基于单片机的双机串口通信与数字串存储系统设计

点击链接下载protues仿真设计：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081494

1 系统总体设计概述

1.1 设计背景与研究意义

在嵌入式系统与单片机应用领域中，串口通信是一种最基础、最常用的数据通信方式之一。通过串口通信，不同单片机系统之间可以实现数据交换、功能协作和信息共享。同时，数据的可靠存储与管理也是嵌入式系统中不可或缺的重要功能，尤其是在需要掉电保存、长期记录或历史数据查询的应用场景中，非易失性存储器件发挥着关键作用。

本设计以"双机通信"为核心思想，通过两套单片机系统（A端与B端）之间的串口通信，实现数字串数据的输入、传输、校验、显示以及存储功能。系统综合运用了矩阵键盘、LCD显示模块、串口通信模块以及AT24C02 EEPROM存储芯片，构建了一个功能完整、逻辑清晰、具有一定工程实用价值的嵌入式系统实例。

通过该系统的设计与实现，不仅能够加深对单片机串口通信原理的理解，还能系统掌握数据校验、I²C存储器访问以及多模块协同工作的设计方法，对单片机课程设计、毕业设计及工程实践均具有较高的参考价值。

1.2 系统总体功能说明

本系统由A端与B端两部分组成，二者通过串口进行通信，整体功能如下：

A端负责数字串的输入、显示和发送。用户通过拨号键盘输入长度为2~16位的数字串，输入过程实时显示在LCD屏幕上，支持删除与发送控制。
A端通过串口将完整数字串发送至B端，*键用于取消当前输入字符，#键用于确认并发送数据。
B端实时监听串口接收数据，对接收到的数字串进行校验。若校验正确，则显示在LCD屏幕上；若校验失败，则丢弃数据并清空显示。
B端通过按键1可将当前接收到且校验正确的数字串存入AT24C02存储器，并在LCD上显示存储结果。
B端通过按键2可依次查看已存储的数字串内容；通过按键3可清除所有已存储数据，实现数据管理功能。
数据校验规则为：数字串最后一位等于前面所有数字之和的个位数。

2 系统功能设计分析

2.1 数字串输入与编辑功能（A端）

A端系统通过拨号键盘实现数字串的输入功能。用户每按下一个数字键，对应的数字字符即被加入到当前输入缓冲区，并实时显示在LCD屏幕上。系统对输入长度进行限制，确保输入的数字串长度在2~16位之间。

在输入过程中，用户可通过"*"键实现删除操作，用于取消最近一次输入的字符，从而提高输入的灵活性和容错性。当输入完成后，按下"#"键，系统即认为当前数字串输入结束，并进入发送准备状态。

2.2 串口通信功能

串口通信是A端与B端之间数据交互的核心手段。A端在"#"键触发后，将当前数字串通过串口逐字节发送至B端。通信过程中，采用固定的波特率、数据位、停止位和校验方式，确保双方通信参数一致，从而保证数据的正确传输。

B端通过串口接收中断或轮询方式实时监测串口数据，一旦检测到接收事件，即启动数据接收流程，并将数据暂存至接收缓冲区中。

2.3 数据校验功能（B端）

为了保证数据的可靠性，B端在接收完整数字串后，会对数据进行校验处理。校验规则为：数字串最后一位应等于前面所有位数字之和的个位数。

系统通过遍历接收到的数字字符，将前n-1位数字转换为数值并累加，然后取其个位数，与最后一位进行比较。若校验成功，系统认为数据有效；否则视为无效数据并丢弃处理。

2.4 数据显示与存储功能

当校验成功后，B端会将数字串显示在LCD屏幕上，供用户查看。此时，用户可通过按键1将该数字串写入AT24C02 EEPROM中，实现掉电不丢失的数据存储。

系统支持多条数字串的顺序存储，并通过内部地址管理机制实现存储空间的合理分配。按键2用于读取并显示已存储的数字串，按键3用于清空全部存储数据，方便系统维护与数据重置。

3 系统电路设计

3.1 单片机最小系统模块

A端与B端均采用单片机最小系统结构作为核心控制模块。最小系统包括电源电路、晶振电路和复位电路，确保单片机在稳定可靠的硬件环境下运行。

单片机I/O资源被合理分配，用于连接键盘、LCD、串口通信接口以及存储器等外设模块。通过统一的硬件架构，使A端与B端在结构上保持一致性，便于系统调试和维护。

3.2 拨号键盘接口电路（A端）

拨号键盘通常采用矩阵键盘结构，通过行列扫描方式实现按键检测。单片机通过输出扫描信号并读取输入状态，判断是否有按键按下以及具体按键编号。

在电路设计中，键盘接口引脚通过上拉电阻与单片机相连，保证按键未按下时输入状态稳定，减少误触发。

3.3 LCD显示模块电路

LCD显示模块用于显示输入的数字串、接收的数据以及存储信息。LCD通过并行或串行方式与单片机连接，常见为1602字符型液晶显示模块。

在电路中，LCD的数据线与控制线分别连接至单片机对应端口，配合对比度调节电路，保证显示内容清晰稳定。

3.4 串口通信接口电路

串口通信接口主要由TXD和RXD信号线组成，用于A端与B端之间的数据传输。在电路设计中，两端的TXD与RXD交叉连接，确保数据正确发送和接收。

如通信距离较远或环境干扰较强，可通过电平转换芯片或隔离电路提高通信可靠性。

3.5 AT24C02存储模块电路（B端）

AT24C02是一种基于I²C总线的EEPROM存储芯片，具有容量小、功耗低、掉电数据不丢失等优点。该芯片通过SCL和SDA两根信号线与单片机通信。

在电路设计中，SCL和SDA线均通过上拉电阻连接至电源，以保证I²C总线正常工作。同时，通过合理分配存储地址，实现多条数字串的顺序存储。

3.6 按键控制模块（B端）

B端设置独立按键用于数据存储、查看和清除操作。按键通过限流电阻与单片机输入端口连接，并通过软件消抖方式提高按键识别的准确性。

4 系统程序设计

4.1 软件总体结构设计

系统软件采用模块化设计思想，将键盘扫描、LCD显示、串口通信、数据校验和存储管理等功能分别封装成独立模块。主程序负责系统初始化和任务调度，各模块之间通过全局变量或函数接口进行数据交互。

A端与B端程序在结构上具有一定相似性，但功能侧重点不同，分别围绕输入发送与接收存储展开。

4.2 键盘扫描程序设计（A端）

键盘扫描程序周期性检测矩阵键盘状态，并对检测到的按键进行编码处理。程序中加入软件延时消抖机制，防止按键抖动造成误操作。

c 复制代码

char Key_Scan(void)
{
    char key = 0;
    if(KEY_PORT != 0xFF)
    {
        delay_ms(10);
        if(KEY_PORT != 0xFF)
        {
            key = KEY_PORT;
        }
    }
    return key;
}

4.3 数字串输入与发送程序设计（A端）

在接收到有效按键后，程序根据按键类型进行处理：数字键加入输入缓冲区，"*"键删除字符，"#"键触发发送操作。

c 复制代码

void Send_String(char *buf, unsigned char len)
{
    unsigned char i;
    for(i = 0; i < len; i++)
    {
        UART_Send(buf[i]);
    }
}

4.4 串口接收程序设计（B端）

B端通过串口中断方式接收数据，将接收到的字符依次存入接收缓冲区，并根据结束标志判断数据接收完成。

c 复制代码

void UART_ISR(void) interrupt 4
{
    char dat;
    dat = SBUF;
    rx_buf[rx_cnt++] = dat;
    RI = 0;
}

4.5 数据校验程序设计

数据校验程序对接收到的数字串进行合法性判断，确保最后一位满足校验规则。

c 复制代码

bit Check_Data(char *buf, unsigned char len)
{
    unsigned char i, sum = 0;
    for(i = 0; i < len - 1; i++)
    {
        sum += buf[i] - '0';
    }
    if((sum % 10) == (buf[len - 1] - '0'))
        return 1;
    else
        return 0;
}

4.6 AT24C02存储与读取程序设计

存储模块通过I²C通信协议实现数据的写入与读取。程序中对存储地址进行统一管理，保证数据顺序存储。

c 复制代码

void EEPROM_Write(unsigned char addr, char dat)
{
    I2C_Start();
    I2C_Send(EEPROM_ADDR);
    I2C_Send(addr);
    I2C_Send(dat);
    I2C_Stop();
}

4.7 数据查看与清除程序设计

按键2触发数据读取程序，将存储在EEPROM中的数字串逐条读取并显示；按键3触发清除程序，将存储区域清零，实现数据重置。

5 系统总结

基于单片机的双机串口通信与数字串存储系统，通过合理的硬件模块设计和清晰的软件结构，实现了数字串的输入、通信、校验、显示及存储等完整功能。系统逻辑严谨、功能明确，充分体现了串口通信、数据校验和非易失性存储在嵌入式系统中的综合应用价值。该设计不仅具有较强的教学示范意义，也为实际工程中多机通信与数据管理提供了良好的设计参考。