串口实验演示

Tutorial: 电子电路 Category: 嵌入式 Published: 2026-08-29 08:09:36 Views: 0 Likes: 0 Comments: 0

045.6.1 串口实验演示

#include "reg52.h"
#include <intrins.h>

typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;

sbit LED1 = P1^0;
sbit LED2 = P1^1;
sbit LED3 = P1^2;
sbit LED4 = P1^3;
sbit BEEP = P1^6;
sbit JDQ1 = P2^0;

uchar recv;

void Delay_xms(uint xms)	//@11.0592MHz
{
	uchar data i, j;
	while(xms)
	{
		_nop_();
		i = 2;
		j = 199;
		do
		{
			while (--j);
		} while (--i);
    xms--;		
	}
} 
//串口发送一个字节
void UART_Send_Byte(uchar send_byte)
{
	SBUF = send_byte;
	while(!TI);
	TI=0;
}

//串口发送字符串
void UART_Send_Str(uchar *send_str)
{	
	while(*send_str != '\0') //判断字符串结束符，如果识别到‘\0',则跳出while，结束发送
	{
		UART_Send_Byte(*send_str++);	//本质是一个字节一个字节的发送，
		//发送完一个字节，地址+1，等待发送下一个字节，直到检测到字符串结束符为止
	}	
} 
void main()
{
	SCON = 0x50; 	//串口配成工作方式1
	PCON &= 0x7F; //波特率不加倍
	TMOD &= 0x0f;	
	TMOD |= 0x20;	//定时器1，模式二，自动重装初值，串口按照一定速率发数据，需要用的定时器
	TH1 = 0xFD;	
	TL1 = 0xFD; //@11.0592MH时钟，9600比特率定时器初值
	TR1 = 1; //定时器开始运行   
	ES = 1;  //串口中断打开
	EA=1;					//总中断打开

	while(1)
  {
		UART_Send_Str("I am wfeng!\r\n");
		Delay_xms(1000);
  }
}

/*****************
串口中断处理函数，接收数据
*****************/
void UART_Routine(void) interrupt 4
{
	if(1 == RI) //判断接收标志位是否为1
	{
		RI = 0;  //RI接收标志位清0
		recv = SBUF;   //接收数据
		switch (recv)
		{
			case 0x1:
				LED1 = 0;
				break;
			case 0x2:
				LED2 = 0;				
				break;
			case 0x3:
				LED3 = 0;
				break;
			case 0x4:
				LED4 = 0;				
				break;	
			case 0x5:
				P1 |= 0x0F;
				break;
			case 0x6:
				BEEP = 0;				
				break;
			case 0x7:
				BEEP = 1;
				break;
			case 0x8:
				JDQ1 = 0;				
				break;
			case 0x9:
				JDQ1 = 1;				
				break;			
			default:
				break;
		}
	}

}

一、串口实验演示

本实验先建立一个直观认识：电脑与51单片机之间可以进行双向串行通信。单片机每隔约1秒向电脑发送一行字符串；电脑也可以发送命令字节，让单片机控制LED、蜂鸣器和继电器。后续分析会把电脑端的USB通信、CH340转换电路和单片机内部UART联系起来。

串口通信的完整数据通路如下：

单片机发送：程序写SBUF → P3.1/TXD → CH340的RXD → USB D+/D- → 电脑串口助手
单片机接收：电脑串口助手 → USB D+/D- → CH340的TXD → P3.0/RXD → SBUF → 串口中断

这里的CH340不是简单的“换一个插头”，而是协议与电平转换芯片：电脑一侧使用USB差分信号D+、D-，单片机一侧使用TTL电平UART信号TXD、RXD。TTL串口也不同于传统DB9接口的RS-232电平，二者不能直接相连。

1.1 实验一接线方式

实验一需要一根USB数据线和一个继电器模块。开发板上虽然有两个Type-C接口，但功能并不相同：

接口	原理图中的名称	连接的主要电路	能否进行串口通信
带CH340串口芯片的一侧	供电/下载USB	USB供电、USB数据线、CH340N自动下载电路	可以，同时可以供电和下载程序
另一侧	供电USB	VBUS、滤波电容和电源网络	不可以，只能供电

实验时应把数据线插入靠近CH340芯片、能够下载程序的接口。若插入仅供电接口，开发板虽然会亮灯并运行程序，但电脑不会枚举出COM端口，串口助手也无法通信。

继电器模块的控制侧按下面的方法连接：

继电器模块引脚	开发板连接点	作用
`VCC`	`5V`	给继电器模块供电
`GND`	`GND`	建立共同电位基准
`IN`	`P2.0`	接收单片机输出的控制电平

开发板5V  ───────── VCC   继电器模块
开发板GND ───────── GND
P2.0      ───────── IN

必须连接GND。控制信号电压是相对于地定义的；只有IN而没有公共地，继电器模块无法可靠判断高、低电平。本实验程序中的JDQ1=P2.0，发送0x08时执行JDQ1=0，发送0x09时执行JDQ1=1。视频所用模块为低电平触发，因此IN=0时继电器吸合，IN=1时释放；其他继电器模块可能带高/低电平触发选择，使用时应以模块丝印和说明书为准。

继电器模块可以把控制侧和负载侧分开理解：

低压控制侧                              触点侧

P2.0 → IN → 驱动管/光耦 → 继电器线圈  ║  COM ─┬─ NO（常开）
5V  ────────────────┘                  ║       └─ NC（常闭）
GND ─────────────────                  ║

线圈未吸合时，COM与NC导通，COM与NO断开。
线圈吸合后，COM与NO导通，COM与NC断开。
COM/NO/NC属于负载触点，不应和VCC/GND/IN混为一组。若以后控制市电负载，还必须考虑触点额定电压、电流、绝缘距离和人身安全；本实验只观察指示灯和吸合声即可。

板载CH340串口电路可以拆成五部分理解：

电脑USB
  │ D+、D-
  ▼
Type-C数据接口
  │
  ▼
CH340N USB转TTL
  ├─ TXD ───────────────→ P3.0/RXD（单片机接收）
  ├─ RXD ←── R1 300Ω ─── P3.1/TXD（单片机发送）
  ├─ RTS#、C7、R2、Q2 ── 自动下载辅助控制网络
  └─ V3、C5 100nF ────── 内部电源去耦

CH340N负责USB协议与TTL UART之间的转换。
R1=300Ω串联在串口信号线上，可限制瞬态电流并减小两个器件端口直接冲突时的冲击。
D2=1N4148参与接收/自动下载信号的单向隔离，避免有关控制信号互相倒灌。
RTS#、C7、R2、Q2组成自动下载辅助网络，将电脑端控制线的变化整形成板级控制动作，使下载软件可以配合芯片进入下载流程。它们不承担正常字符串数据的编码工作。
C5=100nF是CH340内部电源节点的高频去耦电容，用来吸收快速开关产生的小幅电压波动。

开发板上的串口指示灯采用低电平灌电流方式：

+5V ── 限流电阻 ── LED ── TX或RX信号线
                         │
信号线为低电平时：+5V → 电阻 → LED → 芯片端口 → GND，LED点亮
信号线为高电平时：两端电位接近，LED熄灭

串口空闲状态通常为高电平，传输时会出现低电平脉冲，所以TX/RX灯会随数据收发闪烁。程序每隔约1秒发送一次"I am wfeng!\r\n"，因此能看到发送指示灯约每秒闪一下。指示灯只能说明线路上出现过活动，不能代替对具体数据内容和波特率的检查。

1.1.1 写代码

实验程序位于教学资料的第二部分51单片机教学篇/代码/6.1串口通信_实验演示目录。烧写步骤如下：

打开STC烧写工具，确认芯片型号与开发板一致。
在串口列表中选择开发板对应的端口，例如COM4。COM编号由电脑实际分配，不应照搬示例。
打开工程Objects目录中生成的HEX程序文件。
点击“下载/编程”，再按工具提示让单片机重新上电或复位。
下载时观察板载串口收发灯；数据传输期间对应指示灯会闪烁。

程序运行后，while(1)反复执行：

UART_Send_Str("I am wfeng!\r\n") → 延时约1000ms → 再次发送

字符串由13个字节组成，其中\r是回车，\n是换行。UART_Send_Str()逐字节调用UART_Send_Byte()；后者把数据写入SBUF，等待发送完成标志TI=1，随后用软件将TI清零。

本实验采用UART模式1和常见的8N1格式，一帧包含：

空闲高电平 ─ 起始位0 ─ D0 ─ D1 ─ D2 ─ D3 ─ D4 ─ D5 ─ D6 ─ D7 ─ 停止位1
                            8位数据，低位先发送

8N1表示8个数据位、无校验位、1个停止位。每个数据字节实际占用10个串行位，所以在没有帧间空隙的理想情况下，9600 bit/s最多传输：

$ \frac{9600\ \text{bit/s}}{10\ \text{bit/byte}}=960\ \text{byte/s} $

“9600波特”在这里等于每秒传输9600个二进制码元，不等于每秒传输9600个字符。

1.1.2 串口助手需要准备的软件

串口助手可从教学资料的“51单片机工具”目录复制到桌面并直接运行。电脑端参数必须与单片机一致：

设置项	本实验选择	含义
串口号	实际枚举出的COM端口	可通过设备管理器或拔插设备确认
波特率	`9600`	每秒9600个码元
校验位	`NONE`	无校验位
数据位	`8`	每帧8位有效数据
停止位	`1`	每帧末尾1位停止位
流控制	`NONE`	不使用RTS/CTS硬件流控
接收显示	`ASCII`	将收到的字节按字符显示
发送格式	`HEX`	输入`1`时发送一个字节`0x01`

设置完成后点击“打开”。程序会每隔约1秒发送I am wfeng!并换行，串口助手的接收区可以清空，但清空只影响屏幕显示，不会停止单片机继续发送。

发送格式选择HEX是本实验能正确控制外设的关键。HEX发送框中的1通常会被补成字节0x01，恰好匹配程序中的case 0x1。如果选择ASCII后发送字符1，线路上传输的是字符编码0x31，不会命中case 0x01。若希望使用ASCII命令，代码应写成case '1':或case 0x31:。

命令与动作的对应关系如下：

HEX命令字节	程序动作	实验现象
`01`	`LED1=0`	LED1点亮
`02`	`LED2=0`	LED2点亮
`03`	`LED3=0`	LED3点亮
`04`	`LED4=0`	LED4点亮
`05`	`P1\|=0x0F`	P1.0～P1.3置1，四个LED熄灭
`06`	`BEEP=0`	蜂鸣器响
`07`	`BEEP=1`	蜂鸣器停止
`08`	`JDQ1=0`	低电平触发继电器吸合
`09`	`JDQ1=1`	继电器释放

LED“写0点亮”由硬件连接决定，而不是C语言中0代表“关闭”：

+5V ── LED ── 10kΩ ── P1.x

P1.x=0：端口向地灌电流，LED点亮
P1.x=1：LED两端压差很小，LED熄灭

蜂鸣器电路同样是低电平有效。P1.6经R3=1kΩ连接PNP三极管S9012的基极；P1.6=0时，基极电位被拉低，三极管导通，+5V经过三极管和蜂鸣器流向GND，于是蜂鸣器发声。单片机端口只负责提供小基极电流，蜂鸣器的主要工作电流由三极管承担，避免端口直接驱动较大负载。

1.2 实验二接线方式

实验二使用独立的CH340 USB转TTL模块，目的是说明外接模块能够完成与板载CH340相同的USB-UART转换。接线必须交叉并共地：

USB转TTL模块	51单片机	原因
`TXD`	`P3.0/RXD`	模块发送端接单片机接收端
`RXD`	`P3.1/TXD`	模块接收端接单片机发送端
`GND`	`GND`	两端共用电平参考

电脑                    USB转TTL模块                     51单片机
USB ────────────────→ CH340 TXD ─────────────────────→ P3.0/RXD
USB ←──────────────── CH340 RXD ←───────────────────── P3.1/TXD
电脑地 ─────────────── 模块GND ──────────────────────── 单片机GND

TXD和RXD按信号方向命名：每一端的发送端必须接另一端的接收端，因此是TX→RX、RX←TX。如果误接成TX→TX，两个输出端可能同时驱动一条线，不但无法通信，还可能产生冲突电流。

将模块USB端插入电脑后，系统会出现另一个COM端口，例如COM5。可以新建一个串口助手窗口，仍然设置为9600、8、NONE、1、NONE，接收选ASCII、发送选HEX。这样既能收到单片机周期发送的字符串，也能发送01～09控制开发板外设。

板载CH340和外接CH340的功能对应关系为：

板载方案：板载数据USB口 + 板载CH340N + P3.0/P3.1
外接方案：模块USB插头   + 模块CH340  + 杜邦线接P3.0/P3.1/GND

如果开发板已由自身USB接口供电，外接模块通常只连接TXD、RXD、GND，不要再连接模块的5V/VCC，以免两个USB电源互相反灌。视频所用模块上的黄色跳帽按接线说明取下；不同型号模块的跳帽可能用于选择3.3V/5V、供电或收发方式，实际操作必须先看模块丝印，不能只凭颜色判断。

当板载CH340与外接模块同时接在P3.0/P3.1上时，单片机的TXD输出可以被两个接收器同时观察，所以两个串口助手都能收到同一字符串。但两个CH340的TXD都属于输出端，不应同时向P3.0驱动相反电平。实验时只从一个串口助手发送，正式应用则优先只保留一个发送源，避免总线争用。

1.2.1 代码分析

程序从main()开始，先配置串口、定时器1和中断，再进入主循环发送字符串。各条初始化语句的含义如下：

语句	作用
`SCON=0x50`	串口工作于模式1，允许接收
`PCON&=0x7F`	清除`SMOD`，波特率不加倍
`TMOD&=0x0F`	清除定时器1的高四位配置，保留定时器0配置
`TMOD\|=0x20`	定时器1选择模式2、内部时钟、无门控
`TH1=TL1=0xFD`	设置定时器1自动重装值，为9600波特提供时钟
`TR1=1`	启动定时器1
`ES=1`	允许串口中断
`EA=1`	打开CPU总中断开关

SCON=0x50=0101 0000B，各位可以逐位展开：

位	名称	本实验值	含义
B7	`SM0/FE`	0	在通常配置下与`SM1`共同选择串口模式；STC扩展功能启用时也可作帧错误标志`FE`
B6	`SM1`	1	与B7组合为`01`，选择模式1：8位UART、波特率可变
B5	`SM2`	0	关闭多机通信筛选，正常接收模式1的数据帧
B4	`REN`	1	允许串口接收
B3	`TB8`	0	模式2/3的第9个发送位；模式1不用
B2	`RB8`	0	模式2/3的第9个接收位；模式1中可反映停止位
B1	`TI`	0	发送完成标志，由硬件置1、软件清0
B0	`RI`	0	接收完成标志，由硬件置1、软件清0

定时器1的TMOD高四位依次为GATE1、C/T1、M1、M0。写入0x20后的高四位为0010B：GATE1=0表示只由TR1控制运行，C/T1=0表示使用内部时钟，M1M0=10表示8位自动重装模式。TH1保存重装值，TL1从该值开始向上计数，溢出后硬件自动把TH1重新装入TL1。

在11.0592MHz、12T、SMOD=0条件下：

$ f_{T1_overflow}=\frac{11,059,200}{12\times(256-0xFD)} =\frac{11,059,200}{12\times3} =307,200\ \text{Hz} $

模式1的波特率为定时器1溢出率的$1/32$：

$ baud=\frac{307,200}{32}=9600\ \text{bit/s} $

这说明0xFD不是经验数字，而是由晶振、12T时钟、定时器1模式2和SMOD=0共同计算出的结果。如果这块STC89C52被切换成6T模式，仍机械使用0xFD就无法得到9600波特；换用1T的8051兼容芯片时也必须按对应数据手册重新计算，否则收发两端会因波特率不匹配而出现乱码或完全无法通信。

SBUF的读写地址相同，但芯片内部包含彼此独立的发送缓冲和接收缓冲：

写SBUF → 发送缓冲/移位寄存器 → P3.1/TXD
P3.0/RXD → 接收移位寄存器/接收缓冲 → 读SBUF

发送流程是SBUF=send_byte → 等待TI=1 → TI=0。字符串函数持续移动指针，遇到C字符串结束符\0后停止，因此字符串中的\r\n会被发送，而编译器自动附加的\0不会被发送。

接收采用串口中断。8051串口的发送完成TI和接收完成RI共用中断号4，入口地址为0023H；只要二者之一置1且EA=1、ES=1，CPU就会进入UART_Routine()。本程序在中断函数中判断RI，清零后读取SBUF，再用switch执行外设命令。发送完成的TI则由UART_Send_Byte()轮询并清零。两个标志都必须由软件清除，否则会反复提出中断请求。

从接收到执行命令的过程可概括为：

串口助手发送HEX字节
        │
        ▼
P3.0/RXD接收完整8N1帧
        │
        ▼
硬件把数据装入SBUF，并置RI=1
        │
        ▼
CPU进入串口中断：RI=0，recv=SBUF
        │
        ▼
switch(recv)匹配0x01～0x09
        │
        ├─ 控制P1.0～P1.3：LED
        ├─ 控制P1.6：蜂鸣器
        └─ 控制P2.0：继电器

排查通信故障时，应按信号链从外到内检查：确认使用数据USB口和正确COM号，再检查两端参数是否同为9600、8N1、无流控，然后确认TX/RX交叉、GND共地，最后核对发送格式究竟是HEX还是ASCII。这样比反复修改程序更容易定位问题。

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