双机通信系统单片机课程设计.doc

设计概况 2
1 总体设计 3
1.1 设计要求 3
1.2 设计方案 3
2 双机通信硬件设计 4
2.1 AT89C51简介 4
2.2 AT89C51串行口的工作方式 5
2.3 晶振电路设计 8
2.4 复位电路设计 8
2.5 接口电路的设计 9
2.6 输入输出电路设计 11
3 双机通信软件设计 13
3.1 串行通信软件实现 13
3.2 串行通信程序流程 13
3.3 程序清单 16
4 软件仿真 20
5 硬件连接 21
6 设计总结 23
参考文献 24

设计概况
要构成一个较大规模的控制系统，常常需要采用多机控制实现，而AT89C51单片机有一个异步通信方式的全双工串行接口，可以方便地构成双机、多机系统。而串行通信也成为单片机与单片机、单片机与上位机之间进行数据传输的主要方式，是一种适用于远距离通信的数据传输方式。
串行通信是单片机的一个重要应用。本次课程设计就是要利用单片机来完成一个系统，实现双片单片机串行通信。通信的结果实用数码管进行显示，数码管采用查表方式显示。两个单片机之间采用RS232进行双机通信。在通信过程中，使用通信协议进行通信。

关键词：单片机；串行通信；接口

1 总体设计
1.1 设计要求
设计一个单片机双机通信系统，单片机A接1个8位按键开关，单片机B接8个发光二极管，通过串行通信实现由A机拨码开关控制B机发光二极管的亮灭。
1.2 设计方案
本次设计，对于两片AT89C51，采用RS-232进行双机通信。如图1所示，发送方的数据由串行口TXD段输出，经过电平转换芯片MAX232将TTL电平转换为RS-232电平输出，经过传输线将信号传送到接收端。接收方也使用MAX232芯片进行电平转换后，信号到达接收方串行口的接收端。接收方接收后，在LED二极管上显示接收的对应信息。

晶振电路
复位电路
8路拨码
开关电路
发送机
接收机

接口
接口
晶振电路
复位电路
显示电路

图1 双机通信系统原理框图

软件部分，通过通信协议进行发送接收，发送机先送联络信号给接收机，当接收机接收到联络信号后，向发送机回答一个应答信号，表示同意接收。发送机收到应答信号后开始发送数据，每发送一个数据块字节都要计算“校验和”，假定数据长度为16个字节，起始地址为40H，一个数据块发送完毕后立即发送“校验和”。接收机接收数据并存入数据缓冲区起始地址也为40H，每接收到一个数据字节便计算一次“校验和”，当接收到一个数据块后，在接受发送机发来的“校验和”，并将它与接收机计算的校验和进行比较。若二者相等，说明接受正确，接收机回答00H，发送机结束发送；若二者不等，说明接受不正确，接收机回答0FFH，请求重发，发送机重新发送数据一次。接收机接收到数据后通过发光二极管LED显示发送机的发送状态。
2 双机通信硬件设计
2.1 AT89C51简介
AT89C51 是一个带有4k 字节存储器的单片机，它具有128字节内部RAM；32 个I/O 口线和；两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。如图2所示，DIP40封装的AT89C51的各个引脚及其功能。

图2 AT89C51单片机引脚封装

AT89C51单片机各个引脚功能如下：
（1）电源几时钟引脚
•VCC（40号引脚）：电源接入引脚
•VSS（20号引脚）：接地引脚
•XTAL1（19号引脚）：晶振接入的一个引脚
•XTAL2（18号引脚）：晶振接入的另一个引脚
（2） 控制线引脚
•RST/VPD（9号引脚）：复位信号输入引脚/备用电源输入引脚
•ALE/（30号引脚）：地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引
•/(31号引脚)：内外存储器选择引脚/片内EPROM编程电压输入引脚
•(29号引脚)：外部程序存储器选通信号输出引脚
（3） I/O引脚
·P0.0—P0.7（39—32号引脚）：一般I/O口引脚/低位地址总线引脚
·P1.0—P1.7(1—8号引脚)：一般I/O口引脚
·P2.0—P2.7(21—28号引脚)：一般I/O口引脚/高位地址总线引脚
·P3.0—P3.7(10—17号引脚)：一般I/O口引脚或第二功能引脚
P3.0（10号引脚）：RXD串行口输入
P3.1（11号引脚）：TXD串行口输出
P3.2（12号引脚）：外部中断0输入
P3.3（13号引脚）：外部中断1输入
P3.4（14号引脚）：T0定时器0的外部输入
P3.5（15号引脚）：T1定时器1的外部输入
P3.6（16号引脚）：片外数据存储器“写”选通控制输出
P3.7（17号引脚）：片外数据存储器“读”选通控制输出
2.2 AT89C51串行口的工作方式
AT89C51的串行口是一个可编程全双工的通信接口，具有通信异步接受和发送的全部功能，能同时进行数据的接收和发送，也可作为同步移位寄存器使用。
AT89C51的串行口主要由两个独立的串行数据缓冲寄存器SBUF（一个发送缓冲寄存器，一个接收缓冲寄存器），串行口控制寄存器、输入移位寄存器及若干控制门电路组成。
(1) 串行口数据缓冲寄存器SBUF
AT89C51可以通过特殊功能寄存器SBUF的读写操作，实现对串行接收或串行发送寄存器的访问，串行接收和串行发送寄存器在串行口内部是两个独立的存储单元，共用同一个地址99H。串行口数据传送使用的是内部数据传送指令“MOV A,SBUF”或“MOV SBUF,A”.当执行写操作时，访问串行发送寄存器；当执行读操作时，访问串行接收寄存器。
(2) 串行口控制寄存器SCON
AT89C51串行口工作的设定、接收与发送控制的设置都是通过对串行口控制寄存器SCON的编程确定的。SCON是一个特殊功能寄存器，其地址为98H，可位寻址，其各位的作用定义如下：
表2 控制寄存器SCON

9FH
9EH
9DH
9CH
9BH
9AH
99H
98H
SCON(98H)
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
SM0、SM1：串行口工作方式选择位，工作方式选择如表2所示。其中
是晶体振荡器的频率。
SM2：多机通信控制位。在方式0下，SM2应为0；在方式1下，如果SM2=0，则只有收到有效的停止位时才会激活RI；在方式2和方式3下，如置SM2=1则只有收到第9位数据为1时，RI被激活（RI=1，申请中断，要求CPU取走数据）。
REN:允许接收控制位。由软件置位或清零。REN=1，允许接收；REN=0，禁止接收。
TB8：在方式2和方式3下，存放要发送的第9位数据，常用作奇偶校验位。
在多机通信中，可作为区别地址帧或数据帧的标识位，若为地址帧，TB8=1;
若为数据帧，TB8=0。
RB8：在方式2和方式3下，存放接收到的第9位数据；在方式1下，如SM2=0，则该位为接收到的停止位；方式0不用此位。
TI:发送中断标志。在方式0下，发送完第8位数据位时，由硬件置位；在其他方式下，当开始发送停止位时，由硬件将TI置位，即是向CPU申请中断，CPU可以发送下一帧数据。在任何方式下，TI必须由软件清零。
RI：接收中断标志。在方式0下，接收完第8位数据时，由硬件置位；在其他方式下，当接收到停止位时RI置位，即申请中断，要求CPU取走数据。它必须由软件清零。
表3 串行口工作方式选择
SM0
SM1
方式
功能
波特率
SM0
SM1
方式
功能
波特率
0
0
0
同步移位寄存器
/12
1
0
2
11位UART
/16或/32
0
1
1
10位UART
可变
1
1
3
11位UART
可变

本设计发送机串行口的工作方式为方式1，即控制寄存器SCON中内容如下：
表4 发送机控制寄存器SCON

9FH
9EH
9DH
9CH
9BH
9AH
99H
98H
SCON(98H)
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI

0
1
0
0
0
0
0
0
接收机的串行口的工作方式为方式1，即控制寄存器SCON中内容如下：
表5 接收机控制寄存器SCON

9FH
9EH
9DH
9CH
9BH
9AH
99H
98H
SCON(98H)
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI

0
1
0
1
0
0
0
0
串口以方式1发送，由CPU执行一条写发送寄存器指令“MOV SBUF,A”,就可将数据位逐一由TXD端发送。当发送一帧数据后，将TI置1。串口以方式1接受，需控制SMOD中的REN为1（SMOD为特殊功能寄存器PCON的最高位），此时对RXD引脚进行采样，当采样到起始位置有效时，开始接收数据。当一帧数据接收完毕，且RI=0，SM2=0或接收到RB8=1时，接收数据有效，此时可利用读接收寄存器指令“MOV A,SBUF”将数据送入CPU。同时将RI置1。若要再次发送或接收数据，必须将TI、RI清零。
（3）波特率的计算
根据表2可知串口工作方式方式1时一帧数据为10位（8位数据位，起始位、停止位各1位）。其传输波特率是可变的，由定时器T1的溢出率来决定。
波特率=
当T1作为波特率发生器时，最典型的用法是使T1工作在自动再装入的8位定时器方式（即方式2，且TCON的TR=1，以启动定时器）。这时溢出率取决于TH1中的计数值。

在单片机的应用中，常用的晶振频率为：12MHz和11.0592MHz。在本设计中晶振频率采用=11,。0592MHz。即波特率为
波特率=
2.3 晶振电路设计
AT89C51单片机内部有一震荡电路，只要在单片机的XTL1（19号）和XTAL2（18号）引脚外接石英晶体（简称晶振）就构成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。如图3所示，图中电容器C1和C2的作用是稳定频率和快速起振，电容值为5～30pF,典型值为30pF，本设计取30pF。晶振CYS的振荡频率范围为1.2MHz～12MHz，典型值为12MHz和6MHz，本设计取12MHz。

图3 晶振电路
2.4 复位电路设计
AT89C51单片机的RST（9号）引脚引入高电平并保持两个机器周期时，单片机内部就执行复位操作。在实际中AT89C51通常有两种操作方式复位，一种是上电复位；另一种是按键上电复位。在双机通信系统的设计中使用按键上电复位，如图4所示。

图4 复位电路

单片机复位后进入初始化状态。初始化后，程序计数器PC=0000H，所以程序从0000H地址单元开始执行。单片机启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM的内容。
特殊功能寄存器复位后的状态是确定的。P0～P3为FFH，SP为07H，SBUF不定，IP、IE和PCON的有效位为0，其余的特殊功能寄存器的状态均为00H。
2.5 接口电路的设计
（1） 直接通信
单片机与单片机进行双击串行通行时，可将两个单片机的串口直接连接，接线图如图5所示，这种接线传输距离短，抗干扰能力差。

图5 直接通信接线图
（2）串口通信
单片机与单片机进行双击串行通行时，AT89C51串行接口的信号电平为TTL类型，抗干扰性差、传输距离短。为了提高串行通信的靠抗性，延长通信距离，一般设计采用标准的串行接口。
RS-232C接口是1969年EIA推出的串行通信标准，目前是PC机与通信工业中应用最广的一种串行接口。数据传输速率在0～20kbps范围内的通信，最大传输距离可达15m，能实现一发一收通信，目前常用的RS—232C接口连接器有9针串口（DB—9）和25针串口（DB—25）。最常用的的是DB—9，常采用三线制接法，即发送数据线、接受数据线和接地线三脚相连。传输线采用屏蔽双绞线，如图6所示。

图6 DB—9三线制接法
RS—232C信号的电平与单片机串口信号的电平不一致，二者之间必须进行电平转换。使用电平转换芯片MAX232就可以实现RS232C/TTL电平的双向转换。MAX232芯片使用单一的+5V电源供电，配接5个1uF电解电容即可完成RS232C电平的TTL电平之间的转换，其电路接线图如图7所示。

图7 MAX232电平转换芯片电路接线图

表6 DB—9常用信号引脚说明
DB—9引脚
信号名称
符号
功能
1
载波检测
DCD
接收远程载波
2
接收数据
RXD
接受串行数据
3
发送数据
TXD
发送串行数据
4
数据准备就绪
DTR
准备就绪
5
信号的
SGND
信号公共地
6
数据准备就绪
DSR
准备就绪
7
发送请求
RTS
请求将线路切换到发送发式
8
允许发送
CTS
线路已接通，可以发送数据
9
振铃指示
RI
数据通信接通，终端设备被呼叫
2.6 输入输出电路设计
P1口是AT89C51单片机的唯一的单功能口，仅能用作数据输入/输出口。P1口的位结构如图8所示

图8 P1口的位结构
由图8可知，P1口由一个输出锁存器，两个三态输入缓冲器和输出驱动电路组成。内部设有上拉电阻。P1口是通用的准双向I/O口。输出高电平时，能向外提供拉电流负载，不必再接上拉电阻。当口用于输入时，须向口锁存器写入“1”。输入低电平有效。因此其输入电路如图9，输出电路图10：

图9 发送机输入电路

图10 接收机输出电路

3 双机通信软件设计
通过通信协议进行发送接收。发送机先送联络信号给接收机，当接收机接收到联络信号后，向发送机回答一个应答信号，表示同意接收。发送机收到应答信号后开始发送数据，每发送一个数据块字节都要计算“校验和”，假定数据长度为16个字节，起始地址为40H，一个数据块发送完毕后立即发送“校验和”。接收机接收数据并存入数据缓冲区起始地址也为40H，每接收到一个数据字节便计算一次“校验和”，当接收到一个数据块后，在接受发送机发来的“校验和”，并将它与接收机计算的校验和进行比较。若二者相等，说明接受正确，接收机回答00H，发送机结束发送；若二者不等，说明接受不正确，接收机回答0FFH，请求重发，发送机重新发送数据一次。接收机接收到数据后通过发光二极管显示发送机的发送状态。
3.1 串行通信软件实现
（1）串行口工作于方式1；用定时器1产生9600bit/s的波特率。
（2）功能:将本机ROM中数码表TAB[16]中的16个数发送到从机,并保存在从机内部ROM中，从机收到这16个数据后送到一个数码管循环显示。
（3）通信协议:发送机首先发送连络信号(E1H),接收机接收到之后返回一个连络信号(E2H)表示从机已准备好接收。通信过程使用第九位发送奇偶校验位。接收机接收到一个数据后，立即进行奇偶校验，若数据没有错误，则返回00H，否则返回FFH。发送机发送一个数据后，等待接收机返回数据；若为00H，则继续发送下一个数据，若为FFH，则重新发送数据。
3.2 串行通信程序流程
（1） 发送机程序流程
根据通信协议发送机需向接收机发送联络信号“E1”,当接收到应答信号后，发送机发送数据，发送数据完毕后将校验和发送至接收机，接收机进行校验如果正确等待下一次发送；如果错误重新发送数据。其流程图如下：

开始
设置波特率启动定时器T1
设置串行口工作方式
发送“E1”联络信号
接收机允许发送？
指针初始化校验和清0
发送1个数据字节求校验和
数据块发送完毕？
发送校验和
接收机接收正确？
返回
Y
N
Y
N
Y
N

图10 发送流程图
（2） 接收机程序流程
根据通信协议，接收机等待发送机发出的联络信号“E1”并向发送机发送应答信号“E2”,当接收1个数据字节后求检验和，发送机在发送完一个数据块后将发送机计算的校验和发送至接收机，接收机将两个校验和进行比较，如果正确等待下一次接收；如果错误则发送出错标志重新发送数据。其流程图如下：

开始
设置波特率启动定时器T1
设置串行口工作方式
等待发送机联络
发送机请求发送？
N
Y
指针初始化校验和清0
接收1个数据字节求校验和
数据块发送完毕？
比较校验和
接收机接收正确？
返回
Y
N
Y
N
发送应答信号
发送出错标志

图11 接收机流程图

3.3 程序清单
基于AT89C51单片机双机通信时，串行输入输出可直接进行连接，实现双机通信。这样连接方式，传输距离短，抗干扰能力弱，但容易实现，其接线和程序较为简单,其程序如下：
（1）发送机程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG O1OOH
MAIN: MOV SP,#6OH
MOV SCON,#40H
MOV TMOD,#20H
MOV TH1,#0FDH
MOV TL1,#0FDH
SETB TR1
MOV P1,#0FFH
MOV 30H,#0FFH
K0: MOV A,P1
CJNE A,30H,KI
SJMP K0
KI: MOV 30H,A
MOV SBUF,A
SJMP K0
WAIT: JBC T1,K0
SJMP WAIT
END
（2） 接收机程序
ORG 0000H
AJMP MAIN
ORG O1OOH
MAIN: MOV SP,#6OH
MOV SCON,#50H
MOV TMOD,#20H
MOV TH1,#0FDH
MOV TL1,#0FDH
SETB TR1
MOV P1,#0FFH
K0: JB RI,KK
SJMP K0
KK: MOV A,SBUF
MOV P1,A
CLR RI
SJMP K0
END
发送机与接收机也可以经过串口进行通信，这种通信方式较上一种方式提高通信距离，抗干扰能力强，传输稳定，但其接线复杂，程序比较繁琐。其程序如下：
（1）发送程序清单
ASTRT: CLR EA
MOV TMOD,#20H ；定时器1置为方式2
MOV TH1,#0F4H ；装在定时器初值，波特率为2400
MOV TL1,#0F4H
MOV PCON,#00H
SETB TR1
MOV SCON,#50H ;设定串行口方式1，且准备接受应答信号
ALOOP1：MOV SBUF,#0E1H ;发送联络信号
JNB TI，$ ;等待一帧发送完毕
CLB TI ;允许在发送
JNB RI,$ ;等待接收机的应答信号
CLR RI ;允许在接收
MOV A,SBUF ;接收机应答后，读至A
XRL A,#0E2 ;判断接收机是否准备完毕
JNZ ALOOP1 ;接收机未准备好，继续联络
ALOOP2: MOV P1，#0FFH
MOV 30H,#0FFH ;设定拨码开关初值
MOV R7，#10H ;设定数据块长度
MOV R6,#00H ;清校验和单元
ALOOP3：MOV A,P1 ;读入拨码开关
CJNE A,30H,ALOOP4
SJMP ALOOP3
ALOOP4：MOV 30H,A ;存入拨码开关新值
MOV SBUF,A ;发送一个数据字节
MOV A,R6
ADD A,P1 ;求校验和
MOV R6，A ;保存校验和
INC R0
JNB T1，$
CLB T1
DJNZ R7，ALOOP3 ;整个数据块是否发送完毕
MOV SBUF,R6 ;发送校验和
JNB TI，$
CLR TI
JNB RI,$ ;等待接收机应答信号
CLR RI
MOV A,SBUF ;接收机应答，读至A
JNZ ALOOP2 ;接收机应答错误，转至重新发送
SJMP ALOOP3 ;进入下一循环传送
END
（2） 接收程序清单
BSTART: CLR EA
MOV TMOA,#20H
MOV TH1,#0F4H
MOV TL1,#0F4H
MOV PCON,#00H
SETB TR1
MOV SCON,#5OH ;设定串行口工作方式1，且准备接收
BLOOP1: JNB RI,$ ;等待1号机的联络信号
CLR RI
MOV A,SBUF ;收到1号机的信号
XRL A,#0E2H ;判断是否为1号机联络信号
JNZ BLOOP1 ;不是1号机联络信号，再等待
MOV SBUF,#0E2H ;是1号机联络信号，发应答信号
JNB T1,$
CLR TI
BLOOP2: MOV R0,#40H ;设定数据块地址指针初值
MOV R7,#10H ;设定数据块长度初值
MOV R6,#00H ;清校验和单元
BLOOP3: JNB RI,$
CLR RI
MOV A,SBUF
MOV @R0,A ;接收数据转储
INC RO
ADD A,R6 ;求校验和
MOV R6,A
DJNZ R7,BLOOP3 ;判断数据块是否接收完毕
JNB RI,$ ;完毕，接收1号机发来的校验和
CLR RI
MOV A,SBUF
XRL A,R6 ;比较校验和
JZ END1
MOV SBUF,#0FFH ;校验和相等，跳至发正确标志
JNB TI,# ;校验和不相等，发错误标志
CLR TI ;转重新接收
SJMP BLOOP2
END1: MOV SBUF,#00H
RET

4 软件仿真
Proteus 7 Professional 是一种低投资的电子设计自动化软件，它可以仿真单片机和周边设备，可以仿真51系列、AVR、PIC等常用的MCU。与KEIL和MPLAB不同的是，它还可以仿真周边的设备。例如，示波器、RAM、ROM、LED等。本次设计，通过两片两片AT89C52单片机由8位按键开关分别控制8个指示灯。具体接线如下；发送电路18、19号引脚连接晶振电路，9号引脚连接复位电路。1-8号引脚连接8位按键开关。10、11号引脚连接接收电路单片机的11、10号引脚。接收电路，18、19号引脚连接晶振电路，9号引脚连接复位电路。1-8号引脚连接8个指示灯。

图12 双机通信仿真图

5 硬件连接
左面电路板为发送电路，电路板右侧如图，为电源端，连接5V直流电源，左侧为接地端，8个独立按键分别连接AT89C52的1-8号引脚，9号引脚连接复位电路，复位电路中需要的8.2k电阻由两个10k电阻并联，再串联3.2k电阻组成，电解电容用于复位上电。18、19号引脚连接晶振电路，两个磁片电容用于快速起振。晶振需要11.0592MHZ,本设计选择相近的12MHZ。
右面电路板为接收电路，电路板右侧如图，为电源端，连接5V直流电源，左侧为接地端，8个指示灯分别连接接受收AT89C52的1-8号引脚，9号引脚连接复位电路，复位电路中需要的8.2k电阻由两个10k电阻并联，再串联3.2k电阻组成，电解电容用于复位上电。18、19号引脚连接晶振电路，两个磁片电容用于快速起振。晶振需要11.0592MHZ,本设计选择相近的12MHZ。
表7 硬件元件清单
编号
名称
型号
数量
1
单片机
AT89C52
2
2
按键开关

10
3
电阻
10k
8
4
电阻
3.2k
4
5
磁片电容
30uf
4
6
电解电容
10uf
2
7
电路板

2
8
晶振
12MHZ
2
9
RS232

2
10
串口

2
11
指示灯

8
12
排阻

1
13
导线

若干

图13 双机通信实物图

6 设计总结
经过繁忙而又紧张的课程设计，终于顺利的完成了设计任务。虽然在这段时间里每天都那么繁忙，但是在这忙碌的过程中却得到了许多的收获。
经过课程设计，在查阅资料的过程中，学习了基于单片机的汇编语言程序设计，了解了单片机串行通信的基本知识，对于以后的学习和工作都有很大的益处。
在学习的过程中，也遇到了一些困难，比如开始的时候，由于发送端和接收端的通信协议没有做好，导致数据不能正确的传输，在解决问题的过程中，对于通信协议的实现有了深刻的认识。
通过这次课程设计，锻炼了自己独立思考的能力。

参考文献
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[3].齐向东.单片机控制技术实践.北京：中国电力出版社，2009
[4].李华.MCS-51系列单片机实用接口技术.北京：航空航天大学出版社,2000
[5].潘新民.微型计算机控制技术.北京.:人民邮电出版社，1999