单片机：串行接口详解

串行接口详解

• • 1. 引言
  • 2. 结构
  • 3. 串行控制接口寄存器
  • • 3.1 SCON 串行口控制寄存器
    • 3.2 PCON 电源控制寄存器
  • 4. 工作方式
  • • 4.1 方式0（单机）
    • 4.2 方式1（双机）
    • 4.3 方式2、方式3（多机）
  • 6. 编程及应用
  • • 6.1 初始化编程
    • • 6.1.1 串行口控制器SCON位的确定
      • 6.1.2 波特率
    • 6.2 单机
    • • 6.2.1 参考代码
      • 6.2.2 运行效果
      • 6.2.2 例2参考代码
      • 6.2.3 例2运行效果
    • 6.3 双机
    • • 6.3.1 参考代码
      • 6.3.2 运行效果
    • 6.4 多机
    • • 6.4.1 参考代码
      • 6.4.2 运行效果
  • 总结

1. 引言

单片机的引脚很珍贵，若传输使用并行通信，那么一次就得消耗8个引脚。所以串行接口与并行接口相比更节省引脚资源。

51系列单片机是一个全双工的串行异步通信接口，可以同时发送、接收数据。

2. 结构

51单片机主要由发送数据寄存器、发送控制器、输出控制们、接收数据寄存器、接收控制器、输入移位寄存器。

• 发送数据寄存器+接收数据寄存器 = 特殊功能寄存器SBUF(串行口数据寄存器)
• 串行口数据寄存器SBUF，字节地址为99H,实际对应两个寄存器，即发送数据寄存器和接收数据寄出去。故能实现全双工通信。
• TI（Transmit Interrupt）
• RI(Receive Interrupt)

3. 串行控制接口寄存器

3.1 SCON 串行口控制寄存器

• SCON (Serial Port Control Register):字节地址98H,可按位寻址

• SM0、SM1 串行口工作方式选择位

• SM2 多机通信控制位

• REN（receive enable） 允许接收控制位。

• TB8 (Transmit Bit 8)发送数据的第9位。

• RB8 接收数据第9位。

• TI 发送中断标志位

• RI 接收中断标志位。

表 串行口工作方式的选择

SM2 多机通信控制位（数据第9位是来判断接收是否有效）：

• SM2 = 1 在方式2和方式3接收数据时，RB8 =0 ，接收无效
• SM2 = 1 在方式2和方式3接收数据时，RB8 =1 ，接收有效
• SM2 = 0 无论RB8=1还是RB8 = 1，接收有效

REN, 允许接收控制位（串口通信开关）。当REN=1,则允许接收；当REN=0，则禁止接收。

TB8 发送数据第9位 。方式2和方式3中，TB8为发送数据第9位，它可以作为奇偶校验位。在多机通信中，用来表示主机发送的是地址还是数据：TB=0 为数据，TB8=1为地址。

RB8 接收数据的第9位。在方式2和3中，用于存放数据的第9位。

TI 发送中断标志位。

• 在一组数据发送完后被硬件置位
• 在方式0时，当发送数据第8位结束后，TI置位。
• 在方式123时，当发送数据开始发送停止位时，TI置位。（和上面的对比有微小的差距）
• TI置位，标志着上一个数据发送完成，告诉CPU可以发送下一个数据
• TI不能自动清零，必须用软件清零。

RI 接收中断标志位

• 当数据接收有效后由硬件置位。
• 方式0时，当接收数据的第8位结束后，RI置位
• 方式123时，当接收有效后，RI置位。
• RI不能自动清零，必须用软件清零

系统复位时，SCON所有位被清零。

3.2 PCON 电源控制寄存器

• PCON (Power Control Register):字节地址87H,不可按位寻址。主要用于电源控制。

• SMOD 波特率加倍位

4. 工作方式

51单片机有4种工作方式，由串口控制器SCON中的SM0位和SM1位决定。

4.1 方式0（单机）

• 通常用来外接移位寄存器
• 波特率固定fosc/12
• 串行数据通过RXD输入和输出，同步时钟通过TXD输出。

发送过程： 在TI=0时，当CPU执行一条向SBUF写数据的指令时，如 ‘SBUF =i;’,就启动了发送过程。写入发送数据寄存器中的数据按低位在前、高位在后的顺序从RXD 依次发送出去，同步时钟从TXD发送。8位数据（一帧）发送完毕后，由硬件TI置位，向CPU申请重度。如果再次发送数据，必须要用软件（编程）将TI清零，并再次执行写SBUF指令。

接收过程： 在RI=0的条件下，将REN(SCON.4) 置1，启动接收。串行数据通过RXD接收，同步移位脉冲通过TXD输出。在移位脉冲的控制下，RXD上的串行数据一次移入移位寄存器。当8位数据（一帧）全部移入移位寄存器后，接收控制器发出“装载SBUF”的信号，将8位数据并行送入数据缓冲SBUF中。同时，由硬件使接收中断标志RI置位，向CPU申请重度。CPU响应中断后，从接收数据寄存器中取出数据，然后用软件RI复位，使移位寄存器接收下一帧数据。

4.2 方式1（双机）

方式1是10位异步通信方式，也是最常用的双机点对点通信模式。一帧数据包含1位起始位（低电平）、8位数据位（低位在前）、1位停止位（高电平），共10位。

帧格式：

起始位(0) | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | 停止位(1)

波特率： 波特率可变，由定时器T1（通常工作在方式2，即8位自动重装模式）的溢出率决定。计算公式为：

波特率 = (2^SMOD / 32) × (定时器T1溢出率)

其中，SMOD是PCON寄存器的最高位（波特率加倍位）。当SMOD=0时，波特率不加倍；当SMOD=1时，波特率加倍。

典型波特率设置（使用11.0592MHz晶振）：

• 9600 bps: TH1 = TL1 = 0xFD, SMOD = 0
• 19200 bps: TH1 = TL1 = 0xFD, SMOD = 1
• 4800 bps: TH1 = TL1 = 0xFA, SMOD = 0

发送过程：

接收过程：

4.3 方式2、方式3（多机）

方式2和方式3是11位异步通信方式，支持多机通信。它们的主要区别在于波特率：

• 方式2：波特率固定为 fosc/32 或 fosc/64（由PCON寄存器中的SMOD位决定）。
• 方式3：波特率可变，由定时器T1的溢出率决定，计算公式与方式1相同：波特率 = (2^SMOD / 32) × (定时器T1溢出率)。

帧格式： 一帧数据包含1位起始位（低电平）、8位数据位（低位在前）、1位可编程的第9位数据（TB8/RB8）、1位停止位（高电平），共11位。

起始位(0) | D0 | D1 | D2 | D3 | D4 | D5 | D6 | D7 | D8 (TB8/RB8) | 停止位(1)

其中，第9位（D8）在发送时由TB8（SCON.3）提供，在接收时存入RB8（SCON.2）。该位在多机通信中用作地址/数据标识位（TB8=1为地址帧，TB8=0为数据帧），或在单机通信中用作奇偶校验位。

发送过程（方式2/3）：

接收过程（方式2/3）：

6. 编程及应用

6.1 初始化编程

51串行口使用之前必须对它进行初始化，设定串口的工作方式和波特率。

6.1.1 串行口控制器SCON位的确定

6.1.2 波特率

波特率=2^SMOD × (T1的溢出率)/32

T1的溢出率 = 波特率 * 32/2^SMOD

6.2 单机

【例】用51单片机的串行口外接串入并出的芯片74HC164扩展并行输出口控制一组发光二极管，使发光二极管从右至左延时轮流显示。

6.2.1 参考代码

# include <reg51.h>
# include <intrins.h>
void main()
{
unsigned char i;
unsigned int j;
SCON =0x00;//初始化
i = 0xFE;
for(;;)
{
SBUF =i;//串口发送数据
while(!TI){;}//发送中
TI =0;//软件清零TI位
for(j=0;j<=20000;j++)
{
_nop_();
i=_crol_(i,1);
}
}
}

6.2.2 运行效果

【例】用51单片机的串行口外接并入串出的芯片74HC165扩展8位并行输入口，输入一组开关的状态，并通过二极管显示出来。

6.2.2 例2参考代码

# include <reg51.h>
# include <intrins.h>
sbit P2_0 = P2^0;
void main()
{
unsigned char i;
while(1)
{
P2_0 =0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
P2_0 = 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
SCON = 0x10;//初始化， 接收允许
while(!RI){;}//接收中
RI =0;//软件置位
i = SBUF;
P1=i;
}
}

6.2.3 例2运行效果

6.3 双机

【例】设计双机通信系统。要求:甲机P1口开关的状态通过串行口发送到乙机，乙机接收到后通过P2口的发光二极管显示;乙机P1口开关的状态发送到甲机，甲机接收到后通过P2口的发光二极管显示。

6.3.1 参考代码

# include <reg51.h> // 包含51单片机寄存器定义头文件
void main (void) // 主函数，程序入口
{
unsigned char i; // 定义无符号字符型变量i，用于暂存P1口数据
SP = 0x60; // 将堆栈指针SP设置为0x60，避开默认的00~0x5F区域，防止与工作寄存器区冲突
SCON = 0x50; // 串口控制寄存器初始化：方式1（8位UART，可变波特率），允许接收（REN=1）
TMOD = 0x20; // 定时器模式寄存器设置：定时器1工作于方式2（8位自动重装），用于产生波特率
TL1 = 0xE6; // 定时器1低8位初值，与TH1配合，设置波特率（常见为9600bps @ 11.0592MHz晶振）
TH1 = 0xE6; // 定时器1高8位初值（自动重装载值）
TR1 = 1; // 启动定时器1，开始计数
EA = 1; // 开启总中断（允许所有中断）
ES = 1; // 开启串行口中断（允许串口发送/接收中断）
while(1) // 主循环，无限重复执行
{
P1 = 0xFF; // 将P1口全部置为高电平（即设置为输入状态，读取外部引脚电平）
i = P1; // 读取P1口当前的电平值，存入变量i
SBUF = i; // 将读取到的i值写入串口发送缓冲区，启动串口发送
while(TI == 0); // 等待发送完成标志TI变为1（TI由硬件在发送完成后置1）
TI = 0; // 软件清0发送中断标志，以便下次发送
}
}

void funins(void) interrupt 4 // 串行口中断服务函数，中断号4
{
EA = 0; // 关闭总中断，防止中断嵌套（可选，也可不用）
RI = 0; // 清0接收中断标志，表示已处理接收中断
P2 = SBUF; // 将接收到的数据（SBUF中的值）直接输出到P2口
EA = 1; // 重新开启总中断（恢复中断响应）
}

6.3.2 运行效果

6.4 多机

【例】设计多机通信系统。要求:一台主机，16台从机，从机地址00H~OFH。对于主机，能够根据P1口的四位拨码开关的编码状态从16个从机中选择一个，读取P2开关的状态并从串口发送出去;对于从机，只有被选中的从机可以接收主机发送的开关状态，通过P2口的发光二极管显示。

6.4.1 参考代码

主机代码

# include <reg51.h>
void main(void)
{
unsigned char i;
SCON =0xC0;// 串口控制寄存器设为方式3（9位UART），禁止接收
TMOD =0x20;// 定时器模式寄存器设为定时器1方式2（8位自动重装）
TL1= 0xF3;// 定时器1低8位初值设为0xF3，决定波特率低位
TH1= 0xF3;// 定时器1高8位重装值设为0xF3，决定波特率高位
TR1 = 1;// 启动定时器1，开始产生串口波特率时钟
while(1)
{
P1 =0x0F;// P1口高4位输出0，低4位置1准备读取拨码开关
i = P1;
i = i & 0x0F; // 保留低4位地址，屏蔽高4位无效数据
TB8 = 1;// 第9位设为1，标志当前发送的是地址帧
SBUF =i;// 将地址数据送入发送缓冲区，启动串口发送
while(TI == 0);// 等待发送完成标志TI变为1
TI =0;// 软件清0发送中断标志，准备下次发送
P2 =0xFF;// P2口全部置1，设置为输入状态读取开关
i = P2;// 读取P2口开关状态数据存入变量i
TB8= 0;
SBUF =i;
while(TI ==0);
TI =0;// 软件清0发送中断标志，准备下次发送
}
}

从机代码

# include <reg51.h>
void main(void)
{
unsigned char i,j,k;
SCON = 0xF0;
TMOD = 0x20;
TL1= 0xF3;
TH1= 0xF3;
TR1 = 1;
while(1)
{
P1 = 0x0F;
i = P1;
i = i & 0x0F;
while(RI ==0);
RI = 0;
j = SBUF;
if (j == i)
{
SM2=0;
while(RI == 0);
RI =0;
k=SBUF;
P2 = k;
}

}
}

6.4.2 运行效果

总结

讲解了其核心控制寄存器SCON和PCON的功能与各位定义，特别是工作方式选择位（SM0、SM1）、多机通信控制位（SM2）以及中断标志位（TI、RI）的作用。最后，通过单机扩展I/O、双机数据互传以及一主多从的多机通信三个由浅入深的编程实例，结合完整的C语言代码和运行效果图，直观地展示了51单片机串行接口在不同场景下的具体应用方法，为读者提供了从理论到实践的完整学习路径。