单片机写芯片超时详解单片机中的串行口

发布时间 : 2025-06-13

作者 : 小编

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详解单片机中的串行口

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单片机内部有一个功能强大的全双工串行口，该串行口有四种工作方式，以供不同场合使用。波特率可由软件设置，由片内的定时器/计数器产生。串行口接收、发送均可工作在查询方式或中断方式，使用十分灵活。

单片机的串行口除了用于数据通信之外，还可以用来驱动单片机应用系统中的键盘和显示器，这是其他微机系统所不能比拟的。

串行口的结构与控制

为了进行串行数据通信，单片机同样也需要相应的串行接口电路。不过这个接口电路不是单独的芯片，而是集成在单片机芯片的内部，成为单片机芯片的一个组成部分。

80C51单片机内部的串行口，由发送缓冲寄存器 SBUF、接收缓冲寄存器 SBUF、发送控制寄存器、接收控制寄存器、输入移位寄存器和输出控制门组成。控制单片机串行口的控制寄存器共有两个：特殊功能寄存器 SCON 和 PCON，可以用软件改变两者的内容来控制串行口的工作方式和波特率。

缓冲寄存器SBUF

80C51单片机内部有一个全双工的串行通信口，即串行接收和发送缓冲器SBUF，这两个在物理上是独立的接收发送器，既可以接收数据，也可以发送数据。但接收缓冲器只能读出不能写入，而发送缓冲器则只能写入不能读出，两个缓冲器共用同一个地址(99H)。

这个通信口既可用于网络通信，也可实现串行异步通信，还可以当成同步移位寄存器使用。如果在通信口的输入输出引脚上加上电平转换器，还可方便地构成标准的RS-232和RS-485接口。

在逻辑上，SBUF只有一个，既表示发送寄存器，又表示接收寄存器，具有同一个地址(99H)。在物理上，SBUF有两个，一个是发送寄存器，另一个是接收寄存器。

串行口控制寄存器SCON

该寄存器的字节地址为98H，有位寻址功能。

SCON格式如下：

SM0(SCON.7)、SM1(SCON.6)：控制串行口的工作方式。

SM2(SCON.5)：允许方式2和方式3进行多机通信控制位。在方式2或方式3中，如SM2=1，则接收到的第9位数据(RB8)为0时不激活RI。在方式1时，如SM2=1，则只有收到有效停止位时才会激活RI。若没有接收到有效停止位，则RI清0。在方式0中，SM2必须置为0。

REN(SCON.4)：允许串行接收控制位。REN=1允许串行接收，REN=0则禁止串行接收。该标志由软件来置1或清0。

TB8(SCON.3)：是工作在方式2和方式3时，该位是要发送的第9位数据。在一些通信协议中该第9位用于奇偶校验(补奇或补偶);而在MCS-51多处理机通信中，这一位是区别地址帧还是数据帧的标志，需要时由软件置位或复位。

RB8(SCON.2)：是工作在方式2和方式3时，该位是已接收到的第9位数据，它是奇偶校验位。在MCS-51多处理机通信中是区别地址帧/数据帧的标志。在模式1中，若SM2=0，RB8存放的是已接收数据的停止位。在模式0中，RB8未用，需要时由软件来置1或清0。

TI(SCON.1)：发送中断标志位。在模式0中，发送完第8位数据时由硬件置位;在其他模式中发送停止位开始时刻由硬件置位。置位时TI=1，申请中断，CPU响应中断后，由软件来清除TI再发送下一帧数据。

RI(SCON.0)：接收中断标志位。在模式0中，接收完第8位数据时由硬件自动置位;在模式 1 中，SM2=1，只有接收到有效的停止位，才能对 RI 置位。在其他模式中，在接收停止位的半中间由硬件对RI置位。置位时申请中断，CPU响应中断后取走数据，清除RI标志，必须由软件清零。

SCON的所有位复位时被清零。

特殊功能寄存器PCON

其字节地址为87H，没有位寻址功能。PCON的格式如下：

其中与串行接口有关的只有D7位。

SMOD：波特率选择位。

串行口的工作方式

串行口有四种工作方式，它们是由串行口控制寄存器 SCON 的 SM0、SM1的状态来定义的，编码及功能如表2-3所示。在这四种工作方式中，串行通信只使用方式1、2、3。方式0主要用于扩展并行输入/输出口。

表2-3 串行口工作方式

表中：fosc为晶振频率，UART为通用异步接收和发生器。

方式0

在方式 0 状态下，串行口为同步移位寄存器输入/输出方式，其波特率是固定不变的，数据由RxD(P3.0)端输入，同步移位脉冲由TxD(P3.1)端输出。方式0主要用于扩展并行输入输出口(如串行LED数码管显示系统等)。

(1)方式0发送

当一个数据写入串行口发送缓冲器SBUF时，串行口即将8位数据以fosc/12的波特率从RxD引脚输出(从低位到高位)，发送完8位数据时，将发送中断标志TI置1。TxD引脚输出同步脉冲，波形如图2-22所示。

(2)方式0接收

在满足REN=1和RI=0的条件下，就会启动一次接收过程，此时RxD为串行输入端，TxD为同步脉冲输出端。串行接收的波特率为fosc/12，其时序如图2-23所示。当接收完一帧数据(8位)后，控制信号复位，中断标志 RI 被置 1，呈中断申请状态。当再次接收时，必须通过软件将RI清零。

▲图2-22 串行口“方式0”发送时序

▲图2-23 串行口“方式0”接收时序

在方式0中，SCON中的TB8、RB8位没用，多机通信控制位SM2位必须为0。在方式0下发送或接收完8位数据时，由硬件置1并发送中断标志TI或RI，向CPU申请中断，CPU响应TI或RI中断后，标志TI或RI必须由用户程序清0。

方式1

串行口以方式1工作时，SCON中的SM0、SM1两位分别为0、1，则串行口被控制为波特率可变的8位异步通信接口。发送的每帧信息为10位：1位起始位，8位数据位(先低位后高位)和1位停止位。

(1)方式1发送

串行口以方式1发送时，数据由TxD端输出，CPU执行一条数据写入发送数据缓冲器SBUF的指令，数据字节写入SBUF后，就启动串行口发送器发送。发送完一帧信息的数据位后，发送中断标志置1，其时序如图2-24所示。

▲图2-24 串行口“方式1”发送时序

(2)方式1接收

当REN=1时，允许接收器接收，数据从RxD端输入。接收器以所选波特率的16倍速率采样RxD端的电平，当检测到RxD端从1到0的跳变时，启动接收器接收，并复位内部的16分频计数器，以便实现同步。

在起始位，如果接收到的值不为0，则起始位无效，复位接收电路，当再次接收到一个由1到0的跳变时，重新启动接收器。如果接收值为0，则起始位有效，接收器开始接收本帧的其余信息(一帧信息为10位)。在方式1接收中，若同时满足以下两个条件：RI=0、SM2=0和接收到的停止位=1时，则接收数据有效，实现装载SBUF、停止位进入PB8、接收中断标志RI置1。接收控制器再次采样RxD的负跳变，以便接收下一帧数据。

若这两个条件不能同时满足，信息将丢失。中断标志RI必须由用户的软件清零，通常情况下，串行口以方式1工作时，SM2置为0。方式1的接收时序如图2-25所示。

▲图2-25 串行口“方式1”接收时序

方式2

当SM0、SMl两位分别为1、0时，串行口工作在方式2，此时串行口被定义为9位异步通信接口。发送时可编程位(TB8)根据需要设置为0或1，接收时，可编程位被送入SCON中的RB8。

(1)方式2发送

在方式2发送时，数据由TxD端输出，发送一帧信息由11位组成：1位起始位、8位数据位(低位在先、高位在后)、1位可编程位(第9位数据位)和1位停止位，附加的第9位数据为 SCON中的 TB8。TB8由软件置 1 或清 0，可作为多机通信中的数据标志位，也可作为数据的奇偶校验位。

CPU在执行一条写SBUF的指令后，便立即启动发送器发送，送完一帧信息后，TI被置1，其时序如图2-26所示。在发送下一帧信息之前，TI必须由中断服务程序(或查询程序)清0。

▲图2-26 串行口“方式2”发送时序

(2)方式2接收

当 SM0、SMl两位分别为1、0，且 REN=1 时，允许串行口以方式 2 接收数据。数据由 RxD端输入，接收11位信息：1位起始位、8位数据位、1位可编程位(第9位数据)和1位停止位。当接收器采样到RxD端从1到0的跳变，并判断起始位有效后，便开始接收一帧信息。当接收器接收到第9位数据后，如果RI=0且SM2=0或接收到的第9位数据为1时，接收到的数据送入SBUF，第9位数据送入RB8，并置RI=1，其时序如图2-27所示。若不能同时满足这两个条件，接收的信息将丢失。

▲图2-27 串行口“方式2”接收时序

方式3

当SM0、SM1两位为11时，串行口工作在方式3，方式3为波特率可变的9位异步通信方式，除了波特率外，方式3和方式2的发送时序和接收时序相同。

波特率的计算与串行口初始化

波特率的计算

在串行通信中，收发双方的波特率必须保持一致。通过软件可设定串行口的4种工作方式，并确定每种方式的波特率。

(1)方式0的波特率是固定的，为单片机晶振频率fosc的1/12，即BR=fosc/12。

如fosc=6MHz，则波特率500kbit/s;如fosc=12MHz，则波特率为1Mbit/s。

(2)方式 2 的波特率也是固定的，且有两种。一种是晶振频率的 1/32，另一种是晶振频率的1/64，即fosc/32和fosc/64。如用公式表示为：

式中，SMOD为特殊功能寄存器PCON串行口波特率系数的控制位，SMOD=1表示波特率加倍。注意，PCON不能使用位寻址，只能对其进行字节操作。

如12M晶振系统中，若SMOD=0，则波特率=187.5kbit/s;SMOD=1，则波特率375kbit/s。

(3)方式1和方式3的波特率是可变的，其波特率由定时器1的计数溢出(对80C52来说，也可使用定时器2的计数溢出)决定，公式为：

式中定时器1溢出率计算公式为：

各种方式波特率的计算如表2-4所示。

表2-4 波特率的计算公式

表中，若SMOD=0，则K=1;若SMOD=1，则K=2。

通常使用单片机的串行口时，选用的晶振频率 fosc比较固定(一般为 6MHz ， 12MHz 或11.0592MHz)。单片机和微机通信时，选用的波特率也相对固定。

实际使用中，经常根据已知波特率和时钟频率来计算定时器T1的初值。为方便使用，将常用的波特率和初值X间的关系列成表2-5。

表2-5 常用通信方式及其波特率

其中有以下三点需要注意。

(1)表2-5中仅为一些特定系统串口通信时的典型数据，对于其他一些未列出的波特率，应通过前述公式进行计算获取。并可进行相关参数调整，以获得需求的波特率。

(2)在使用的时钟振荡频率为12MHz或6MHz时，表中初值X和相应的波特率之间有一定误差。例如，FDH的对应的理论值是10416波特(时钟振荡频率为6MHz时)，与9600波特相差816波特，消除误差可以通过调整时钟振荡频率 fosc来实现。例如，如果采用的时钟振荡频率为11.0592MHz，在要求串行通信的系统中，为保证串行通信准确，一般使用11.0592Hz的晶振。

(3)如果串行通信选用很低的波特率，可将定时器T1设置为方式1定时。但T1溢出时，需要在中断服务程序中重新装入初值。中断响应时间和执行指令时间也会使波特率产生一定的误差，可用改变初值的方法进行适当调整。

串行通信的校验

异步通信时可能会出现帧格式错、超时错等传输错误。在具有串行口的单片机的开发中，应考虑在通信过程中对数据差错进行校验，因为差错校验是保证准确无误通信的关键。常用差错校验方法有奇偶校验(80C51系列单片机编程采用此法)、和校验及循环冗余码校验等。

(1)奇偶校验

在发送数据时，数据位尾随的一位数据为奇偶校验位(1或0)。当设置为奇校验时，数据中1的个数与校验位1的个数之和应为奇数;当设置为偶校验时，数据中1的个数与校验位中1的个数之和应为偶数。接收时，接收方应具有与发送方一致的差错检验设置，当接收一个字符时，对 1的个数进行校验，若二者不一致，则说明数据传送出现了差错。

奇偶校验是按字符校验，数据传输速度将受到影响。这种特点使得它一般只用于异步串行通信中。

(2)和校验

所谓和校验，是指发送方将所发送的数据块求和(字节数求和)，并产生一个字节的校验字符(校验和)附加到数据块末尾。接收方接收数据时也是先对数据块求和，将所得结果与发送方的校验和进行比较，相符则无差错，否则即出现了差错。这种和校验的缺点是无法检验出字节位序的错误。

(3)循环冗余码校验

这种校验是对一个数据块校验一次。例如对磁盘信息的访问、ROM或RAM存储区的完整性等的检验。这种方法广泛应用于串行通信方式。

串行口初始化

在使用单片机串行口之前，应对其进行编程初始化，主要是设置产生波特率的定时器1、串行口控制和中断控制，具体步骤如下。

(1)确定定时器l的工作方式——编程TMOD寄存器。

(2)计算定时器l的初值——装载THl、TLl。

(3)启动定时器1——编程TCON中的TRl位。

(4)确定串行口的控制——编程SCON。

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玩转单片机！基于ESP8266模块的WIFI点阵时钟制作

用ESP8266模块制作的网络授时点阵时钟

美图镇楼

楼主是一名业余的单片机爱好者，做过许多各种各样的时钟，能看过眼去的都发在了本版，还蒙版主厚爱给过精华。可是至今也没有做出一个十分满意的“作品”来。因为做的每个时钟都有这样那样的缺点， DS1302并不太准确；DS3231要好一点但还是有误差（其实也够用了）；GPS授时倒是准了，但是要拖一根GPS天线到室外，不够整洁。一直想DIY一个准确、简洁的时钟治愈我的“强迫症”，苦于一直没有找到好的方案。

在一个月黑风高的晚上我偶然地发现了物联网模块ESP8266，能连接WIFI，竟然还集成了32位的单片机，关键还是白菜价，简直就是神器啊！就想着用它来做一个从网络获取时间的时钟，这样只要有网络，时间就准确无误，再也不用纠结了。

1：认识ESP8266

ESP8266是上海乐鑫（ESPRESSIF）生产的WI-FI低功耗芯片，是业内集成度最高的 Wi-Fi 芯片，封装尺寸仅为 5mm x 5mm。 ESP8266EX 高度集成了天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块，仅需很少的外围电路，可将所占 PCB 空间降到最低。ESP8266EX 内置 Tensilica L106 32 位微型控制器 (MCU)，具有超低功耗和 16 位RSIC，时钟速度最高可达 160 MHz。支持实时操作系统 (RTOS)，目前 Wi-Fi 协议栈只用了 20% 的 MIPS，其他均可用于用户编程和开发。ESP8266EX 专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，通过多项专有技术实现了最低功耗。ESP8266EX 有三种运行模式：激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式，能够延长电池寿命。（PS：这段是抄的）

当然了，只有芯片是没法玩的，网上有和外围电路一起封装好的模块。还有基于这些模块的开发板，板载USB转串口电路，只要用MicroUSB线（安卓手机数据线）连接电脑就可以调试了。方便好用价格也不贵。

Esp8266模块

Esp8266开发板

为便于理解，我们可以把ESP8266模块看作一个可以连接WIFI的单片机。但是要玩转这片小小的板子，却没有想像中那么简单。模块的编程和51单片机有很大的区别，需要从头开始学起，没有找到系统的教程，只好从网络上多如牛毛的信息中提取所需要的知识点，用蚂蚁啃骨头的精神，一点点攻克难关，终于实现了想要的功能。在这里分享一下个人的一些不成熟经验，有兴趣的同好可以参考一下。

2：流行的几种开发方式

AT指令：模块通过串口与上位机连接，上位机发出指令，模块收到指令后做出响应。可以用PC端的串口助手调试。当然也可以用另一片单片机做上位机，不过放着模块集成的32位MCU不用，再用51之类的8位单片机驱动的话就有点小马拉大车了。

NodeMCU：运行于ESP8266模块上的一种固件，该固件提供一些封装好的模块（API），直接调用就可以了。使用LUA语言编程。

Arduino：模块可以在Arduino环境下调试，有基础的同学可以使用此方式。本菜鸟没玩过Arduino，只是按教程简单试了一下，发现编译下载好慢。

几种方法都试了试，发现最适合自己的是NodeMCU。LUA语言与C有共通之处，很快就能适应了。还有现成的API，一些复杂的功能用几行代码就能实现。

3：刷NodeMCU固件

买来模块后需要刷入NodeMCU固件，NodeMCU的源代码发布在Github网站，但是要编译成可刷入模块的bin固件，需要在陌生的Linux环境下，没有Linux基础貌似玩不转。

好在像作者这样的菜鸟可以在线订制固件，打开http://nodemcu-build.com/，留下自己的Email，根据自己的需要选择相应的模块和版本。等会就收到订制好的固件了。

刷入固件用的工具从这里下载https://github.com/nodemcu，按住Flash键不放，把模块接入USB，选好COM口和要刷入的固件，速度不要选的太高，可能会刷入失败，用哪个波特率自己多试几次就好。

固件刷好后，就可以开心的玩了。开发软件个人建议使用Esplorer,此软件需要安装JAVA。试一下第一句程序：print(“Hello NodeMCU！”)，模块正常的话会显示Hello NodeMCU！

试试node.restart()，重新启动一下模块，会显示当前固件的版本、生成时间、包含模块等信息。

最新的NODEMCU固件支持可变波特率，不再局限于9600bps。比如可以在Esplorer里把波特率改为57600。如下图：

至此开发环境搭建完毕，可以试着先把模块连接到家里的WIFI，网上有例程，把SSID和密码改成自己的，运行一下就能连接了。

4：从Internet获取时间

关于从网络获取标准时间，先试了试获取百度网站返回的HTTP头，里面包含当前的日期时间等数据，提取一下就好，但是有网友说这个时间也不是十分的准确。

后来发现NodeMCU包含SNTP模块，是专门干校准时间这活的。并且操作也非常的简单，就决定了采用这种方式。

SNTP简介：

SNTP，即简单网络时间协议（Simple Network Time Protocol），主要被用来同步因特网上计算机的时间。SNTP协议采用客户端/服务器的工作方式。SNTP服务器通过接收GPS信号或自带的原子钟作为系统的时间基准。SNTP客户端通过定期访问SNTP服务器获得准确的时间信息，用于调整客户端自身所在系统的时间，达到同步时间的目的。

上网找到国内常用的NTP服务器，用PC端的Ping命令简单的测试了一下，结果如下。

NodeMCU固件sntp模块用法很简单，本制作只使用其中的sntp.sync()函数。

语法：sntp.sync({ server1, server2, .. }, [callback], [errcallback], [autorepeat])。

各参数解释：

1. Server1,server2,..:指定要使用的一个或多个ntp服务器

2. Callback:同步成功回调，不需要在这里显式的调用rtctime.set（），该模块在内部自动执行此操作，以获得最佳的准确性。

3.Errcallback:失败回调，返回失败的原因。

1：DNS查找失败

2：内存分配失败

3：UDP发送失败

4：超时，不接收NTP响应

4. autorepeat：如果是非零值，那么每1000秒同步将发生一次，每次同步操作后都会调用回调。

找来例程试一下

sntp.sync("202.120.2.101",

function(sec, usec, server, info)

print('sync', sec, usec, server)

end,

function()

print('failed!')

end)

运行结果：sync 1497432519 920178 202.120.2.101

结果显示同步成功，并返回了1970/01/01到现在的UNIX时间戳和同步服务器。SNTP每次成功同步后会自动更新ESP8266模块的实时时钟，也就是自动调用rtctime.set()函数。所以要使用sntp授时需要rtctime模块的支持，定制固件时不要落下。需要说明的是，成功同步后会自动更新MCU内部的RTC。

当然那一大串UNIX时间戳我们人类是不太能看懂的，还要转为我们习惯使用的日期和时间，这就要用到rtctime模块中的rtctime.epoch2cal()函数，语法为rtctime.epoch2cal(timestamp)。函数成功运行后返回一个数组，数组包括：

year 1970年 ~ 2038年

mon 1 ~ 12月

day 1 ~ 31 日

hour 小时

min 分钟

sec 秒

yday 当前是一年中的第1 ~ 366天

wday 星期 (星期天是1)

例程：

tm = rtctime.epoch2cal(rtctime.get()) --获取当前日期时间并转换

print(string.format("%04d/%02d/%02d %02d:%02d:%02d",

tm["year"], tm["mon"], tm["day"],

tm["hour"], tm["min"], tm["sec"]))

运行结果：2017/07/08 09:48:04

5:显示标准时间

标准时间有了，下一步的工作就是怎样显示出来的问题，总不能开着电脑用串口助手看时间吧。家里用的话1602或12864液晶字太小，远了就看不清楚；数码管做的太多，都审美疲劳了；最后决定用点阵，但是ESP8266模块的GPIO太少，不够用来直驱点阵，为解决这个问题，特地从淘宝上淘了基于MAX7219的点阵模块，4个MAX7219驱动4片8*8点阵。使用SPI串口通讯，还可以多片级联，只要用3个GPIO就能驱动若干片8*8点阵。

MAX7219简介（来自百度百科）

MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。 MAX7221与SPI™、 QSPI™以及 MICROWIRE™相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI（电磁干扰）。一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。

第一次玩MAX7219，由于LUA语言用的不顺手，调试起来有点麻烦。先用熟悉的51来点亮点阵，调试通过后再一点一点地移植到ESP8266。买的点阵是32*8，即使用不美观的4*8字体，时分秒也无法全部显示，更不用说标准的5*8的字体了。最后决定只用3片点阵，使用5*8字体，只显示小时和分钟，但也不够用，折衷一下：0-19时用24小时制，20-23时用12小时制。

成功点亮后的点阵，私人订制的字体，还是很漂亮的。