基于单片机的双机串口通信与数字串存储系统设计

基于单片机的双机串口通信与数字串存储系统设计

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1. 系统功能介绍

本系统设计旨在实现基于单片机的双机串口通信与数字串存储功能，由两个独立的单片机系统（A端与B端）组成。A端主要负责数字串的输入与发送，B端负责接收、校验、显示及存储。系统的整体功能涵盖了人机交互、串口通信、数据校验与非易失性存储等多个方面，体现了单片机系统在通信与数据管理中的综合应用能力。

系统的主要功能如下：

1. 数字串输入与发送（A端）
   用户通过拨号键盘输入一串数字（2~16位），输入过程在LCD屏上实时显示。

   • 按键 * 用于删除上一个输入的数字。
   • 按键 # 用于启动数据发送。
     当按下 # 后，A端通过串口发送完整数字串到B端。

2. 数据接收与校验（B端）
   B端通过串口实时监听A端发送的数据，当接收到完整的数字串后，系统会进行校验计算。
   校验规则为：最后一位数字应等于前面所有数字之和的个位数。

   • 若校验通过，LCD屏显示接收到的数字串；
   • 若校验不通过，则自动清空LCD显示，并丢弃该数据。

3. 数据存储与查看（B端）

   • 按键 1：将当前校验通过的数字串存入AT24C02存储器中，并显示“存储成功”；
   • 按键 2：从AT24C02中读取所有已存储的数据串并在LCD上循环显示；
   • 按键 3：清除EEPROM中所有存储的数据并提示“数据清除完成”。

4. 系统交互性与可靠性
   整个系统通过LCD1602实现清晰的界面交互，采用标准的UART串口通信协议，确保A、B两机之间的数据传输准确可靠。B端使用EEPROM非易失存储器保证断电后数据依然保留，提升系统的实用性与稳定性。

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2. 系统电路设计

系统电路设计以STC89C52单片机为核心，分为输入端（A机）与接收端（B机）两部分。主要包括：单片机最小系统电路、键盘输入模块、LCD1602显示模块、串口通信模块、EEPROM存储模块及电源模块。

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2.1 单片机最小系统设计

系统的核心控制器采用 STC89C52 单片机，具有丰富的I/O接口和UART通信模块。
最小系统包括：晶振电路、复位电路和电源滤波部分。

• 晶振采用12MHz晶体振荡器，确保系统运行稳定；
• 复位电路由电容与电阻构成上电复位电路，保证系统启动可靠；
• 电源采用+5V直流稳压供电，由7805稳压芯片提供稳定电压。

A机与B机各自独立供电，确保通信过程不受干扰。

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2.2 键盘输入模块

A端的键盘采用 4×4矩阵键盘，通过8个I/O口实现扫描输入。
键盘布局如下：

键位	功能
0~9	数字输入
*	删除上一个数字
#	发送数字串
A/B/C/D	预留扩展功能键

矩阵键盘的行列扫描由单片机周期性输出信号完成，通过检测列线的电平变化判断按键状态。软件中采用去抖动算法，避免误触发。

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2.3 LCD1602 显示模块

LCD1602模块用于显示系统状态、输入数字串和提示信息。

• 在A端显示输入的数字和发送状态；
• 在B端显示接收到的数字串、存储状态或错误提示。

LCD1602通过4位数据线模式与单片机连接，以节省I/O资源。
主要显示内容包括：

• 当前输入/接收的数字串；
• “发送中…”、“接收成功”、“校验失败”提示；
• 存储、读取、清除状态信息。

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2.4 串口通信模块

A端与B端之间通过UART异步串口通信实现数据传输。通信参数如下：

• 波特率：9600bps；
• 数据位：8位；
• 停止位：1位；
• 校验位：无。

物理层可采用TTL电平直连，也可通过MAX232芯片进行RS232电平转换以适应外部通信环境。

系统中采用定时器方式产生标准波特率，保证通信精度。通信中使用中断机制实现非阻塞式数据接收。

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2.5 AT24C02 存储模块

AT24C02是一款容量为2Kb的I²C接口EEPROM，用于B端存储接收的数字串。
其优点包括：

• 非易失性存储，断电数据不丢失；
• 支持多字节连续写入；
• 可靠的擦写寿命（>100万次）。

通过SDA、SCL两根总线与单片机通信。系统通过编程实现写入、读取及清空操作。

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2.6 电源模块

系统统一使用+5V电源供电。通过7805稳压芯片将外部直流9V或12V转换为稳定的5V。
在各模块供电端添加退耦电容（如100nF）以减少干扰，保障系统运行稳定。

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3. 系统程序设计

系统程序包括主控程序、键盘输入程序、LCD显示程序、串口通信程序及EEPROM存储管理程序等部分。
A端与B端分别拥有独立的软件逻辑，整体结构清晰、模块划分明确。

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3.1 A端程序设计

A端主要实现数字串输入、显示与发送功能。

(1) 主程序逻辑

主程序流程为：

1. 系统初始化（LCD、键盘、串口等）；
2. 等待用户按键输入；
3. 实时显示输入数字；
4. 当按下 # 键时，触发发送函数；
5. 通过串口逐字节发送数字串。

核心代码如下：

void main() {UART_Init();LCD_Init();Key_Init();LCD_ShowString(0,0,"Input Num:");while(1) {key = Key_Scan();if(key >= '0' && key <= '9') {Add_Num(key);LCD_ShowString(1,0,numberBuffer);}else if(key == '*') {Delete_Num();LCD_ShowString(1,0,numberBuffer);}else if(key == '#') {UART_SendString(numberBuffer);LCD_ShowString(1,0,"Sending...");}}
}

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(2) 键盘扫描程序

键盘采用行列扫描方式，通过定时扫描和延时消抖处理。

unsigned char Key_Scan(void) {unsigned char temp;P1 = 0x0F;if((P1 & 0x0F) != 0x0F) {Delay_ms(10);if((P1 & 0x0F) != 0x0F) {temp = P1;while((P1 & 0x0F) != 0x0F);return DecodeKey(temp);}}return 0;
}

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(3) 串口发送函数

采用中断发送机制，提高效率与可靠性。

void UART_SendString(char *str) {while(*str != '\0') {SBUF = *str++;while(!TI);TI = 0;}
}

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3.2 B端程序设计

B端程序主要实现接收、校验、显示及存储管理。

(1) 串口接收与校验逻辑

系统通过串口中断方式接收A端数据，并在接收完成后进行校验。
校验规则：最后一位数字 = 前面所有数字之和的个位数。

void UART_Rx_ISR(void) interrupt 4 {if(RI) {char ch = SBUF;RI = 0;if(ch == '#') {Check_Data();} else {buffer[index++] = ch;}}
}

校验函数：

void Check_Data(void) {unsigned char sum = 0;for(i=0;i<index-1;i++) sum += buffer[i]-'0';if((sum%10) == (buffer[index-1]-'0')) {LCD_ShowString(1,0,buffer);validFlag = 1;} else {LCD_Clear();LCD_ShowString(0,0,"Check Failed!");validFlag = 0;}
}

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(2) EEPROM存储程序

通过I²C总线控制AT24C02的读写操作。

写入函数：

void EEPROM_Write(unsigned char addr, unsigned char dat) {I2C_Start();I2C_SendByte(0xA0);I2C_SendByte(addr);I2C_SendByte(dat);I2C_Stop();Delay_ms(10);
}

读取函数：

unsigned char EEPROM_Read(unsigned char addr) {unsigned char dat;I2C_Start();I2C_SendByte(0xA0);I2C_SendByte(addr);I2C_Start();I2C_SendByte(0xA1);dat = I2C_ReceiveByte();I2C_Stop();return dat;
}

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(3) 按键控制逻辑

B端设有三个功能按键：

• 按键1：存储当前数据；
• 按键2：读取显示；
• 按键3：清空数据。

void Key_Process() {key = Key_Scan();if(key == 1 && validFlag) Save_Data();else if(key == 2) Show_StoredData();else if(key == 3) Clear_All();
}

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3.3 LCD 显示程序

LCD显示模块用于输出系统提示及操作结果：

void LCD_ShowString(unsigned char line, unsigned char pos, unsigned char *str) {if(line == 0) LCD_SetCursor(0x80 + pos);else LCD_SetCursor(0xC0 + pos);while(*str) {LCD_WriteData(*str++);}
}

系统中通过调用不同的显示函数，实现状态提示与用户交互。

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4. 系统总结

本系统实现了基于单片机的双机串口通信与数字串存储管理功能，具备输入、校验、存储、显示等多种功能模块。
系统采用模块化设计思想，软件结构清晰、可维护性强。
A、B两机的功能分工合理，A机注重人机交互，B机负责数据安全与存储。
通过UART串口实现了稳定可靠的通信机制，EEPROM模块保证数据的非易失性存储。

该设计不仅适用于单片机通信与存储实验教学，也可扩展应用于数据传输、身份校验、远程终端输入系统等领域，具有良好的应用前景与学习价值。