甲乙两机串口通信双向控制系统硬件系统设计.doc

目录
1. 题目设计要求： 1
2. 系统的组成及工作原理 2
2.1 系统组成 2
2.2 工作原理 2
2.3 双机通讯的方案 3
3. 器件的功能及作用 4
3.1 硬件设计 4
3.1.1 AT89C51说明 4
3.1.2 RS23说明 5
3.2 电气特性 5
3.3 DB-9连接器 6
4. 系统硬件设计 8
4.1 线路原理图 8
4.2 元器件清单 9
5. 设计体会和收获 10
6. 参考文献 11

1. 题目设计要求：
甲乙两机串口双向通信设计
要求：利用51单片机，RS232芯片，LED灯，数码管进行双机通信设计。甲机可按键控制乙机的LED显示；乙机可按键控制甲机的数码管显示。完成以下设计环节：
1）使用Altium Desinger开发工具，设计电路原理图。
2）使用Uvision2开发平台，采用C语言或汇编语言设计软件程序。
3）使用PROTEUS仿真软件，设计仿真原理图并运行软件程序，完成系统仿真。

2. 系统的组成及工作原理
2.1 系统组成
本次设计是用两个单片机（称为甲机和乙机）之间采用方式1双向串行通信。 甲机的按键可通过串口控制甲机、乙机的2个LED灯，按一次甲机、乙机的LED1点亮，LED2灭，按两次甲机、乙机LED1灭，LED2点亮，按三次甲机、乙机的LED1和LED2全亮。 乙机的按键课控制串口向甲机发送按下的次数，按下的次数通过串口显示在甲机P0口的数码管上，由此设计出总体框图。
LED显示
按键
数码管显示
LED显示
按键

STC89C51R1

STC89C51R1

图2.1 总体框图
2.2 工作原理
双机通信系统通过甲乙单片机的串行口来实现数据的收发。
甲单片机通过开关电路来启动发送程序，甲机当开关按下时向乙机发送一个数据，乙机上蜂咛器发出声音提示有数据发送过来，乙机通过接收中断来接收和开关判断是否接收甲机发送过来的数据，并通过编写好的数据代码在8个发光二极管上显示主机发送过来的数据。
乙单片机通过开关电路来启动发送程序，乙机给甲机发送一数据，甲机上蜂咛器发出声音提示有数据发送过来，甲机通过接收中断来接收和开关判断是否接收乙机发送过来的数据，并通过编写好的数据代码在8个发光二极管上显示乙机发送过来的数据。
2.3 双机通讯的方案
设计方案：
该系统采用主从共两片AT89C51单片机来实现上位机对下位机的控制，由于是近距离的双机通信，我们采用单片机直接交叉连接的方式，上位机发送的数据由串行口TXD端输出，直接由下位机的串行口数据接收端RXD接收。需要注意的是一定要保证主从机相同的数据传输速率，即要求设置相同的波特率。电路分为数码管显示模块，指示模块、以及单片机工作的基本复位、晶振模块。
甲机由3个数码管，4个独立键盘开关，1个蜂咛器组成。
乙机由8个发光二极管，一个蜂咛器，1个数字温度传感器DS18B20组成。
单片机上最基本的两个电路： 复位电路（图2.2）和晶振电路（图2.3）

图2.2 复位电路图

图2.3 晶振电路图
3. 器件的功能及作用
3.1 硬件设计
3.1.1 AT89C51说明
At89c51单片机内部有1个功能很强大的全双工串行口，可以同时发送和接收数据。串行口的内部有数据接收缓冲器和数据发送缓冲器，数据接收缓冲器只能读出不能写入，数据发送缓冲器只能写入不能读出，这两个数据缓冲器都是用SBUF来表示，地址都是99H，CPU对特殊功能寄存器SBUF执行写操作就将数据写入发送缓冲器，对SBUF执行度操作就是读出接收缓冲器中的内容。特殊功能寄存器SCON参访串行口的控制状态信号，串行口用T1或者T2作为波特率发生器（发送和接收时钟），特殊功能寄存器PCON的最高位SMOD为串行口波特率的倍率控制位。
SCON：串行口控制寄存器
寄存器地址98H，位寻址9FH～98H。
表3.1 寄存器表
位地址
9F
9E
9D
9C
9B
9A
99
98
位符号
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
TI
RI
SM0、SM1：串行口工作方式选择位
SM2：多机通信控制位
REN：允许/禁止串行口接收的控制位
TB8：在方式2和方式3中，是被发送的第9位数据，可根据需要由软件置1或清
零，也可以作为奇偶校验位，在方式1中是停止位。
RB8：在方式2和方式3中，是被接收的第9位数据（来自第TB8位）；在方式
中，RB8收到的是停止位，在方式0中不用。
TI——串行口发送中断请求标志位: 当发送完一帧串行数据后，由硬件置1；在转
向中断服务程序后，用软件清0。
RI——串行口接收中断请求标志位: 当接收完一帧串行数据后，由硬件置1；在转 向中断服务程序后，用软件清0。
SM0、SM1：串行口工作方式选择位，其组合含义如下所示：

表3.2 串行口表
SM0
SM1
方式
功能说明
0
0
0
移位寄存器方式（用于I/O口扩展）
0
1
1
8位UART，波特率可变（T1溢出率/n)
1
0
2
9位UART，波特率为(f/64或f/32)
1
1
3
9位UART，波特率为（T1溢出率/n)

PCON的D7位作为串行波特率系数SMOD控制位，PCON不可位寻址，其地址为87H，当SMOD=1时，波特率加倍。SMOD在PCON中的位置如下所示：
PCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
SMOD

3.1.2 RS23说明
RS232近程通讯总线适合于数据传输速率在0～20000b/s范围内的通信，由于通行设备厂商都生产与RS-232C制式兼容的通信设备，因此，它作为一种标准，目前已在微机通信接口中广泛采用。如图3.1所示：

图3.1 DB9图
3.2 电气特性
　EIA-RS-232C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
　在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V～-15V
　　　　　　逻辑0(SPACE)=+3～＋15V
　　　　　　在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
　　　　　　信号有效（接通，ON状态，正电压）＝+3V～+15V
　　　　　　信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V～-15V
RS232C与TTL转换：EIA-RS-232C是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。
最大直接传输距离说明：RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺。

3.3 DB-9连接器
使用DB-9连接器，作为提供多功能I/O卡或主板上COM1和COM2两个串行接口的连接器。它只提供异步通信的9个信号。DB-25型连接器的引脚分配与DB-25型引脚信号完全不同。因此，若与配接DB-25型连接器的DCE设备连接，必须使用专门的电缆线。
最大直接传输距离说明：RS-232C标准规定，若不使用MODEM，在码元畸变小于4%的情况下，DTE和DCE之间最大传输距离为15m（50英尺）。
用RS-232总线连接系统有近程通讯方式和远程通讯方式两种，近程通讯是指传输距离小于15米的通讯，可以用RS-232 电缆直接连接。15米以上的长距离通讯，需要采用调制调解器。
当计算机与终端之间利用RS-232作近程连接时，有几根线实现交换连接。本次实验不需要检测数据等信号状态的
RS-232是异步通讯中最广泛的标准总线，适用于数据中端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间的接口。在微机通讯中，通常使用 的RS-232接口信号是九根引脚。如表3.3：各引脚功能如下：
引脚号
符号
方向
功能
1
DCD
输入
载波检测
2
RXD
输入
接收数据
3
TXD
输出
发送数据
4
DTR
输出
数据终端就绪
5
GND

信号地
6
DSR
输入
数据装置就绪
7
RTS
输出
请求发送
8
CTS
输入
清除发送
9
RI
输入
振铃指示
表3.3 DB9管脚说明表

用RS-232总线连接系统有近程通讯方式和远程通讯方式两种，近程通讯是指传输距离小于15米的通讯，可以用RS-232 电缆直接连接。15米以上的长距离通讯，需要采用调制调解器。
计算机和终端用RS-232连接的交叉图4如下，图中“发送数据”与“接收数据”是交叉相连的，是得两台设备都能正常的发送和接收。

图3.2 通讯连接
数据发送与接收线：
　　 发送数据(TxD)——通过TxD终端将串行数据发送到MODEM。
　 接收数据(RxD)——通过RxD线终端接收从MODEM发来的串行数据。

4. 系统硬件设计
4.1 线路原理图
第一步将两组按键和LED灯分别连接到单片机U1、U2的P1口，第二步将单片机U1的P0口分别连接到数码显示管上进行显示，第三步将单片机U1的P0口连接到排阻上，第四步分别将单片机U1、U2的P3口连接到各自的线驱动器/接收器上，第五步将两个线驱动器/接收器分别连接到各自的DB-9接口上，最后再将单片机U1、U2通过DB-9连接器进行连接，来实现双机通讯。

图4.1 线路原理图
4.2 元器件清单
1、两个C51单片机U1、U2
2、排阻
3、数码显示管
4、4个LED
5、电容和极化电容
6、220欧电阻
7、两个线驱动器/接收器
8、两个DB-9接口
9、+5V电源
10、两个按键

5. 设计体会和收获
最初选择双机串行通信这个实验时，由于从未接触过这类设计，感到新鲜的同时不乏挑战性。现在终于将它完成了，感到受益颇多。第一，这是一份考验我们自觉性、动手能力与协作意识的任务。第二，未知并不可怕，可怕的是因未知而止步。我们在课堂上所学的知识是非常有限的，这次的课程设计就是个很好的体现。很多函数的运用我们还没掌握，一些简单的循环语句都可能出错。实践后才能真的知道我们真正掌握了多少。第三，团结就是力量一点都不假。在团组合作时我们更便于互相取长补短，相互讨论，效果很好。
通过本次课设实验我们对自身进行了查缺补漏，是自己对单片机这门课程有了更深的了解，对我们以后的工作有了很大的帮助。同时通过老师对我们的讲解，对各种知识的理解进一步加深，在此对老师深表感谢。总之在这次的实验中我们更加丰富了自己使自己有了进一步的提高。

6. 参考文献
1.《单片机语言C51典型应用设计》 人民邮电出版社；刘文涛编著 2015.10
2.《μVision2单片机应用程序开发指南》科学出版社；尹勇 李宇编著 2012.2
3.《单片机原理与应用系统设计》清华大学出版社：马秀丽编著 2014.10