一文读懂单片机的串口

波特率：表示每秒传输的位数，是串口通信中最重要的参数之一。例如，9600波特率意味着每秒传输9600位数据。
数据位：表示一个数据包中实际数据位的数量，通常为8位。
停止位：用于表示数据包的结束，通常为1位。
奇偶校验：用于检测数据传输过程中的错误，可以是奇校验、偶校验或无校验。

单片机串口的硬件连接

单片机的串口通信通常需要两根通信线：TXD（Transmit Data，发送数据）和RXD（Receive Data，接收数据）。这两根线需要交叉连接，即一个设备的TXD连接到另一个设备的RXD，反之亦然。当电平标准不一致时，需要加电平转换芯片。

单片机串口的工作原理

数据发送过程

数据准备：单片机将并行数据转换为串行数据。
起始位发送：发送一个起始位（通常为低电平）。
数据位发送：逐位发送数据位，从最低位开始。
停止位发送：发送一个停止位（通常为高电平），表示数据包结束。

数据接收过程

检测起始位：接收器检测到起始位后开始接收数据。
接收数据位：逐位接收数据位，并将其存储在缓冲区中。
检测停止位：当接收到停止位后，表示数据包结束。

单片机串口的编程实现

以51单片机为例

51单片机内部自带UART模块，可以实现串口通信。以下是实现串口通信的基本步骤和代码示例：

硬件连接

将51单片机的TXD引脚（P3.1）连接到外部设备的RXD引脚。
将51单片机的RXD引脚（P3.0）连接到外部设备的TXD引脚。

初始化串口

#include <reg51.h>

void Serial_Init() {
    TMOD = 0x20; // 定时器1工作在8位自动重装载模式
    TH1 = 0xFD;  // 设置波特率为9600
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;     // 启动定时器1
    SCON = 0x50; // 设置串口为模式1，允许接收
    PCON = 0x00; // 波特率不加倍
    EA = 1;      // 允许全局中断
    ES = 1;      // 允许串口中断
}

发送数据

void Serial_SendByte(unsigned char byte) {
    SBUF = byte; // 将数据放入发送缓冲区
    while (!TI); // 等待发送完成
    TI = 0;      // 清除发送中断标志
}

接收数据

unsigned char Serial_ReceiveByte(void) {
    while (!RI); // 等待接收完成
    RI = 0;      // 清除接收中断标志
    return SBUF; // 返回接收到的数据
}

串口中断服务函数

void Serial_ISR(void) interrupt 4 {
    if (RI) {
        RI = 0; // 清除接收中断标志
        // 处理接收到的数据
    }
    if (TI) {
        TI = 0; // 清除发送中断标志
        // 发送完成后的处理
    }
}

代码示例

以下是一个完整的示例，展示如何在51单片机上实现串口通信：

#include <reg51.h>

void Serial_Init() {
    TMOD = 0x20; // 定时器1工作在8位自动重装载模式
    TH1 = 0xFD;  // 设置波特率为9600
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;     // 启动定时器1
    SCON = 0x50; // 设置串口为模式1，允许接收
    PCON = 0x00; // 波特率不加倍
    EA = 1;      // 允许全局中断
    ES = 1;      // 允许串口中断
}

void Serial_SendByte(unsigned char byte) {
    SBUF = byte; // 将数据放入发送缓冲区
    while (!TI); // 等待发送完成
    TI = 0;      // 清除发送中断标志
}

unsigned char Serial_ReceiveByte(void) {
    while (!RI); // 等待接收完成
    RI = 0;      // 清除接收中断标志
    return SBUF; // 返回接收到的数据
}

void Serial_ISR(void) interrupt 4 {
    if (RI) {
        RI = 0; // 清除接收中断标志
        // 处理接收到的数据
    }
    if (TI) {
        TI = 0; // 清除发送中断标志
        // 发送完成后的处理
    }
}

void main() {
    Serial_Init(); // 初始化串口
    while (1) {
        unsigned char data = Serial_ReceiveByte(); // 接收数据
        Serial_SendByte(data); // 发送接收到的数据
    }
}

单片机串口的应用实例

单片机与PC通信

单片机可以通过串口与PC进行通信，实现数据的发送和接收。例如，单片机可以将采集到的传感器数据通过串口发送到PC，PC端使用串口调试助手或自定义程序接收并显示这些数据。

单片机之间的通信

多个单片机之间也可以通过串口进行通信，实现数据的交换和协同工作。例如，在智能家居系统中，多个单片机可以分别控制不同的设备，通过串口通信实现设备之间的协调。

单片机与模块通信

单片机还可以与各种模块（如蓝牙模块、Wi-Fi模块等）进行串口通信，实现无线通信功能。例如，单片机通过串口与蓝牙模块通信，可以实现数据的无线传输。

单片机串口的优化与调试

优化技巧

合理设置波特率：根据通信距离和数据传输要求选择合适的波特率，以保证数据传输的可靠性和速度。
使用中断方式：尽量使用中断方式处理串口通信，以提高系统的响应速度和实时性。
增加缓冲区：在软件中增加缓冲区，可以避免数据丢失和溢出。

调试方法

使用串口调试助手：在PC端使用串口调试助手可以方便地发送和接收数据，观察数据传输情况。
打印调试信息：在串口通信程序中打印调试信息，可以检查数据的发送和接收状态。
使用示波器：使用示波器观察串口通信的波形，可以检查信号的时序和电平是否正确。

总结

单片机串口通信是一种简单而有效的数据传输方式，在嵌入式系统中有着广泛的应用。通过理解串口通信的基本概念、工作原理和编程实现方法，我们可以更好地利用串口通信来实现单片机与外部设备的数据交换。在实际应用中，还需要根据具体的需求和场景，合理配置串口参数，优化程序设计，并进行充分的调试和测试，以确保串口通信的可靠性和稳定性。