1.8 串口通信实验

学习目标：理解 UART 串口通信原理，掌握波特率设置，实现单片机与上位机（虚拟终端）的收发通信。

实验原理

串口通信基础

UART（通用异步收发器）通过一根发送线（TXD）和一根接收线（RXD）按异步串行方式传输数据。51 单片机串口（UART）引脚：

• P3.0 / RXD：接收数据
• P3.1 / TXD：发送数据

单片机                 上位机
┌──────┐               ┌──────────┐
│ TXD  ├──────────────►│ RXD      │
│ RXD  ├───────────────│ TXD      │
│ GND  ├───────────────│ GND      │
└──────┘               └──────────┘
（需共地！）

数据帧格式

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

• 空闲时为高电平
• 起始位：1 位低电平（标志数据开始）
• 数据位：8 位（本实验）
• 停止位：1 位高电平（标志数据结束）

波特率

波特率 = 每秒传输的比特数（bps）。51 串口波特率由定时器 1 产生：

波特率 = (2^SMOD / 32) × 定时器1溢出率

常用配置：12MHz 晶振，定时器 1 方式 2 自动重装，波特率 4800 时初值 0xF3。

程序设计

串口初始化函数

/****************************************************
 * 串口初始化：方式1（8位UART），波特率4800
 * 使用定时器1方式2作为波特率发生器
 ****************************************************/
void uart_init(void)
{
    SCON = 0x50;    // 方式1：8位UART，REN=1（允许接收）
    TMOD &= 0x0F;   // 清定时器1模式位
    TMOD |= 0x20;   // 定时器1，方式2（8位自动重装）
    TH1 = 0xF3;     // 波特率 4800（12MHz）
    TL1 = 0xF3;
    TR1 = 1;        // 启动定时器1
    // ES = 1;      // （如需中断接收，打开串口中断）
    // EA = 1;      // 打开总中断
}

发送一个字节 / 字符串

// 发送一个字节
void send_byte(unsigned char dat)
{
    SBUF = dat;                 // 数据写入发送缓冲
    while (TI == 0);            // 等待发送完成
    TI = 0;                     // 清发送完成标志
}

// 发送字符串
void send_string(unsigned char *str)
{
    while (*str != '\0')
    {
        send_byte(*str++);
    }
}

主程序：发送 + 接收回显

/****************************************************
 * 实验名称：串口通信——发送字符串 + 接收回显
 ****************************************************/
#include <reg51.h>

void uart_init(void);
void send_byte(unsigned char dat);
void send_string(unsigned char *str);

// 串口中断接收服务函数
void uart_isr(void) interrupt 4
{
    unsigned char recv;
    if (RI)              // 接收完成标志
    {
        RI = 0;          // 清接收标志
        recv = SBUF;     // 读取接收数据
        send_byte(recv); // 回显（发回上位机）
    }
}

void main(void)
{
    uart_init();
    ES = 1;              // 使能串口中断
    EA = 1;              // 开总中断

    send_string("Hello, AIOTEER!\r\n");

    while (1)
    {
        // 主循环：中断接收处理
    }
}

Proteus 虚拟终端

Proteus 提供 VIRTUAL TERMINAL（虚拟终端） 元件，可模拟电脑串口助手：

1. 放置 VIRTUAL TERMINAL
2. 连接：RXD 接单片机 TXD，TXD 接单片机 RXD
3. 双击虚拟终端，设置波特率 4800、8 数据位、无校验、1 停止位
4. 运行仿真，即可看到单片机发送的字符串

AT89C51          VIRTUAL TERMINAL
┌──────┐          ┌────────────┐
│ TXD  ├──────────►│ RXD        │
│ RXD  ├───────────│ TXD        │
└──────┘          │ GND        │
                  └────────────┘
                  （波特率 4800）

关键知识点

知识点	说明
SCON	串口控制寄存器（SM0/SM1 选方式，REN 允许接收）
SBUF	发送/接收缓冲寄存器（物理上是两个）
TI	发送完成标志
RI	接收完成标志
波特率发生器	定时器 1 方式 2 常用作波特率发生器
共地	通信双方必须共地，否则电平参考不同

波特率与初值对照（12MHz）

波特率	TH1/TL1（方式2）	误差
2400	0xF3	0.16%
4800	0xF3（SMOD=1）	0.16%
9600	0xFD	0.16%

12MHz 下 9600 波特率有一定误差但可工作；11.0592MHz 晶振专为串口设计，可精确产生 9600/19200 等标准波特率。

常见问题

Q1：虚拟终端收不到数据？

• 检查波特率设置是否一致
• 检查 TXD/RXD 是否交叉连接
• 检查是否共地

Q2：收到乱码？

• 波特率不匹配（误差过大）
• 数据位/停止位设置不一致
• 建议改用 11.0592MHz 晶振

Q3：发送字符串不完整？

• 检查发送函数 TI 标志处理
• 检查字符串是否以 '\0' 结尾

实验任务

1. 单片机发送字符串"Hello"到虚拟终端
2. 实现接收回显（收到什么发回什么）
3. 扩展：用 Proteus 虚拟终端 + 串口控制 LED（收到 '1' 点亮，'0' 熄灭）

考核点 / 验收标准

考核项	验收标准	分值
串口初始化	SCON/TMOD/TH1 等配置正确，波特率准确	30
数据发送	能发送字符串到虚拟终端	25
数据接收	能接收并回显数据	25
协议理解	能说明数据帧格式与波特率含义	20

实操要求：现场演示串口收发，收到 '1' 点亮 LED、'0' 熄灭。