1、CDIO设计目的
? 通过虚拟串口实现下位机与上位机之间的相互通信。 ? 通过设计将串口通信的各种方式进行进一步的了解。
? 将接收的数字与发送的数字在LCD上进行显示，从而熟悉液晶显示屏LCD1602的具体操
作。
? 熟练掌握C语言在单片机上的编程应用。
? 将各学科之间的的知识进行综合运用，并能够实现所需的功能设计。
2、CDIO设计正文 2.1串口通信原理
串行通信是CPU与外界交换信息的一种基本通信方式。通信时仅需一到两根传输线，且每次只能传送一位，适用于长距离传输，但速度较慢。MCS—51串行口是一个可编程的全双工串行通信接口，其对应的引脚为P3.0（10脚）和P3.1（11脚），分别为RXD和TXD，通过软件编程它可以作通用异步收发器用，也可以做同步移位寄存器使用，其帧格式有8位、10位和11位3种，并能设置各种波特率。MCS—51串行口有两个独立的缓冲器，即发送缓冲器和接收缓冲器，且共用一个地址99H（SBUF）。同时，MSC—51串行口可以用软件设置成4种不同的工作方式。
2.1.1串行口的工作原理
通过对特殊功能寄存器—串行口控制寄存器中SM0、SM1两位的操作，MCS—51单片机串口通信工作方式有4种，与串行口有关的特殊功能寄存器有串行口控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON和定时器T1，主要确定了串口通信的工作方式和波特率的计算方法。 （1）串行口数据缓冲器SBUF
SBUF是两个在物理上相互独立的接收，发送缓冲器，可同时发送，接收数据，两个缓冲器共用一个字节地址，为99H，可字节寻址，不可位寻址，复位值为00H。可通过编程对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。CPU写SBUF，就是修改发送缓冲器； CPU读SBUF，就是读接收缓冲器，在硬件结构上，串行口对外有两条独立的收发信号线RXD和TXD，因此可以同时发送，接收数据，实现全双工传送。 （2）串行口控制寄存器SCON
SCON寄存器用于确定串行通信的工作方式、接收和发送控制、串行口的中断状态标志，它既可以是字节寻址，也可以是位寻址，字地址为98H，其复位值为00H。
SM0，SM1—工作方式控制位，可构成4种通信工作方式，分别为：方式0-同步移位寄存器；方式1-10位异步收发；方式2-11位异步收发；方式3-11位异步收发。
SM2—多机通信控制位，用于主一从式多机通信控制，因多机通信是在方式2和方式3下进行，
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因此SM2位主要用于方式2和方式3。若SM2=1，则允许多机通信。若SM2=0，则不属于多机通信情况，接收到一帧数据后，无论第9位（D8）是0还是1，都置中断标志RI=1，接收到的数据装入接收/发送缓冲器（SBUF）中。
在工作方式1时，若SM2=1，则只有接收到有效停止位时中断标志RI才置1，以便接收下一帧数据；在工作方式0时，SM2必须为0。
REN—允许接收控制位，用软件置1或清零，REN=1，允许接收；REN=0，禁止接收。 TB8—发送数据位8，在方式2和方式3时，TB8是要发送的第9位数据。在多机通信中，以TB8位的状态表示主机发送的是地址还是数据：TB8=0为数据，TB8=1为地址，该位由软件置位或清零，此外，该位还可以作为数据的奇偶检验位。
RB8—接收数据位8，在工作方式2和工作方式3种，它是接收到的第9位数据位，既可以作为约定好的奇偶检验位，也可以作为多机通信时的地址帧或数据帧标志。在工作方式1中若SM2=0，则RB8是接收到的停止位，在工作方式0种不使用RB8。
TI—发送中断标志位，在工作方式0中，发送完8位数据后，由硬件置1，向CPU申请接收中断，CPU响应中断后，必须用软件清零；在其他方式下，在发送停止位前，由硬件置位。
RI—接收中断标志位。在工作方式0种，接收完8位数据后，由硬件置1，向CPU申请发送中断，CPU响应中断后，必须用软件清零；在其他方式下，在接收到停止位的中间时刻由硬件置1，中断响应后也必须用软件清零。
串行发送中断标志位TI和接受中断标志位RI是同一个中断源，在全双工通信中，必须用软件来判别是发送中断请求还是接收中断请求。 （3）电源控制寄存器PCON
PCON主要是为CHMOS型单片机上实现电源控制而设置的专用寄存器，单元地址为87H其中只有一位SMOD与串行口工作有关。SMOD称为波特率选择位。在工作方式1，2，3中若SMOD=1，则波特率提高一倍；若SMOD=0，则波特率不加倍。
除了以上3种特殊功能寄存器以外，串口的工作还与定时器T1和中断允许寄存器IE有关，定时器T1主要在工作方式1，工作方式2中用于计算波特率，而IE主要用于接收/发送中断的允许控制，ES=0，禁止串行中断，ES=1，允许串行中断。
2.1.2串行通信的波特率
在使用串口做通讯时，一个很重要的参数就是波特率，只有上下位机的波特率一样时才可以进行正常通讯。波特率是指串行端口每秒内可以传输的波特位数。51芯片的串口工作模式0的波特率是固定的，为fosc/12，以一个12M的晶振来计算，那么它的波特率可以达到1M。模式2的波特率是固定在fosc/64或fosc/32，具体用那一种就取决于PCON寄存器中的SMOD位，如SMOD为0，波
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特率为focs/64,SMOD为1，波特率为focs/32。模式1和模式3的波特率是可变的，取决于定时器1或2（52芯片）的溢出速率。计算这两个模式的波特率可以用以下的公式去计算。
波特率＝（2
SMOD
÷32）×定时器1溢出速率 （1）
上式中如设置了PCON寄存器中的SMOD位为1时就可以把波特率提升2倍。通常会使用定时器1工作在定时器工作模式2下，这时定时值中的TL1做为计数，TH1做为自动重装值，这个定时模式下，定时器溢出后，TH1的值会自动装载到TL1，再次开始计数，这样可以不用软件去干预，使得定时更准确。在这个定时模式2下定时器1溢出速率的计算公式如下：
溢出速率＝（计数速率）/(256－TH1) （2）
上式中的“计数速率”与所使用的晶体振荡器频率有关，在51芯片中定时器启动后会在每一个机器周期使定时寄存器TH的值增加一，一个机器周期等于十二个振荡周期，所以可以得知51芯片的计数速率为晶体振荡器频率的1/12，一个12M的晶振用在51芯片上，那么51的计数速率就为1M。通常用11.0592M晶体是为了得到标准的无误差的波特率。如我们要得到9600的波特率，晶振为11.0592M和12M，定时器1为模式2，SMOD设为1，分别看看那所要求的TH1为何值。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
上面的计算可以看出使用12M晶体的时候计算出来的TH1不为整数，而TH1的值只能取整数，这样它就会有一定的误差存在不能产生精确的9600波特率。
本次设计中为了得到精确地波特率，采用的晶振频率为11.0592MHz，此外定时器工作在方式2，即八位自动重装载，串口工作在方式1.
2.2接收与发送数据显示
下位机发送的数据与上位机接受的数据都是通过LCD1602来进行显示的，其引脚图如图1所示。
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图1 LCD1602引脚图
下位机发送的数据与上位机接受的数据都是通过LCD1602来进行显示的。1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1所示:
表1：引脚接口说明表 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极 第1脚：VSS为地电源。 第2脚：VDD接5V正电源。 第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。 第15脚：背光源正极。 第16脚：背光源负极。 2.2.1 1602LCD的指令说明及时序 1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2所示： 表2：控制命令表 第 3 页 共 10 页
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序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 指令 清显示 光标返回 置输入模式 显示开/关控制 光标或字符移位 置功能 置字符发生存贮器地址 置数据存贮器地址 读忙标志或地址 写数到CGRAM或DDRAM） RS R/W D7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 BF D6 0 0 0 0 0 0 1 D5 0 0 0 0 0 1 D4 0 0 0 0 1 DL D3 0 0 0 1 D2 0 0 1 D D1 0 1 I/D C * * D0 1 * S B * * S/C R/L N F 字符发生存贮器地址 显示数据存贮器地址 计数器地址 10 1 0 要写的数据内容 11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平） 指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令2：光标复位，光标返回到地址00H。 指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7：字符发生器RAM地址设置。 第 4 页 共 10 页
单片机串口通信及液晶显示课件
