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Day44 51单片机UART串行通信 软件模拟UART + 硬件UART回显

news 2025/9/18 8:59:40

day44 51单片机UART串行通信 软件模拟UART + 硬件UART回显

📌 项目目标

通过两个完整工程，掌握 51单片机串行通信的两种实现方式：

  1. 软件模拟UART —— 利用定时器+GPIO精确控制时序，模拟串口协议发送数据；
  2. 硬件UART回显系统 —— 使用51内置串口控制器，实现接收-发送闭环验证。

两者均通过 STC-ISP串口助手 验证通信结果，是嵌入式开发中串口调试的核心技能。

🧩 工程一：软件模拟UART发送字符串 “hello”

✅ 核心思想：用定时器中断实现精确位延时，通过P3.1引脚逐位模拟UART协议发送ASCII字符。

#include <reg51.h>  // 引入标准51单片机寄存器定义文件sbit UART_TXD = P3^1;  // 定义P3.1引脚为UART数据发送端口，用于输出串行数据（硬件TXD引脚，兼容外部串口设备）// 延时函数：通过双重循环结构实现基础延时，参数i控制延时长度（非精确，用于主循环节奏控制）
void delay(unsigned int i)
{unsigned int num = i;   // 将输入参数i暂存至局部变量numint j = 0;              // 外层循环计数器for(j = 0; j < 10; j++) // 外层循环执行10次{num = i;            // 每轮内层循环前重载初始值while(num--);       // 内层空循环，通过递减计数实现延时（粗略毫秒级）}
}unsigned char delay_flag = 0;  // 全局延时完成标志位，由定时器中断置位（用于精确微秒级等待）// 定时器0初始化函数：配置为模式1（16位定时器），并开启中断（用于生成精确位时间）
void timer0_init(void)
{unsigned char mod = 0;           // 临时变量，用于修改TMOD寄存器mod = TMOD;                      // 读取当前TMOD值mod &= ~(0xf << 0);              // 清除定时器0的模式控制位（低4位）mod |= (0x1 << 0);               // 设置定时器0为模式1（16位定时器）TMOD = mod;                      // 写回配置值ET0 = 1;                         // 使能定时器0中断EA = 1;                          // 开启总中断允许（全局中断开关）
}// UART位延时函数：通过定时器0中断实现固定时间间隔（约50μs，对应600bps波特率）
void uart_delay(void)
{unsigned char mod = 0;           // 保留局部变量定义（未使用，兼容性保留）delay_flag = 0;                  // 清除延时标志，准备等待中断触发TH0 = (65536 - 760) / 256 ;      // 装载定时器0高8位初值（机器周期=1μs，760周期≈760μs，实际用于600bps≈1667μs/位，此处为简化演示）TL0 = (65536 - 760) % 256 ;      // 装载定时器0低8位初值TR0 = 1;                         // 启动定时器0while(!delay_flag);              // 等待中断服务程序将标志位置1（阻塞等待，实现精确延时）
}// UART数据发送函数：支持无校验、偶校验、奇校验三种模式
// 参数说明：dat = 待发送字节，check = 0（无校验）、1（偶校验）、2（奇校验）
void uart_send(unsigned char dat, unsigned char check)
{unsigned char i = 0;             // 位计数器，用于遍历8位数据unsigned char num = 0;           // 统计数据中“1”的位数，用于校验计算UART_TXD = 1;                    // 空闲状态，输出高电平（线路空闲）UART_TXD = 0;                    // 发送起始位（低电平，通知接收方开始接收）uart_delay();                    // 延时，保持起始位宽度（约1位时间）uart_delay();                    // 二次延时，确保位宽稳定（增强抗干扰）// 逐位发送数据（从bit0到bit7，低位在前，符合UART标准）for(i = 0; i < 8; i++){if(dat & (0x1 << i))         // 判断当前位是否为1（位测试）{UART_TXD = 1;            // 发送高电平num++;                   // 记录“1”的个数（用于后续校验位计算）}else{UART_TXD = 0;            // 发送低电平}uart_delay();                // 保持当前位电平宽度（1位时间）uart_delay();                // 二次延时，确保稳定（增强容错）}// 校验位发送（根据check参数选择校验方式，本工程实际使用无校验）if(check == 1)                   // 偶校验模式{if(0 == (num % 2))           // 若“1”的个数为偶数UART_TXD = 1;            // 发送高电平作为校验位elseUART_TXD = 0;            // 发送低电平作为校验位uart_delay();                // 校验位延时uart_delay();                // 二次延时}else if(check == 2)              // 奇校验模式{if(num % 2)                  // 若“1”的个数为奇数UART_TXD = 1;            // 发送高电平作为校验位elseUART_TXD = 0;            // 发送低电平作为校验位uart_delay();                // 校验位延时uart_delay();                // 二次延时}UART_TXD = 1;                    // 发送停止位（高电平，标志帧结束）uart_delay();                    // 停止位延时uart_delay();                    // 二次延时，确保帧结束稳定（接收方采样窗口）
}// 主程序入口
void main(void)
{unsigned char dat = 0;           // 保留变量，未使用（兼容性保留）char buf[10] = {"hello"};        // 定义待发送字符串缓冲区（含终止符\0，共6字节）unsigned char i = 0;             // 循环索引变量P2 = 0x55;                       // 初始化P2口输出模式（01010101，用于LED状态指示）timer0_init();                   // 初始化定时器0，用于位延时（波特率时基）while(1)                         // 主循环：持续发送数据（无限循环）{for(i = 0; i < 5; i++)       // 依次发送"hello"中的5个字符（跳过\0）{uart_send(buf[i], 0);    // 调用发送函数，无校验模式（check=0）}delay(1000);                 // 主循环延时，控制发送节奏（约几毫秒，防止发送过快）P2 = ~P2;                    // 翻转P2口电平，指示程序运行状态（LED闪烁）}
}// 定时器0中断服务函数（中断号1）
void timer0_handler(void) interrupt 1
{delay_flag = 1;                  // 中断触发，置位延时完成标志（唤醒uart_delay中的while循环）
}

✅ 工程一运行理想结果

单片机通过 P3.1 引脚持续发送字符串 “hello”，串口助手接收到重复的 “hello” 数据流，并在接收缓冲区中显示为连续的 “hellohellohello…” 字符串。

📊 具体表现：
  • 波特率：约600bps（由定时器初值760推算，实际位宽≈1667μs）；
  • 帧结构：1起始位 + 8数据位 + 0校验位 + 1停止位 = 10位/字符；
  • 发送内容：每轮循环发送5字节：'h' 'e' 'l' 'l' 'o'；
  • 接收显示：串口助手显示连续 hellohellohello...（无换行符）；
  • 状态指示：P2口LED以固定频率闪烁（每发送完一次"hello"翻转一次）；
  • 调试验证：STC-ISP串口助手“操作成功”，接收字节数持续增长（如563字节）。

🧩 工程二：硬件UART串口回显系统（9600bps）

✅ 核心思想：使用51内置串口控制器，配置定时器1为波特率发生器，实现接收即回显功能，验证串口通路。

/** 功能    : STC89C5x 最小串口回显工程* 硬件    : 11.0592 MHz 晶振 → 9600 bps（工业标准晶振，精确匹配常用波特率）*/#include <reg51.h>/*------- 引脚定义 -------*/
sbit UART_TXD = P3^1;          // 模拟 UART 发送脚（本工程未使用模拟发送，保留兼容性定义）/*------- 软件延时函数 -------*/
// 粗略延时，主频 11.0592 MHz 下约 1 ms@i≈120（用于超时等待）
void delay(unsigned int i)
{unsigned int num = i;int j = 0;for(j = 0; j < 10; j++){num = i;while(num--);}
}/*------- 定时器 0 相关 -------*/
unsigned char delay_flag = 0;  // 1：表示 50 µs 到点（uart_delay 用，为软件UART预留时基）/* 定时器 0 初始化：模式 1（16 位定时），用于产生 50 µs 基准（本工程未用于串口，为扩展预留） */
void timer0_init(void)
{unsigned char mod = 0;mod = TMOD;         // 读原寄存器mod &= ~(0xf << 0); // 清 T0 位（定时器0控制位）mod |= (0x1 << 0);  // 设 T0 为模式 1（16位定时器）TMOD = mod;ET0 = 1;            // 允许 T0 中断（使能定时器0中断）EA  = 1;            // 开总中断（全局中断允许）
}/* 阻塞 50 µs（9600 bps 一位时间≈104μs，此处760周期≈760μs，仅为示例占位） */
void uart_delay(void)
{delay_flag = 0;TH0 = (65536 - 760) / 256;   // 760 个机器周期≈760 µs（12MHz晶振下）TL0 = (65536 - 760) % 256;TR0 = 1;                     // 启动定时器0while(!delay_flag);          // 等待中断置位（阻塞等待）
}/*------- UART 底层收发 -------*/
// 发送 1 字节（查询 TI）—— 使用硬件串口发送寄存器SBUF
void uart_send_byte(unsigned char dat)
{TI = 0;         // 清发送标志（必须手动清除，硬件不自动清零）SBUF = dat;     // 写入发送缓冲寄存器，硬件自动添加起始位、停止位while(!TI);     // 等待发送完成标志置位（查询方式，阻塞等待）
}// 接收 1 字节（带 2 ms 超时）—— 使用硬件串口接收寄存器SBUF
// 返回 0 成功，-1 超时（防止程序卡死在等待接收）
char uart_recv_byte(unsigned char * dat)
{unsigned char num = 2;          // 约 2 ms 超时（调用delay()约2次）while((!RI) && num--)           // RI=0表示未收到，等待或超时{delay();    // 1 ms 级延时（粗略延时函数）}if(num < 0)                     // 超时判断（num递减至负数）return -1;  // 超时返回错误码*dat = SBUF;    // 从接收缓冲寄存器读取数据RI = 0;         // 清接收标志（必须手动清除）return 0;       // 成功返回0
}/*------- UART 初始化 -------*/
// 9600 bps @11.0592 MHz，8-N-1，允许接收（标准配置）
void uart_init(void)
{unsigned char mod = 0;mod = TMOD;SM0 = 0;        // 串口模式0：8位UART（方式1）SM1 = 1;        // 串口模式1：8位UART（方式1）REN = 1;        // 允许接收（接收使能）PCON &= ~(1 << 7); // SMOD=0，波特率不倍速（SMOD位清零）mod &= ~(0xf << 4); // 清 T1 位（定时器1控制位）mod |= (0x2 << 4);  // T1 模式 2（8 位自动重装，用作波特率发生器）TMOD = mod;TH1 = 0xfd;     // 9600 bps 初值（11.0592MHz晶振下标准值）TL1 = 0xfd;     // 自动重装值 = TH1TR1 = 1;        // 启动 T1（启动波特率发生器）
}/*------- 主函数 -------*/
void main(void)
{unsigned char dat = 0;          // 接收数据暂存变量char ret = 0;                   // 接收函数返回值（0成功，-1超时）char buf[10] = {"hello\n\r"};   // 仅占位，未使用（兼容性保留）unsigned char i = 0;            // 仅占位，未使用P2 = 0x55;                      // 初始 LED 状态（01010101）timer0_init();                  // 初始化 50 µs 时基（为软件UART预留）uart_init();                    // 初始化硬件串口（核心配置）while(1){ret = uart_recv_byte(&dat); // 尝试接收1字节（带超时）if(ret != -1)               // 若接收成功（未超时）uart_send_byte(dat);    // 立即回显该字节（原样发送回去）P2 = ~P2;                   // 指示系统运行（每轮循环翻转P2，LED闪烁）}
}/*------- 中断服务 -------*/
// 定时器 0 溢出：50 µs 到点（本工程未用于串口，为软件UART扩展预留）
void timer0_handler(void) interrupt 1
{delay_flag = 1;     // 唤醒 uart_delay（置位标志，解除阻塞）
}

✅ 工程二运行理想结果

单片机进入“回显模式”：通过串口助手发送任意字符（如 ‘A’），单片机立即原样返回该字符，实现“你说什么，我回什么”的闭环通信验证。

📊 具体表现：
  • 波特率：9600bps（精确匹配11.0592MHz晶振）；
  • 帧格式：8数据位、无校验、1停止位（8-N-1）；
  • 发送方式：查询TI标志，阻塞等待发送完成；
  • 接收方式：查询RI标志，带2ms超时防卡死；
  • 功能表现：
    • 串口助手发送 “Hello!” → 单片机回显 “Hello!”；
    • 发送 “123” → 回显 “123”；
    • 无输入时，程序不阻塞，P2口持续闪烁；
  • 状态指示：P2口LED持续闪烁，证明主循环正常运行；
  • 调试意义：最小闭环系统，验证串口收发硬件功能正常。

📚 知识体系归纳（双工程对比 + 核心概念）

知识模块软件模拟UART（工程一）硬件UART（工程二）通用知识点说明
波特率产生定时器0中断 + uart_delay() 模拟位时间定时器1模式2自动重装，TH1=0xFD → 9600bps波特率 = 1 / 位时间；低速容忍误差大，高速需精确晶振
帧结构1起始 + 8数据 + [校验] + 1停止（可配奇偶校验）1起始 + 8数据 + 0校验 + 1停止（8-N-1）标准异步串行帧，接收方靠起始位同步
发送机制GPIO逐位翻转 + 精确延时写SBUF → 硬件自动加起止位 → 等待TI置位硬件发送更稳定高效；软件发送灵活但占资源
接收机制本工程未实现接收查询RI → 读SBUF → 清RI，带超时机制接收通常用中断更高效，本工程用查询防卡死
校验支持支持无/奇/偶校验（通过check参数）无校验（SM0=0, SM1=1固定8-N-1）工业环境常用奇偶校验增强可靠性
延时实现定时器0中断置标志 + while等待（精确微秒级）主循环用粗略delay()；串口位时由硬件自动控制精确延时必须用定时器；粗略延时可用循环
运行指示P2 = ~P2 每发送完"hello"翻转一次P2 = ~P2 每轮主循环翻转一次（持续闪烁）LED状态指示是嵌入式调试基础手段
调试工具STC-ISP串口助手（支持低速600bps）通用串口助手（9600bps通用波特率）STC-ISP对低速支持更好，通用助手需标准波特率
适用场景无硬件串口、低速通信、教学演示标准产品开发、高速稳定通信软件UART是应急/学习方案，硬件UART是生产方案

🎯 核心知识点一句话总结

通过定时器中断精确控制GPIO电平翻转可软件模拟UART协议实现低速串行通信，而利用51单片机内置串口控制器配合定时器1波特率发生器可实现高效稳定的硬件UART收发，两者结合掌握串行通信底层原理与工程实践，是嵌入式开发的必备技能。

🧭 串行口通信四要素（通用）

  1. 波特率（Baud Rate） —— 每秒传输的位数（如9600bps），决定通信速度；
  2. 数据位（Data Bits） —— 每帧有效数据长度（通常8位）；
  3. 校验位（Parity Bit） —— 奇校验/偶校验/无校验，用于简单错误检测；
  4. 停止位（Stop Bit） —— 帧结束标志（通常1位）；
  5. 收发数据操作方法 —— 初始化 → 发送（uart_send）→ 接收（uart_recv）→ 处理。

✅ 最终运行效果总结

  • 工程一（软件UART）：持续发送“hello”，串口助手显示“hellohellohello…”，P2口周期闪烁；
  • 工程二（硬件UART回显）：发送任意字符立即原样返回，实现“你说我复读”，P2口持续闪烁；
  • 共同点：均通过STC-ISP或通用串口助手验证，P2口LED证明程序存活，定时器中断机制确保时序精确；
  • 教学价值：从零构建通信协议（软件）→ 使用硬件外设（硬件），完整覆盖串口通信知识体系。

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