISR() interrupt 4 {
    if(RI) {
        RI = 0; // 清除接收中断标志
        P1 = SBUF; // 将接收到的数据显示在P1端口
    }
}

5.2.2 电路图的解读与搭建注意事项

为了进行串口通信，我们需要准备两块51单片机和相应的串口连接线。以下是连接时需要注意的几点：

  • 使用MAX232或类似的电平转换芯片将单片机的TTL电平转换为RS232电平。
  • 确保TX和RX引脚正确连接：单片机A的TX接单片机B的RX，反之亦然。
  • 搭建时应避免过长的连接线和过高的噪声干扰，可能会导致数据传输错误。

一旦电路搭建完成，就可以通过编程器将代码烧录到单片机中，并在实验板上进行通信测试。

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