計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的串口通訊程序設(shè)計(jì)研究

于洋

(撫順市第一中等職業(yè)技術(shù)專業(yè)學(xué)校,遼寧撫順,113001)

1 器件及原理分析

1.1 器件

（1）溫度傳感器。溫度傳感器為美國DALLAS公司設(shè)計(jì)研制的DS1820芯片，芯片具有加強(qiáng)的集成性，能在一根信號(hào)線上集成址線、數(shù)據(jù)線與控制線，并能在信號(hào)線上連接多個(gè)器件；（2）單片機(jī)。單片機(jī)也叫微控制器，在芯片上集成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由于單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中體積小，質(zhì)量輕，且價(jià)格便宜得到廣泛運(yùn)用。單片機(jī)屬于在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在具體應(yīng)用中具有較強(qiáng)的抗干擾性能。

1.2 原理

DS18B20在工作運(yùn)行過程中需按照一定工作原理完成相關(guān)操作。低溫度系數(shù)振蕩器會(huì)隨振蕩頻率的變化而變化，計(jì)數(shù)脈沖可以為計(jì)數(shù)器1提供，確保計(jì)數(shù)脈沖的穩(wěn)定性。對(duì)于高溫度系數(shù)振蕩器而言，對(duì)溫度比較敏感，計(jì)數(shù)脈沖會(huì)提供給計(jì)數(shù)器2。溫度寄存器的初始溫度需設(shè)置為-55℃，對(duì)計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行調(diào)節(jié)，從1到0時(shí)溫度也會(huì)發(fā)生變化，一般會(huì)增加1℃，重復(fù)進(jìn)行這個(gè)過程，停止時(shí)需要確保計(jì)算器2計(jì)數(shù)到0。

在溫度的變化下，提供的預(yù)置數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。溫度寄存器寄存值增加1℃計(jì)數(shù)器需要的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為計(jì)數(shù)器1的預(yù)制數(shù)。計(jì)數(shù)器1中的剩余值需要在計(jì)數(shù)器2停止后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后與0.25℃進(jìn)行比較，溫度寄存器的最低位與最高位設(shè)置，要以0.25℃為分解，低于該值與高于該值需分別設(shè)置為0與1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。被控對(duì)象實(shí)時(shí)溫度是由溫度傳感器DS18B20采集完成的，數(shù)據(jù)輸入利用AT89C2051的P3.2口完成操作。所處室溫為被控對(duì)象。DS18B20屬于小體積封裝形式，為3引腳TO-92小體積形式。同時(shí)要明確相關(guān)參數(shù)，具體見表1。在3根或者2根線上并聯(lián)DS18B20，為與眾多DS18B20進(jìn)行通信，可以使用一根端口連接CPU，不會(huì)占用太多微處理端。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

表1 參數(shù)要求

2.1.1 單片機(jī)

單片機(jī)的初始化操作為復(fù)位，要先完成復(fù)位然后才能啟動(dòng)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)行，需確保CPU與系統(tǒng)能處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)開始運(yùn)行。但單片機(jī)自身不會(huì)完成復(fù)位，要通過外部電路實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)操作。單片機(jī)所使用的系列為,MCS-15，當(dāng)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平出現(xiàn)在復(fù)位引腳RST上時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。單片機(jī)的復(fù)位狀態(tài)需以RST為基準(zhǔn)，當(dāng)七寶池為高電平時(shí)，編能確保單片機(jī)保持復(fù)位的循環(huán)狀態(tài)。上電復(fù)位與下電復(fù)位是復(fù)位操作的兩種基本方式，電源接通后上電復(fù)位能進(jìn)行自動(dòng)操作，所以上電復(fù)位比較常見。

2.1.2 顯示電路

顯示期間使用的為LED，各種字符顯示是通過二極管導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)的，常見的顯示器為七段LED顯示器。發(fā)光二極管的陽極全部連在一起，這種方法為共陽接法，高電平是由公共端COMM連接的，字段點(diǎn)的字段陰極連接低電平時(shí)就會(huì)被點(diǎn)亮；全部陰極連在一起為共陰接法，低電平被連接在公共端COMM上，字段的陽極與高電平連接時(shí)會(huì)點(diǎn)亮該字段。

2.1.3 串行通信

計(jì)算機(jī)上常用的通信協(xié)議為串口，串口可以對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，發(fā)送與接收字節(jié)是通過串口按位（bit）實(shí)現(xiàn)的，接收數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)需分別使用兩根線。串口所使用的芯片為RS232標(biāo)準(zhǔn)芯片，在計(jì)算機(jī)端的串口RS232電平為-10V +10V。串行通信需使用地線、發(fā)送與接收3根線完成，對(duì)于兩個(gè)通訊端口的連接，需關(guān)注表2的幾個(gè)要點(diǎn)。

表2 參數(shù)及要點(diǎn)

2.1.4 振蕩電路

振蕩電路在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中十分重要。按照廠家給出的參數(shù)確定振蕩電路，如果在實(shí)際運(yùn)行中難以正常工作，無需進(jìn)行修改。對(duì)于PIC系列的單片機(jī)，依然根據(jù)Microchip的不同而需要合理確定，汽車級(jí)溫度當(dāng)工作電壓的直流電壓為2.5～5.5V時(shí)，要將溫度控制為-40～125℃之間，振蕩電路的性能會(huì)受到實(shí)際參數(shù)的影響，影響元素有溫度與低電壓等。在設(shè)計(jì)PIC系列單片機(jī)時(shí)，需重視下面幾項(xiàng)工作：（1）合理選擇晶振。晶振的選擇要更加系統(tǒng)需要予以確定，同時(shí)也要關(guān)注眾多指標(biāo)，比如工作溫度、頻率的穩(wěn)定性等，確保各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，才能提升單片機(jī)振蕩電路的正常運(yùn)行；（2）振蕩器類型的選擇。PIC系列的單片機(jī)有不同的振蕩模式，其中LP、XT與HS等振蕩模式主要條件為環(huán)路增益的確定。

2.1.5 MAX232的應(yīng)用

MAX232是一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片，串口電平為-10v+10v，在系統(tǒng)中信號(hào)電壓為tt1電平0+5v，電平轉(zhuǎn)換用max232完成操作，該器件主要包括驅(qū)動(dòng)器與接收器等。期間符合國家標(biāo)準(zhǔn)，可以對(duì)電平進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換。MAX232的特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：所使用的技術(shù)為LinBiCMOSTM工藝；輸入電平為±30V；驅(qū)動(dòng)器與接收器的數(shù)量各為2個(gè)。MAX232應(yīng)用電路在實(shí)際應(yīng)用中還需注意很多討點(diǎn)需注意。電荷泵芯片為323，能細(xì)線兩路TTL/RS-232的轉(zhuǎn)換。RS232在實(shí)際應(yīng)用中的不足也比較明顯，接口電路芯片易損壞、傳輸速率較低、傳輸距離有限等都對(duì)其有效應(yīng)用產(chǎn)生極大影響，所以未來這些問題是關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

MSComm在Visual Basic中屬于專門的串口通信物件，在工程中設(shè)定好通信協(xié)議，在與單片機(jī)進(jìn)行串行通信時(shí)需利用RS232。在通訊控制中MSComm作為特殊功能元件，在預(yù)設(shè)工具箱里不會(huì)主動(dòng)出現(xiàn)，要在專門的使用元件中完成。設(shè)定RS232的通信口中的COM2傳輸口為2,16為最大值號(hào)碼。確保VB程序與89C52編輯的頻率參數(shù)均為1200bps。單片機(jī)的溫度顯示和測量程序主要包括：系統(tǒng)主程序、DS18B20初始化子程序等。

2.2.1 單片機(jī)發(fā)送部分

外部數(shù)據(jù)采集需利用8051單片機(jī)，在RAM20H～3DH的區(qū)域村塾數(shù)據(jù)，并能在計(jì)算機(jī)端接收到數(shù)據(jù)，需先將＃55H（聯(lián)絡(luò)信號(hào)）發(fā)送給計(jì)算機(jī)端，然后在接收后再將＃0AAH（回應(yīng)信號(hào)）發(fā)送給單片機(jī)，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證后單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)端，通過這樣的方式能有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

2.2.2 VB部分

VB項(xiàng)目的開啟，能輸數(shù)據(jù)采集的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，數(shù)據(jù)在單片機(jī)上讀出來后賦給數(shù)組，并描繪波形曲線。為構(gòu)建起串行通信信道，需在開啟一個(gè)VB項(xiàng)目后安排一個(gè)MSCOMM控件。調(diào)出屬性窗口，將變量COMPORT屬性與Rthreshold屬性分別設(shè)置為2、1，字符被外界傳送來后就會(huì)引發(fā)事件。連續(xù)動(dòng)作的執(zhí)行控件為定時(shí)器，數(shù)據(jù)發(fā)送完后就會(huì)中斷，下一個(gè)數(shù)據(jù)開始發(fā)送。

3 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的串口通訊程序設(shè)計(jì)

3.1 方案一（本研究方案）

程序編寫是通過MCS-51指令實(shí)現(xiàn)的，各項(xiàng)操縱的執(zhí)行需通過指令實(shí)現(xiàn)，程序就是要求編排的指令。溫度傳感器為DALLAS公司生產(chǎn)的，型號(hào)為DS18B20，具有3引腳TO-92小體積封裝形式。溫度轉(zhuǎn)換需通過初始化、ROM指令操作與存儲(chǔ)器操作指令完成。啟動(dòng)DS18B20、開始轉(zhuǎn)換工作、讀出溫度轉(zhuǎn)換值。確定轉(zhuǎn)換精度為12位，只設(shè)置一個(gè)芯片，電源方式為外接供電，WDMSB單元接收讀取的溫度值高位字節(jié)，在WSLSB單元接受低位字節(jié)。高速暫存RMA與非易失性的可擦除E2RAM為DS18B20的組成部分，高溫度與低溫度觸發(fā)器TH存儲(chǔ)于非易失性的可擦除E2RAM。在存儲(chǔ)器中總共有8個(gè)連續(xù)字節(jié)，從第一個(gè)字節(jié)到第五個(gè)字節(jié)分別為溫度的第八位、溫度的高八位、TH的易失性拷貝、TL的易失性拷貝、結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的易失性拷貝；第幾六字節(jié)到第八字節(jié)均為內(nèi)部計(jì)算。

TM R1 R0 1 1 1 1 1 是八個(gè)字節(jié)的意義，1 為低五位，測試模式位為TM，TM的作用是DS18B20模式設(shè)置。DS18B20出廠后不要隨意改動(dòng)運(yùn)行模式，一般會(huì)將其設(shè)置為0。分辨率設(shè)置是通過R1與R0完成的。DS18B20設(shè)置的為12位，這時(shí)在分別率設(shè)置時(shí)，需重視溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間。

在實(shí)現(xiàn)溫度轉(zhuǎn)換時(shí)，主機(jī)控制DS18B20需完成下面的幾個(gè)步驟：復(fù)位→發(fā)送ROM指令→RAM指令。在復(fù)位時(shí)，也有一定要求，要CPU數(shù)據(jù)線需下拉500微秒，并釋放，DS18B20在接收到信號(hào)后，需等待一段時(shí)間，時(shí)間為16～60微秒之間。CPU在受到60～240微秒的存在低脈沖后說明復(fù)位成功。DS18B20讀寫程序的數(shù)據(jù)腳與晶振分別為P1.5、12MHZ。DS18B20匯編程序鎖使用的轉(zhuǎn)化位為12位，最大轉(zhuǎn)化時(shí)間為750微秒。

3.2 方案二（其他方案）

計(jì)算機(jī)通信程序的設(shè)計(jì)，所采用的編程工具為Boland C++ Builder5.0在設(shè)計(jì)時(shí)串口通訊方法為使用注冊(cè)組件，由于C++ Builder不會(huì)提供串行通信組件，但是微軟公司的MSCcomm32組件可通過注冊(cè)獲得。在串口中斷接收程序、指令判斷程序等在設(shè)計(jì)過程中，與方案一基本類似。但是方案二在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到一些問題，雖然相對(duì)比較簡單，但是C++Builder5.0在使用過程中，由于一部分計(jì)算機(jī)無法注冊(cè)，影響設(shè)計(jì)工作的有效開展。

通過兩種方案的對(duì)比，最終選擇方案一。方案一的設(shè)計(jì)具有普遍性，能滿足設(shè)計(jì)要求。但是在設(shè)計(jì)過程中，單片機(jī)溫度測量裝置的功能有待豐富，且需要曾氏時(shí)鐘顯示功能。

4 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的串口通訊程序設(shè)計(jì)期間，有很多要點(diǎn)需重視，首先要對(duì)器件及原理予以明確，然后做好硬件與軟件設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)需重視單片機(jī)、顯示電路、串行通信等方面的科學(xué)設(shè)計(jì)，同時(shí)也要在軟件設(shè)計(jì)時(shí)做好單片機(jī)發(fā)送與VB兩個(gè)部分。最后通過方案對(duì)比，確定選擇方案一。方案一在實(shí)際應(yīng)用中適用性較強(qiáng)，能滿足使用需求。未來在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展下，芯片會(huì)朝智能化、微小化、集約化的方向發(fā)展，不斷滿足當(dāng)下社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需求。