微机串口通信在实验仪器中的运用

摘要：阐述通过微型电脑单片机串口与计算机串口通信的方式，实现计算机对实验仪器的控制和数据采集的方法，以具体实验数据为例，详细说明单片机串口通信的设计和实现过程，并做详细分析。

关键词：单片机；串口通信；设计；实验仪器

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)18-31498-02

The Microcomputer String Mouth Correspondence is Testing Theinstrument――Practice Discussion

ZENG Ling-qi

(Chengdu Railroad Police Station,Chengdu 610081)

Abstract:The elaboration through the miniature computer monolithicintegrated circuit string mouth and the computer string mouthcorrespondence way, realizes the computer to test the instrument thecontrol and the data acquisition method, take the concrete empiricaldatum as the example, the specify monolithic integrated circuit stringmouth correspondence design and the realization process, and make themultianalysis.

Key words:The monolithic integrated circuit;the string mouthcorrespondence;the design;tests the instrument

1 引言

由于其可编程、易扩展、成本低和体积小等优点，单片机早已被广泛应用于工业控制自动化中，越来越多的物理试验仪器中也使用了单片机进行自动控制，例如实现按键控制、数码管和液晶屏幕的显示、数据采集与模/数转换等等，这样大大方便了学生操作试验仪器。不过有些实验，如“光电效应测普郎克常量”、“夫兰克―赫兹实验”、“散热片的温度特性研究”等，需要读取大量的数据并从中找出这些数据间的相互关系，使得学生在上课时要花大量的时间去读数据，而不是进行逻辑推理和分析，如果能够用微机代替人工进行快速精准的数据采集，并通过计算机软件设计进行复杂的数据分析和处理，无疑对物理实验课是非常好的改进。

2 常用MCS-51芯片的结构与最小系统的硬件实现

以ATMEL公司的AT89S52为例进行说明，AT89S52芯片含有8K的 Flash型的内部 ROM 和 256B的内部 RAM ，对于不太复杂的开发场合，无需扩展外部 ROM，而且可在线编程，有利于进行开发调试，具体可参考读芯片的相关资料[1]。其内部结构如图1所示。

图1 单片机内部结构

图中，外部定时元件通常使用晶体振荡器；复位电路通常设计成上电复位形式或者按键复位形式，以便 CPU及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并开始工作；电源一般使用+5V。程序下载到 ROM 中运行。这样一个单片机的最小系统就实现了，可以通过其他引脚的硬件扩展，并进行软件编程就能响应外部中断、实现定时和外部脉冲计数、进行串并口I/O操作等。

图2是单片机的最小系统的硬件电路实现，其中复位采用上电复位方式，时钟电路采用外节晶体震荡器方式。另外，引脚 EA/VPP为低时访问外部ROM，为高时地址 0000H―0FFFH空间访问ROM，地址1000H-FFFFH空间访问外部ROM，因此这里应该按高，这一点往往是容易忽略的地方[2]。

图2 单片机最小硬件系统

3 串口通信的硬件实现

单片机的4个引脚多数都有第二功能，串口就是P3口的第二功能，其中，P3.0 是串口接收引脚，P3.1 是串图 2 单片机最小硬件系统口发送引脚。在一些实时性要求不太高的场合，将单片机的串口做输出扩展，与设备进行数据交换和控制也是一种常用的方法，但更常见在与计算机和其他单片机的通信中，而且硬件电路设计简单，易于开发。图3是单片机串口与计算机的 RS-232C 串口进行通信的一种常用电路连接方法[3]。

图3 单片机串口通信接口电路

进行串口收发时，理论上只需要把计算机串口的接收、发送引脚与单片机的接收引脚 (RXD）和发送引脚（TXD）相连接即可，就像单片机之间的串口通信一样，但是考虑到两者的信号电平标准不同，单片机中的信号使用 TTL 电平，即 >=2.4V 表示“ 1 ”，

硬件电路设计好后，可以通过一些串口调试软件进行测试，查看是否能够正确的收发信息。在计算机方面有很多现成的应用程序，也可以用 VC++ 或 VB 等开发相应的软件，这里不详细讨论，接下来谈一谈单片机方面的软件开发。

4 串口通信的软件实现

8051系列单片机进行串口通信时，发送数据由 TXD 引脚送出，接收数据由 RXD 引脚输入。有两个缓冲器 SUBF，一个作发送缓冲器，一个作接收缓冲器，软件设计中可以用两种方式获知单片机发送或者接收了信息。一种是查询方式，程序反复查询发送标志和接收标志是否被硬件置位，若置位说明进行了发送和接收。用这种方式的缺点是 CPU 一直等待串口收发而不能及时响应和处理其他事件。另一种是中断方式，开启串口允许中断，每次单片机从串口收到或者发出信息，均会产生中断，转入中断服务程序进行相应的处理。

串口通信中“波特率”这个概念非常重要，所谓“波特率”也就是“比特率”，描述串口通信的速度，每秒发送或接收数据的二进制位数。在计算机与单片机通信时，双方的波特率必须相同，才能保证发送与接收的同步，进而获得完整的信息。

单片机进行串口通信时有 4 种工作方式，均与波特率的设定有关，波特率的计算也有相应的公式。另外不同的工作方式下通过串口进行异步传输的帧格式也不同。串口通信的收和发分别设置了一个中断标志住，若以中断方式进行串口通信，当发生收/发中断时，对应标志位被硬件置 1 ，可在程序中判断发生的串口通信中断是接收还是发送（因为单片机串口接收中断和发送中断只对应了一个中断向量入口地址）。中断标志位需要用户程序复0，通常在中断服务程序中执行。以上各项设置需要访问两个特殊功能寄存器 SCON（电源控制寄存器）和PCON （电源控制寄存器）[5] 。

5 实验仪器的改造

让我们看一下光电效应测普朗克常量这个实验。在图4 中，一定波长的光照射光电管的阴极K ，电子溢出向阳极A运动，在两极间加反向电压阻止电子向阳极运动，当检测到电流表读数为零时所加载的反向电压叫做截止电压队，对于不同的光照频率 ，有US=h/e(?酌-?酌0 )，其中 h为普朗克常量， e为电子电量，?酌0 为金属阴极 K 的红眼频率，只要找出 ?酌和 US 的线性关系，就可以计算 h 的大小。实验对每一种频率的光都需要改变电压采集电流值，描绘光电管图 4 光电效应原理图的伏安特性曲线，该曲线与电压轴的交点就是截止电压 U0 。

实验仪器的硬件原理框图可以参考图 5 的设计，通过按钮设置电压值，然后读取电流值，送显示屏显示并通过串口传递给计算机进一步处理。

参考文献：

[1]Atmel.DATA HANDBOOK AT89552- based 8―bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable Flash,2001.

[2]胡汉才.单片机原理及系统设计[J].清华大学出版版社,2002.

[3]吴金成. 8051单片机实践与与应用[J].清华大学出版社,2002.

[4]axim.DATA HANDBOOK，Max232―based +5VPowered .Multichannel RS-232 Drivers/Recervers,2001.

[5]李华.MCS―5 系列单片机原理及系统设计[J].清华大学出版社,1997.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。

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