51单片机（主要指兼容Intel 8051架构的微控制器）通过其内置的通用异步收发器（UART, Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）模块来实现串口通信。这是一种异步串行通信方式，不需要发送时钟信号线，仅需两条数据线（TXD发送，RXD接收）即可实现双向通信。

工作原理核心要点

1. 异步通信：

   • 发送端和接收端不使用共享的时钟信号进行同步。
   • 依靠预定义的波特率（Baud Rate）来约定通信速度（每位数据的持续时间）。
   • 每帧数据传输以起始位（Start Bit）开始，以停止位（Stop Bit）结束来界定数据帧。

2. 数据帧格式： 一个完整的数据帧通常包含以下部分（最常见的是8-N-1格式）：

   • 起始位 (1位)： 逻辑低电平（0），表示一个新字节传输的开始。
   • 数据位 (5-9位)： 通常是8位，代表一个字节的有效数据。51单片机通常默认支持5-9位。
   • 校验位 (可选1位)： 用于简单的错误检测。可以是奇校验、偶校验或无校验（最常见）。
   • 停止位 (1位、1.5位或2位)： 逻辑高电平（1），标志着一个帧的结束，并为下次传输提供稳定时间。通常是1位或2位。

3. UART模块内部核心部件（51单片机视角）：

   • 发送缓冲器（SBUF）： 用于存放待发送的数据字节。当启动发送时，UART硬件会自动将这个字节装入发送移位寄存器。
   • 接收缓冲器（SBUF）： 用于存放从接收移位寄存器移入并转换完成的完整接收字节。读SBUF获取数据（发送和接收物理上是两个寄存器，但软件访问地址相同）。
   • 发送移位寄存器： 将并行数据（来自SBUF）按设定的波特率逐位从TXD引脚串行输出（先输出起始位，然后是数据位LSB->MSB，最后是停止位）。
   • 接收移位寄存器： 监视RXD引脚，在检测到起始位后，按约定的波特率采样接收数据位并移入寄存器（采样通常在每位周期的中间时刻进行）。当完整的一帧接收完毕（包括预期停止位），数据会被并行送入接收SBUF，并置位接收完成标志（RI）。
   • 波特率发生器： 通常由一个独立的定时器（通常是T1）驱动，产生与预设波特率匹配的时钟频率。这个频率通常是波特率的16倍（用于接收采样）或直接驱动移位。
   • 控制和状态寄存器： SCON（串行控制寄存器）是最核心的寄存器，负责配置：
     • 工作模式（模式1是最常用的8位UART模式）。
     • 波特率倍增（SMOD位，影响T1溢出率）。
     • 发送完成标志（TI）。
     • 接收完成标志（RI）。
     • 允许接收（REN）。
   • PCON（电源控制寄存器）： 其中SMOD位用于波特率倍增控制（0：不倍增；1：倍增）。
   • 中断系统： UART发送完成（TI=1）或接收完成（RI=1）时，可以触发串口中断（如果中断被使能）。

在51单片机中实现串口通信的典型步骤

1. 选择波特率：

   • 根据通信需求（通信速度、抗干扰要求）和晶振频率确定波特率。
   • 使用定时器1（工作在模式2 - 8位自动重载）作为波特率发生器是最常见的方法。
   • 计算公式：波特率 = (2^SMOD / 32) * (定时器T1溢出率) (模式1下的UART)
   • 溢出率 = Fosc / (12 * (256 - TH1))
   • 推导得到TH1初值：TH1 = 256 - (Fosc * (2^SMOD)) / (384 * BaudRate)。需要计算并配置TH1。

2. 配置定时器T1：

   • 设置TMOD寄存器，使T1工作在模式2（8位自动重载），例如：TMOD = 0x20;
   • 将计算好的TH1初值装入TH1（TL1会自动加载TH1值）。
   • 启动定时器T1（TR1=1）。

3. 配置串口控制器SCON：

   • 选择模式1（8位UART，波特率可变，使用T1产生）：SM0=0, SM1=1
   • 允许接收（如果要接收数据）：REN=1。
   • 清除发送完成（TI）和接收完成（RI）标志（软件清零）。
   • 例如：SCON = 0x50; // 0101 0000 即 SM0=0, SM1=1, REN=1

4. 配置波特率倍增（PCON）：

   • 根据计算需要使用SMOD位：PCON |= 0x80; (设置SMOD=1，波特率加倍) 或 PCON &= 0x7F; (清除SMOD=0，波特率不加倍)。默认通常是0。

5. 发送数据（查询方式）：

   • 将需要发送的数据写入SBUF寄存器，例如：SBUF = 'A';
   • UART硬件自动开始发送（置起始位、移位数据位、置停止位）。
   • 软件循环查询TI标志：while (!TI);（等待硬件置位TI表示发送完成）。
   • 软件清除TI标志：TI = 0; （为下次发送做准备）。

6. 接收数据（查询方式）：

   • 确保REN=1 (已设置)。
   • 软件循环查询RI标志：while (!RI);（等待硬件置位RI表示接收到一个完整字节）。
   • 软件清除RI标志：RI = 0;（为下次接收做准备）。
   • 读取SBUF中的数据：received_data = SBUF;

7. (可选) 使用中断方式处理收发：

   • 更高效，避免CPU空转查询。
   • 使能串口中断： ES = 1;
   • 使能总中断： EA = 1;
   • 在串口中断服务程序（中断号为4）中：
     • 判断是发送中断（TI=1）还是接收中断（RI=1）。
     • 如果是接收中断：
       • 读取SBUF: received_data = SBUF;
       • 务必清除RI标志：RI = 0;
     • 如果是发送中断：
       • 清除TI标志：TI = 0;
       • 通常在这里可以启动下一个字节的发送（将新数据写入SBUF）。

代码示例（查询方式，晶振11.0592MHz，波特率9600）

#include <reg51.h> // 包含51单片机寄存器定义头文件

void UART_Init() {
    // 1. 配置T1为波特率发生器（模式2）
    TMOD = 0x20;        // 设置T1为8位自动重装模式（TMOD.5和TMOD.4为2）
    TH1 = 0xFD;         // TH1和TL1初值（针对11.0592MHz，9600bps）
    TL1 = 0xFD;
    TR1 = 1;            // 启动定时器1

    // 2. 配置SCON（串口模式1，允许接收）
    SCON = 0x50;        // 0101 0000b：模式1(UART,8位), REN=1

    // 3. PCON波特率倍增设置（默认为0，不需要设置）
    // PCON &= 0x7F;    // 可选：确保SMOD=0
}

void UART_SendByte(unsigned char dat) {
    SBUF = dat;         // 数据放入发送缓冲器，硬件自动开始发送
    while (!TI);        // 等待发送完成标志TI置位
    TI = 0;             // 软件清除TI标志
}

unsigned char UART_ReceiveByte() {
    while (!RI);        // 等待接收完成标志RI置位
    RI = 0;             // 软件清除RI标志
    return SBUF;        // 返回接收到的数据
}

void main() {
    unsigned char received_char;
    UART_Init();        // 初始化串口

    while (1) {
        received_char = UART_ReceiveByte();  // 等待并接收一个字节
        UART_SendByte(received_char + 1);    // 将接收到的字符+1后发送回去（简单回显+1测试）
    }
}

重要提示

• 物理电平转换： 51单片机的UART模块工作在TTL电平（0V表示逻辑0，5V/3.3V表示逻辑1）。要连接标准的RS232设备（如电脑串口，逻辑1是-3V到-15V，逻辑0是+3V到+15V），必须使用RS232电平转换芯片（如MAX232, CH340G, CP2102, FT232等）。
• 连接方式： 单片机的TXD脚连接对方的RXD脚，单片机的RXD脚连接对方的TXD脚。GND必须相连。
• 波特率误差： 波特率的设置依赖于系统时钟精度和重载值的计算。11.0592MHz晶振非常常用，因为它能精确产生大量常用波特率（如9600, 19200, 38400, 57600, 115200等）。使用12MHz晶振则误差较大。
• 停止位： 常见的1位停止位是默认设置。
• 双工： UART是全双工通信，发送和接收可以同时进行。

总结来说，51单片机的串口通信依赖内置的UART硬件模块实现异步串行数据传输。核心是配置定时器1产生正确的波特率时钟，设置SCON寄存器定义数据帧格式和收发使能。通过查询或中断方式检测TI/RI标志来管理数据的发送和接收流程。理解起始位、停止位、波特率以及SBUF、TI、RI寄存器的操作是关键。