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单片机与PC 机的通信原理及电路的设计研究

内容摘要：随着单片机系统的广泛应用和计算机网络技术的普及，单片机的通信功能愈来愈显得重要 。单片机通信是指单片机与计算机或单片机与单片机之间的信息交换，通常单片机与计算机之间的通信用的较多 。本文以温度检测数据为基础，研究了单片机与PC机的通信原理及电路的设计 。
引言
本文研究的是一种基于串口的温度检测数据收发模块 。利用DS18B20温度传感器设计温度监测模块，精确到0.1℃，用液晶显示当前温度，然后通过串口调试助手向单片机发送指令 。当单片机收到十六进制指令01时，将当前温度值以1s为间隔传回PC 机显示，同时PC 机显示Turn on temp;当单片机收到十六进制指令02 时，停止温度值的回传，PC 机显示Turn offtemp;当单片机收到其它指令时，PC 机显示Error 。
1 总体设计
本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成信息的显示;软件主要完成信号的处理及控制功能等 。
本系统的硬件采用模块化设计，以AT89C52 单片机为核心，与LCD 显示电路、串行口通信电路及DS18B20温度检测电路组成控制系统 。该系统硬件主要包括以下几个模块：
AT89C52 主控模块、LCD 显示模块、串行口通信模块、DS18B20 温度检测模块等 。其中AT89C52主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，LCD 显示模块完成字符、数字的显示功能、串行口通信模块主要完成单片机和PC 机之间的通信功能，DS18B20温度检测模块主要完成环境温度检测功能 。系统组成方框图如图1.1 所示 。
 
图1.1系统硬件组成方框图
应用软件采用模块化设计方法 。该系统软件主要由主程序、串口接收发送数据中断子程序、LCD 显示子程序等模块组成，系统软件结构框图如图1.2 所示 。
 
图1.2系统软件设计框图 。
2 系统工作原理
MCS-51 单片机串行口发送/接收数据时，通过2 个串行缓冲器SBUF 进行，这2个缓冲器采用一个地址(98H)，但在物理上是独立的 。其中接收缓冲器只能读出不能写入，50 发送缓冲器只能写入不能读出 。
1. 发送过程
当数据被写入SBUF 寄存器后，单片机自动开始从起始位发送数据，发送到停止位的开始时，由内部硬件将TI 置1,向CPU申请中断，接下来可在中断服务程序中做相应处理，也可选择不进入中断 。
2. 接收过程
串行口的接收与否受制于允许接收位REN 的状态，当REN 被软件置"1"后，允许接收器接收 。串口的接收器以所选波特率的16 倍速对RXD线进行监视 。当"1"到"0"跳变时，检测器连续采样到RXD 线上低电平时 。便认定RXD 端出现起始位，继而接收控制器开始工作 。在每位传送时间的第7、8、9三个脉冲状态采样RXD 线，决定所接收的值为"0"或"1".当接收完停止位后，控制电路使中断标志R1置为"1".
3. 温度检测
温度检测采用DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20,DS18B20是一种新型的"一线器件",其体积更小，更适用于多种场合，且适用电压更宽、更经济 。DALLAS 半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器 。
温度测量范围为-55℃~+125℃，可编程为9 位~12位转换精度，可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃ 。在9位分辨率时，最多在93.75ms 内把温度转换为数字;在12 位分辨率时，最多在750ms 内把温度值转换为数字 。
3 温度传感器
3.1 温度传感器特性
DALLAS 最新单线数字温度传感器DS18B20[2]是一种新型的"一线器件",其体积更小，更适用于多种场合，且适用电压更宽、更经济 。DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20 是世界上第一片支持"一线总线"接口的温度传感器 。温度测量范围为-55℃~+125℃，可编程为9 位~12位转换精度，可分辨温度分别为0.5℃，0.25℃，0.125℃和0.0625℃ 。在9 位分辨率时，最多在93.75ms 内把温度转换为数字;在12位分辨率时，最多在750ms内把温度值转换为数字 。DS18B20的性能特点如下：
1. 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
2. 多个 DS18B20 可以并联在惟一的三线上，实现多点组网功能
3. 无须外部器件;
4. 可通过数据线供电，电压范围为3.0~5.5V;
5. 零待机功耗;
6. 温度以 9 或12 位数字;
7. 用户可定义报警设置;
8. 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;
9. 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作;
DS18B02 可以采用两种方式供电，一种是采用电源供电方式，此时DS18B20的1 脚接地，2 脚作为信号线，3脚接电源 。另一种是寄生电源供电方式，单片机端口接单线总线，为保证在有效的DS18B20 时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉 。
当 DS18B20 处于写存储器操作和温度A/D 转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us.采用寄生电源供电方式时VDD端接地 。由于单线制只有一根线，因此发送接口必须是三态的 。
 
图 3.1 DS18B20 引脚图
3.2 工作时序图
1. 初始化
 
图 3.2 初始化时序图
1)先将数据线置高电平1;2) 延时(该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一些);3) 数据线拉到低电平0;4) 延时750us(该时间范围可以在480~960us);5) 数据线拉到高电平1;6)延时等待 。如果初始化成功则在15~60ms内产生一个由DS18B20返回的低电平0,据该状态可以确定它的存在 。但是要注意，不能无限地等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时判断;7) 若 CPU 读到数据线上的低电平0后，还要进行延时，其延时时间从发出高电平算起最少要480us;8)将数据线再次拉到高电平后结束 。
2. DS18B20 写数据
 
图3.3 写数据时序图
1) 数据线先置低电平0;
2)延时确定的时间为15us;
3) 按从低位到高位的顺序发送数据(一次只发送一位);
4) 延时时间为 45us;
5) 将数据线拉到高电平1;
6) 重复 1)到5)步骤，直到发送完整个字节;
7)最后将数据线拉高到1.
3. DS18B20 读数据
 
图3.4 读数据时序图
1)将数据线拉高为1;
2) 延时 2us ;
3) 将数据线拉低0 ;
4) 延时 6us ;
5) 将数据线拉高1 ;
6)延时 4us ;
7) 读数据线的状态得到1 个状态位，并且进行数据处理;
8) 延时 30us ;
9) 重复 1)到7)步，知道读取完一个字节 。
4 硬件设计
4.1 时钟电路及复位电路
1.时钟电路
时钟电路可以产生CPU 校准时序，是单片机的控制核心，本次设计是通过外接12MHz的晶振来实现时钟电路的时序控制 。在使用片内振荡器时，XTAL1和XTAL2 分别为反向放大器的输入端和输出端 。外接晶体以及电容C3 和C5构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中 。当用外部时钟驱动时，XTAL2引脚应悬空，而由XTAL1引脚上的信号驱动，外部振荡器通过一个2分频的触发器而成为内部时钟信号，故对外部信号的占空比没有什么要求，但最小和最大的高电平持续时间和低电平持续时间应符合技术要求 。电路如图4.1 所示 。
 
图 4.1 晶振电路
2.空闲方式
在空闲方式下，CPU 的内部时钟信号被门控电路所封锁，CPU即进入睡眠状态，但内部时钟信号仍继续供给中断系统，定时器和串行口 。这种方式由软件调用 。在空闲方式期间，片内RAM和所有专用寄存器的状态仍被保留，空闲方式可通过任何允许的中断或硬件复位来终止 。当空闲方式由硬件复位终止时，通常系统在空闲处恢复程序的执行 。硬件复位只需要信号持续有效两个机器周期 。当用复位终止空闲方式时，为防止避免意外写入端口引脚的可能性，调用空闲方式指令的下一条指令不应是写端口引脚或外部存储器 。
3.掉电工作方式
5.2 程序设计
5.2.1 主程序设计
主程序主要完成硬件初始化、子程序调用等功能 。
1. 初始化 。
首先调用 LCD 初始化程序，在LCD 上显示数据"RECEIVE:"和"TEMP is: *C".
然后调用中断及串口初始化子程序程序，把串口接收数据单元RECDATA 清零 。设置寄存器SCON 的SM0、SM1位定义串口工作方式，选择波特率发生器为定时器T1;设定定时器T1工作方式为方式2;设置波特率参数为9600bps;允许串行中断及总中断;允许串口接收数据，定义REN=1;启动定时/计数器T1 工作，定义TR1=1.
2. 串口收发数据 。
判断串口成功接收数据标志位flag_UART 是否为0,若flag_uart 为0,表明串口未接收到数据，则继续等待串口接收数据;若flag_uart为1,表明串口成功接收或发送数据，进入串口中断服务子程序，单片机接收数据，并将串口成功接收数据标志位flag_uart 清零，调用LCD显示接收数据子程序，在LCD 上显示单片机从串口接收到的数据，同时回传温度值给PC机显示 。主程序设计流程图如图5.1 所示 。
 
图 5.1 主程序流程图
5.2.2 串口中断服务子程序
判断串口发送标志位TI 是否为1,若TI 为1,则把数据从单片机发给PC机，并把TI清零，中断子程序返回;若TI为0,表明RI=0,则把串口接收标志位RI清零，把串口接收缓冲器SBUF中的数据写入串口接收数据单元RECDATA,再把该数据送到串口发送缓冲器SBUF 中，传给PC 机，置串口成功接收数据标志位RECOKBIT为1,表明串口成功接收发送数据，最后中断子程序返回 。串口收发数据中断服务子程序设计流程图如图5.2 所示 。
 
图5.2 串口中断服务子程序
5.2.3 读温子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM 中的9 字节，在读出时需进行CRC 校验，校验有错时不进行温度数据的改写 。其程序流程图如图5.3 示 。
 
图5.3 读温子程序
5.2.4 温度转换命令子程序
温度转换命令子程序主要是发温度转换开始命令，当采用12位分辨率时转换时间约为750ms,在本程序设计中采用1s显示程序延时法等待转换的完成 。温度转换命令子程序流程图如上图，图5.4 所示 。
 
图5.4 温度转换流程图
5.2.5 计算温度子程序
计算温湿度子程序将RAM 中读取值进行BCD 码的转换运算，并进行温度值正负的判定，其程序流程图如图5.5 所示 。
 
图5.5 计算温度流程图
5.2.6 显示数据刷新子程序
显示数据刷新子程序主要是对分离后的温度显示数据进行刷新操作，当标志位位为1时将符号显示位移入第一位 。程序流程图如图5.6 所示 。
 
6 结论
本系统的硬件采用模块化设计，以AT89C52 单片机为核心，与LCD 显示电路、串行口通信电路及DS18B20温度检测电路组成控制系统 。该系统硬件主要包括以下几个模块：
AT89C52 主控模块、LCD 显示模块、串行口通信模块、DS18B20 温度检测模块等 。其中AT89C52主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，LCD 显示模块完成字符、数字的显示功能、串行口通信模块主要完成单片机和PC 机之间的通信功能，DS18B20温度检测模块主要完成环境温度检测功能 。
在掉电方式下，片内振荡器停止工作 。调用掉电指令是执行的最后一条指令 。片内RAM和专用寄存器的值被保留，直到掉电方式终止 。退出掉电方式只能靠硬件复位 。复位后将重新定义所有专用寄存器，但不改变RAM 的内容 。在VCC未恢复到正常工作电压之前，不能启动复位，复位信号应保持足够长的时间，以保证振荡器的起振和达到稳定 。
为了使单片机正常工作，还需要加入上电复位电路和掉电检测电路 。上电复位简要原理：
在系统不需要复位时，RST端是低电平;按下按键，RST端变为高电平 。
 
图 4.2 上电复位电路
AT89C51、晶振电路与上电复位电路共同组成单片机最小系统，如图4.3 所示 。
 
图 4.3 最小系统
4.2 温度传感器
 
图4.4 DS18B20连线图
从图 4.4 可以看出，DS18B20 与单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20.这个图的接法是单片机与一个DS18B20 通信，如果要控制多个DS18B20进行温度采集，只要将所有的DS18B20 的I/O口全部连接到一起就可以了 。
4.3 LCD显示模块
显示电路采用LCD1602 液晶显示屏，P2 作为液晶8 位数据输入端口 。P1.0 口作为液晶数据/命令选择端口，P1.1 为液晶使能端口 。
 
图 4.5 LCD 显示模块
4.4 串行口通信模块设计
51 单片机有一个全双工的串行通信口，使单片机和计算机之间可以方便地进行通信 。
电平范围是电路能够安全可靠识别信号的电压范围 。
【单片机与PC 机的通信原理及电路的设计研究】CMOS 电路的电平范围一般是从0 到电源电压 。CMOS 电平中，高电平(3.5~5V)为逻辑"1",低电平(0~0.8V)为逻辑"0".
RS232 接口的电平范围是-15V 到+15V,RS232 电平采用负逻辑，即逻辑"1":-3~-15V,逻辑"0":+3~+15V.
单片机的串口是TTL 电平的，而计算机的串口是RS232电平，要使两者之间进行通信，两者之间必须有一个电平转换电路，即单片机的串口要外接电平转换电路芯片把与TTL兼容的CMOS 高电平表示的1 转换成RS232的负电压信号，把低电平转换成RS-232 的正电压信号 。典型的转换电路给出-9V 和+9V.
本设计中实现逻辑电平转换可以采用MAX232 芯片的转换接口：MAX232 是MAXIM公司生产的，包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片 。MAX232 芯片内部有一个电压转换器，可以把输人的+5V 电压转换为RS-232 接口所需的±10V 电压，尤其适用于没有±12V的单电源系统 。与此原理相同的芯片还有MAX202、AD 公司的ADDt101 以及SIL 公司的IC1232 芯片 。
 
图 4.6 MAX232 芯片引脚
由于 protues仿真时不需进行电平转换，所以仿真时没有用上MAX232 芯片电路，但做实物时需进行电平转换，其硬件连线图如图4.7 所示 。MAX232芯片的T1in 引脚连接AT89C51 单片机的P3.1(TXD)引脚，MAX232 芯片的R1out 引脚连接AT89C51单片机的P3.0(RXD)引脚;MAX232 芯片的T1out 引脚连接DB9 针接口的第2 引脚，MAX232 芯片的R1in 引脚连接DB9 针接口的第3引脚 。
 
图4.7 电平转换硬件连接图
4.5 系统原理图
由以上模块化设计可得整个系统原理图如图4.8 所示：
 
图4.8 系统原理图
5 软件设计
5.1 算法设计
编写单片机异步通信程序步骤如下：
1. 设置串口工作方式
此时需对串行控制器SCON 中的SM0、SM1 进行设置 。PC 机与单片机的通信中一般选择串口工作在方式1 下 。
2. 选择波特率发生器
选择定时器1或定时器2 做为其波特率发生器 。
3. 设置定时器工作方式
当选择定时器1 做为波特率发生器时，需设置其方式寄存器TMOD 为计数方式并选择相应的工作方式(一般选择方式2 以避免重装定时器初值);当选择定时器2做为波特率发生器时，需将T2CON 设置为波特率发生器工作方式 。
4. 设置波特率参数
影响波特率的参数有二，一是特殊寄存器PCON 的SMOD 位，另一个是相应定时器初值 。
5. 允许串行中断
因在程序中我们一般采有中断接收方式，故应设EA=1、ES=1.
6. 允许接收数据
设置 SCON 中的REN 为1.表示允许串行口接收数据 。
7. 允许定时/计数器工作
此时开启定时/计数器，使其产生波特率8. 编写串行中断服务程序 。
当有数据到达串口时，系统将自动执行所编写的中断服务程序 。
9. 收/发相应数据
注意的是发送操作完成需将T1清零，接收工作完成后需将R1清零 。

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