51 单片机-串口通信

0. 时钟基础

时钟是串口通信的基石。51 单片机（如 STC89C51）内部所有时序逻辑，包括 CPU 取指、定时器计数、波特率生成等，都依赖统一的时钟信号驱动。理解时钟的来龙去脉，是正确配置串口的前提。

0.1 晶振与时钟周期

单片机通常外接石英晶振产生稳定的振荡信号，作为系统时钟源。以 STC89C51 为例，常见晶振频率为 11.0592 MHz。之所以常选用 11.0592 MHz，是因为该频率可以精确分频出 2400、4800、9600、115200 等常用串口波特率，从而减少通信误码。

由晶振频率可以推导出几个关键时间参数：

时钟周期：晶振频率的倒数，即 1 / fosc。11.0592 MHz 晶振对应的时钟周期约为 0.09 微秒。
机器周期：51 单片机中 12 个时钟周期构成 1 个机器周期，即 12 / fosc。11.0592 MHz 下约为 1.085 微秒。
指令周期：执行一条指令所需的时间，通常为 1 到 4 个机器周期。

0.2 定时器与波特率的关系

串口波特率由定时器 1 作为波特率发生器产生。定时器 1 以机器周期为基准进行计数，当计数溢出时产生一次中断或触发重装载，从而形成稳定的波特率时钟。因此，晶振频率直接决定了定时器初值的计算。

在方式 1（8 位数据位，无奇偶校验位）且波特率不加倍（SMOD = 0）时，波特率计算公式为：

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波特率 = (2^SMOD / 32) × (定时器1溢出率)
定时器1溢出率 = fosc / (12 × (256 - TH1))

将 fosc = 11.0592 MHz、SMOD = 0、目标波特率 2400 代入，可解得 TH1 = 0xF4，这正是示例代码中初值的由来。

1. 串口通信概述

串口通信（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，串行异步收发器）是单片机与单片机之间、或单片机与其余主控之间进行通信的常用方式。它通过一根数据线逐位传输数据，实现设备之间的信息交换。

2. 引脚接线

UART 通信至少需要连接 3 根线：

RXD：接收数据线。
TXD：发送数据线。
GND：通信双方一定要共地。因为传输的是电压信号，电压信号是差值，所以基准电压 GND 一定要保持一致。

常见接线方式包括点对点通信，以及单片机与 PC 机之间的通信。

3. 传输特性

3.1 波特率

波特率是串口传输数据的速率，单位为 bps（bit per second），即每秒发送的比特数。常见波特率有 2400、4800、9600、115200 等。

3.2 串行

串口将数据按照字节逐位发送，先发 LSB（最低位）再发 MSB（最高位）。

3.3 异步

通信双方使用不同的时钟源来统一设置传输的波特率。虽然波特率一致，但时钟源会有不同的偏差，容易造成串口通信误码。

3.4 全双工

串口有 TX 和 RX 两根线实现数据收发，因此收发能够同时进行。

4. 串口通信时序

串口发送一个字节的时序为：1 位起始位 + 8 位数据位 + 1 位奇偶校验位（可省略）+ 1 位停止位。

起始位：1 位，低电平，标志数据传输开始。
数据位：通常为 8 位。
校验位：可选，用于简单的错误检测。
停止位：1 位或 2 位，高电平，标志一帧数据结束。

收发双方必须约定相同的帧格式，否则无法正确解析数据。

5. 串口使用流程

5.1 串口发送流程

设置串口工作模式为模式 1（8 位数据位，无奇偶校验位）。
设置波特率是否加倍（SMOD 为 0 不加倍，SMOD 为 1 加倍）。
根据公式设置波特率。
设置定时器 1 相关功能：将定时器 1 设置为 8 位自动重装载；将定时器 TH1 设置初值（根据公式换算）；开启定时器 1。
发送数据。
关注 TI（数据发送完 1 个字节），需要手动清除标志位。

5.2 串口接收流程

设置串口工作模式为模式 1（8 位数据位，无奇偶校验位）。
设置串口使能接收开关。
设置波特率是否加倍（SMOD 为 0 不加倍，SMOD 为 1 加倍）。
根据公式设置波特率。
设置定时器 1 相关功能：将定时器 1 设置为 8 位自动重装载；将定时器 TH1 设置初值（根据公式换算）；开启定时器 1。
编写中断处理函数。
开启中断开关。
等待中断到来。

6. 实践示例：51 单片机串口发送

下面以 STC89C51 芯片（11.0592 MHz 晶振）为例，演示如何初始化串口并循环发送字符串。该实验使用定时器 1 作为波特率发生器，波特率设置为 2400。

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#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

void Delay1000ms(void)	//@11.0592MHz
{
	unsigned char data i, j, k;

	_nop_();
	i = 8;
	j = 1;
	k = 243;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}

void UartInit(void)
{
	//设置串口为方式1
	SCON &= ~(0x3 << 6);
	SCON |= (0x1 << 6);
	
	//允许接收
	REN = 0;
	
	//波特率不加倍
	PCON &= ~(0x1 << 7);
	
	//定时器1设置为8位自动重装载模式
	TMOD &= ~(0x3 << 4);
	TMOD |= 0x1 << 5;
	
	//根据波特率2400配置TH1初值0xF4
	TH1 = 0xF4;
	
	//开启定时器
	TR1 = 1;
	
	return;
}

void UartSendByte(unsigned char TmpByte)
{
	SBUF = TmpByte;
	
	while (0 == TI);
	TI = 0;
	
	return;
}

void UartSendString(char *pstr)
{
	while (*pstr != '\0')
	{
		UartSendByte(*pstr);
		pstr++;
	}
	
	return;
}

int main(void)
{
	//初始化串口波特率为2400
	UartInit();
	
	while (1)
	{
		UartSendString("hello world");
		Delay1000ms();
	}
	
	return 0;
}

该实验的关键在于：波特率由定时器 1 的初值决定。在 11.0592 MHz 晶振下，将 TH1 配置为 0xF4，即可得到 2400 波特率。主循环中每隔 1 秒通过串口发送一次 "hello world"。

6.1 实践示例：51 单片机串口接收与命令控制

下面以 STC89C51 芯片（11.0592 MHz 晶振）为例，演示如何通过串口接收上位机发送的命令，并控制 LED、蜂鸣器和继电器。该实验使用定时器 1 作为波特率发生器，波特率设置为 2400，同时开启串口接收中断。

c 复制代码

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#include <string.h>

sbit Buzzer = P2^1;
sbit Relay = P2^7;

unsigned char Duty = 0;
unsigned char ReloadTH0 = 0;
unsigned char ReloadTL0 = 0;

volatile unsigned char RecvBuff[20] = {0};
volatile unsigned char RecvLen = 0;
volatile unsigned char IsCommandLine = 0;

//串口接收中断处理函数
void UartHandler(void) interrupt 4
{
	if (RI)
	{
		RecvBuff[RecvLen] = SBUF;
		RI = 0;
		RecvLen++;
		if ('\n' == RecvBuff[RecvLen-1])
		{
			IsCommandLine = 1;
		}
	}
	return;
}

void Delay1000ms(void)	//@11.0592MHz
{
	unsigned char data i, j, k;

	_nop_();
	i = 8;
	j = 1;
	k = 243;
	do
	{
		do
		{
			while (--k);
		} while (--j);
	} while (--i);
}

void UartInit(void)
{
	//设置串口为方式1
	SCON &= ~(0x3 << 6);
	SCON |= (0x1 << 6);
	
	//允许接收
	REN = 1;
	
	//波特率不加倍
	PCON &= ~(0x1 << 7);
	
	//定时器1设置为8位自动重装载模式
	TMOD &= ~(0x3 << 4);
	TMOD |= 0x1 << 5;
	
	//根据波特率2400配置TH1初值0xF4
	TH1 = 0xF4;
	
	//开启定时器
	TR1 = 1;
	
	//开启中断
	ES = 1;
	EA = 1;
	
	return;
}

void UartSendByte(unsigned char TmpByte)
{
	SBUF = TmpByte;
	
	while (0 == TI);
	TI = 0;
	
	return;
}

void UartSendString(char *pstr)
{
	while (*pstr != '\0')
	{
		UartSendByte(*pstr);
		pstr++;
	}
	
	return;
}

void Timer0Handler(void) interrupt 1
{
	static unsigned char curcnt = 0;
	
	TH0 = ReloadTH0;
	TL0 = ReloadTL0;
	
	curcnt += 10;
	if (curcnt >= 100)
	{
		curcnt = 0;
	}
	
	if (curcnt > Duty)
	{
		Buzzer = 0;
	}
	else
	{
		Buzzer = 1;
	}
	
	return;
}

void SetPwmFreq(unsigned long freq, unsigned char TmpDuty)
{
	unsigned long value = 0;
	
	value = 65536UL - ((1000000UL / freq) / 10UL / 1UL);
	ReloadTH0 = value / 256;
	ReloadTL0 = value % 256;
	TH0 = ReloadTH0;
	TL0 = ReloadTL0;
	
	Buzzer = 1;
	Duty = TmpDuty;
	
	return;
}

void Timer0Init(void)
{
	TMOD &= ~0x3;
	TMOD |= 0x1;
	
	SetPwmFreq(1000, 50);
	
	ET0 = 1;
	EA = 1;
	
	return;
}

int main(void)
{
	//初始化串口波特率为2400
	UartInit();
	Timer0Init();
	
	while (1)
	{
		if (!IsCommandLine)
		{
			continue;
		}
		
		if (0 == strcmp(RecvBuff, "LEDON\r\n"))
		{
			P2 = 0x00;
		}
		else if (0 == strcmp(RecvBuff, "LEDOFF\r\n"))
		{
			P2 = 0xFF;
		}
		else if (0 == strcmp(RecvBuff, "BEEPON\r\n"))
		{
			TR0 = 1;
		}
		else if (0 == strcmp(RecvBuff, "BEEPOFF\r\n"))
		{
			TR0 = 0;
		}
		else if (0 == strcmp(RecvBuff, "RELAYON\r\n"))
		{
			Relay = 0;
		}
		else if (0 == strcmp(RecvBuff, "RELAYOFF\r\n"))
		{
			Relay = 1;
		}
		
		UartSendString("ok\r\n");
		
		memset(RecvBuff, 0, sizeof(RecvBuff));
		RecvLen = 0;
		IsCommandLine = 0;
	}
	
	return 0;
}

该实验的关键在于：串口接收采用中断方式 。当上位机发送一帧以 \r\n 结尾的命令时，中断服务函数逐字节存入缓冲区，并在收到换行符后置位 IsCommandLine 标志。主循环检测到该标志后，通过 strcmp 匹配命令并执行对应操作，最后回发 ok 确认。

常用命令如下：

LEDON：点亮 LED（P2 口输出低电平）。
LEDOFF：熄灭 LED（P2 口输出高电平）。
BEEPON：开启蜂鸣器（启动定时器 0 产生 PWM）。
BEEPOFF：关闭蜂鸣器（停止定时器 0）。
RELAYON：吸合继电器（Relay 输出低电平）。
RELAYOFF：断开继电器（Relay 输出高电平）。

7. 常见问题与排查

乱码：通常是波特率不匹配或时钟配置错误，检查双方波特率是否一致。
无数据：检查时钟是否使能、引脚复用是否正确、电平是否匹配。
偶发误码：可能是时钟误差偏大或信号干扰，尝试降低波特率或使用屏蔽线。
高速通信不稳定：检查过采样配置和时钟精度，必要时使用外部高精度晶振。

8. 总结

串口通信看似简单，但背后离不开时钟系统的支撑。从波特率的生成、数据位的采样，到收发双方的同步，时钟贯穿始终。理解时钟与串口的关系，不仅能帮助我们正确配置硬件，还能在遇到通信异常时快速定位问题。