单片机串口通信设计方案

单片机串口通信设计方案

1.绪论

1.1课题背景及意义

目前，单片机的发展速度大约每两、三年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻一番。其发展速度之快、应用围之广已达到了惊人的地步，它已渗透到生产和生活的各个领域，应用非常广泛。在汽车、通信、智能仪表、家用电器和军事设备的智能化以及实时过程控制等方面，单片机都扮演着非常重要的角色[1]。因此单片机的设计开发具有广阔的前景。所以，对于电气类学生而言，学习一种单片机的开发是十分必要的。而51系列的单片机，随着半导体技术的发展，其处理速度更快，性能更优越，在工业控制领域上占据十分重要的地位，通过对51系列单片机的学习而掌握单片机开发的过程是一种不错的选择。

然而单片机是一门综合性、实践性都很强的学科，其学习涉及的实验环节比较多，硬件设备投入比较大，对于大多数人而言很难投入大笔资金去购买实验器件。而且要进行硬件电路测试和调试，必须在电路板制作完成、元器件焊接完毕之后进行，但这些工作费时费力。因此引入EDA软件仿真系统建立虚拟实验平台，不仅可以大大提高单片机的学习效率，而且大大减少硬件设备的资金投入，同时降低对硬件设备的维护工作。

EDA设计思路是：从元器件的选取到连接、直至电路的调试、分析和软件的编译，都是在计算机中完成，所用的工作都是虚拟的。虽然现在的电路设计软件已经很多，诸如PROTEL、ORCAD、EWB 、Multisim等，不过这些软件之间的差别都不大：都有原理图和PCB制作功能，都能进行诸如频率响应，噪音分析等电路分析，主要用于模拟电路、数字电路、模数混合电路的性能仿真与分析，但对于单片机设计及软件编程，最重要的是两者的联调，这些软件都无法实现，所以造成了单片机系统设计周期长、设计费用高等缺点[2]。新款的EDA软件Proteus解决了上述软件的不足，成为目前最好的一款单片机学习仿真软件。

Proteus 软件是由英国Lab Center Electronics 公司开发的EDA 工具软件。Proteus软件已有近20年的历史，在全球已得到相当广泛的使用。Proteus 软件集成了高级原理布图、混合模式SPICE 电路仿真、PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。Proteus与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。同时，当硬件调试成功后，利用Proteus ARES软件，很容易获得其PCB图，为今后的系统制造提供了方便。对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象[3][4]。

Proteus 软件支持许多通用的微控制器，如PCI系列、AVR系列、HC11系列、68000系列、Z80系列、8051系列以及各种外围芯片；包含强大的调试工具，具有对寄存器和存储器，断点和单步模式IAR、C-SPY、Keil、MALAB等开发工具的源程序进行调试的功能；能够观察代码在仿真硬件上的实时运行效果、对显示、按钮、键盘等外设的交互可视化进行仿真；具有6000 多种模拟和数字器件的模型库；具有单步断点设置等调试功能；能够与常用的汇编器、编译器如IAR、Keil、Proton 等协同调试；有直流电流表/电压表、交流电压表/电流表、示波器逻辑分析仪、计数/按时/频率计虚拟终端、SPI 调试器等虚拟仪器，以仿真中的测量记录提供了方便；支持图形化的分析功能，具有频率特性、傅立叶、失真、噪声分析等多种绘图方式、可将仿真曲线精美地绘制出来[3]。

Keil是Keil Software公司开发的，是目前世界上最好的51单片机开发工具之一。软件本身支持数百种51系列单片机机芯，可以用来编译C源码、汇编程序、连接和重定位目标文件和库文件、创建HEX文件、调试目标程序等，是一种集成化文件管理编译环境。它集成了文件编译处理、编译连接、项目管理，窗口、工具引用和软件仿真调试等多种功能，是相当强大的的开发工具[5]。Proteus ISIS与Keil整合起来使用，充分利用各自的仿真功能，单片机的软硬件的调试和仿真，将变得非常直观和生动。

国外的很多知名大学已经开始使Proteus作为他们的教学工具，比如Stanford University，University Of California，Cambridge University，Carlisle college，理工大学，大学，华南理工大学，工程大学等几十所高校。他们一致认为该软件在教学中的应用有很大的帮助，其灵活自主的设计方式使学生更能体验到电子设计的魅力，学生对单片机以及电子设计的兴趣大大提升，知识的掌握和应用当然也有了很大的提高。

虽然Proteus在单片机的学习和应用系统的开发上有着诸多的优点，但是在国的发展才几年的时间，其应用还未普及。因此，通过Proteus仿真平台学习51系列单片机之间的串口通信，是对EDA软件Proteus的使用过程的学习，也为以后利用该软件进行电子设计与开发打下一定的基础，以跟上现代科技的快车去适应激烈竞争的环境。

串行通信是CPU与外界交换信息的一种基本方式，单片机应用于数据采集或工业控制时，往往作为前端机安装在工业现场，远离主机，现场数据采用串行通信方式发送给主机并进行处理，以降低成本，提高通信的可靠性。51系列单片机自身有全双工的异步串行通信接口，实现串行通信极为方便。既可通过一台计算机来控制和监视多台单片机系统,也可实现多台单片机之间的互联,组成不同的控制系统,适应不同的应用场合[6]。实现单片机之间的串口通信所涉及单片机的知识点多，概括了单片机的定时器/计数器功能、中断功能和串行通信功能等，是单片机功能的综合应用。通过Proteus对单片机串行通信的仿真和调试，不仅是对51单片机知识的综合学习，也是熟悉Proteus软件的应用过程。

1.2设计的主要任务

本论文要求在理解串行通信基本知识、学习并掌握51单片机的结构组成、指令系统、C语言程序设计、熟悉Keil软件的编程与调试环境以及掌握Proteus仿真软件的使用环境、元器件调用、虚拟仪器应用、原理图设计、仿真调试的基础上，完成以下4项任务：

1、总结单片机串口通信的基本知识和设计要求，对单片机串口通信的各种控制方案进行比较，选择一个合适的控制方案；

2、根据课题的设计要求，在Proteus仿真环境中设计单片机串口通信硬件电路；

3、在Keil环境中编制串口通信控制程序，并进行编译调试；

4、在Proteus仿真环境中调用硬件电路，加载控制程序，并进仿真调试。

1.3论文的主要容

在本论文中，设计的主要容有五个方面：一是串行通信控制系统方案的选择；二是系统硬件电路的设计；三是系统软件设计；四是系统软件设计；五是系统仿真与调试；六是系统硬件PCB设计。具体章节安排如下：

1、绪论在课题的背景及意义中介绍单片机发展现状、单片机EDA软件Proteus 的优势、Keil集成开发环境软件简介以及单片机通信的描述；此外，还简单的说明介绍了本文设计的主要任务以及论文的主要容。

2、系统方案设计主要论述通信的基本知识和系统的方案选择。系统的方案选择主要包括控制器的选择、串行通信方式比较与方案选择、显示方案比较与选择、编写程序语言比较和选择、串行控制方案确定以及系统框图绘制。

3、系统硬件设计根据控制系统方案在Proteus ISIS原理图编辑环境中绘制系统硬件电路，主要包括原理图文件的创建、图纸大小的设置、原理图中元器件的选取、元器件的放置、电源、地、和输入输出终端的放置、原理图连线、器件统一编号、电气检测以及元器件属性设置等容。

4、系统软件设计主要介绍了在Keil集成开发环境中进行C51语言的编写过程、控制系统程序的编写以及程序流程图绘制。

5、系统仿真与调试完成控制系统在Proteus ISIS环境中的仿真与调试，主要是根据仿真结果验证硬件原理图以及软件编写的是否正确。

6、系统硬件PCB设计完成串行通信单片机最小系统原理图设计与PCB绘制。

通过以上六个方面的阐述说明，将会对单片机串行通信控制系统基于Proteus

的设计、开发与仿真过程以及电路板制作有一个清晰全面的认识。