51单片机（特别是经典的Intel 8051内核或其兼容型号）的串行通信设计主要基于其内置的通用异步收发器（UART）模块。其设计原理涉及硬件结构、工作模式配置、波特率设置、数据格式以及软件流程等多个方面。以下是核心设计原理：

1. 串行通信基础：

   • 异步通信：数据不依赖于时钟信号同步，而是依靠约定的波特率和数据格式（起始位、数据位、校验位、停止位）进行同步。这是51单片机最常用的串行通信方式。
   • 单工/半双工/全双工：51单片机的UART支持全双工通信，即可以同时进行发送和接收（分别使用TXD和RXD引脚）。
   • 数据帧结构：每个字符（字节）的传输以一个低电平的起始位（0）开始，接着是5-9位数据位（通常为8位），一个可选的校验位（奇、偶或无），最后以1或2位高电平的停止位（1）结束。

2. UART硬件结构与关键寄存器：

   • 串行数据缓冲器（SBUF）：这是两个物理上独立但共用同一地址（99H）的寄存器。
     • 发送SBUF：写入要发送的数据到此地址，UART硬件会自动启动发送过程。
     • 接收SBUF：当UART完整接收到一个字节后，数据会自动载入此寄存器，读取此地址获取接收到的数据。
   • 串行控制寄存器（SCON - 98H）：这是配置和控制UART的核心寄存器。
     • SM0, SM1：选择四种串口工作模式之一。模式1(8位UART, 波特率可变)最常用。
     • REN：接收允许位。置1允许串口接收数据。
     • TI：发送中断标志位。当一个字节发送完成时，由硬件置1。软件需要清零以指示可以发送下一字节。
     • RI：接收中断标志位。当一个字节接收完成且满足停止位条件时，由硬件置1。软件需要清零以指示可以接收下一字节。
     • 其他位（SM2, TB8, RB8）主要用于模式2/3的多机通信。
   • 特殊功能寄存器（PCON - 87H）：
     • SMOD位：波特率倍率选择位。置1可使定时器1产生的波特率加倍（仅适用于模式1、2、3）。是波特率计算公式中的重要因子。

3. 波特率（Baud Rate）生成：

   • 波特率表示每秒传输的码元数（位/秒），通信双方必须严格一致。
   • 模式1（最常用）的波特率：由定时器1（T1）工作在模式2（8位自动重装）下的溢出率决定。
   • 计算公式：

     波特率 = (2^SMOD / 32) * (T1的溢出率)

     • 对于标准8051（12时钟周期/机器指令周期），定时器1的溢出率：

       溢出率 = Fosc / (12 * (256 - TH1))

     • 最终，模式1波特率公式：

       波特率 = (2^SMOD / 32) * (Fosc / (12 * (256 - TH1)))

   • 常用晶振：为了获得标准波特率（如9600, 19200等），常选用11.0592MHz的晶振，因为其可以被整除得到整数或小误差的TH1值。
   • 定时器配置：TMOD寄存器需配置T1为工作模式2（自动重装8位定时器）。TH1和TL1均装入计算好的初值。启动定时器T1（TR1=1）。

4. 工作流程（以模式1查询方式为例）：

   • 初始化：
     1. 设置SCON：SM0/SM1选择模式1（如SCON = 0x50表示：SM0=0, SM1=1, REN=1允许接收)。
     2. 配置波特率：
        • 根据所需波特率、晶振频率（Fosc）和SMOD（通常设0或1），计算TH1值。
        • 设置TMOD使T1为模式2（TMOD |= 0x20，不影响T0的设置）。
        • 将计算值装入TH1和TL1。
        • 置TR1=1启动T1（TCON |= 0x40）。
   • 发送一个字节：
     1. 检查TI标志（while(TI == 0);）。若TI为1，表示上一次发送完成；若为0则等待。
     2. 软件清零TI（TI = 0;）。
     3. 将要发送的数据写入SBUF（SBUF = data;）。硬件会自动开始发送。
   • 接收一个字节：
     1. 检查RI标志（while(RI == 0);）。若RI为1，表示收到一个完整字节；若为0则等待。
     2. 软件清零RI（RI = 0;）。
     3. 从SBUF读取接收到的数据（data = SBUF;）。

5. 中断方式：

   • 除了查询（轮询）TI/RI，更高效的方式是使用串口中断（中断号4）。
   • 启用中断：设置ES=1（IE |= 0x10;）允许串口中断，并且开启总中断（EA=1）。
   • 中断服务程序（ISR）：
     • 在ISR中，首先检查是TI还是RI引起的中断（SCON寄存器）。
     • 如果是TI引起：
       • 清零TI。
       • 可以在此处加载下一个要发送的数据到SBUF（如果需要连续发送）。
     • 如果是RI引起：
       • 清零RI。
       • 从SBUF读取数据并处理（如存入缓冲区）。
   • 中断方式避免了CPU在等待发送完成或数据到达时做空转循环，提高了效率。

6. 电平转换与物理连接：

   • 51单片机UART的TXD和RXD引脚输出的信号是TTL电平（0-0.8V表示逻辑0，2.0V-Vcc表示逻辑1）。
   • 不能直接连接RS-232端口：PC的串口（DB9）使用RS-232电平（-3V到-15V表示逻辑1，+3V到+15V表示逻辑0）。
   • 电平转换器：必须使用专用的RS-232电平转换芯片（如经典的MAX232系列及其兼容型号）或模块在TTL电平和RS-232电平之间转换，方可与PC串口通信。
   • TTL到USB/RS-485/RS-422：同样需要通过相应的电平转换/接口芯片（如CP2102, FT232, MAX485等）与其他不同标准的串行设备通信。
   • USB转TTL串口模块：现代设计中常使用USB转TTL串口模块（如CH340, PL2303, CP2102芯片模块）直接连接51单片机的TXD/RXD/GND到电脑的USB口，方便可靠。

总结设计要点：

1. 选择合适的模式（最常用8位异步模式1）。
2. 精确计算并设置波特率（正确配置定时器1模式2及其初值，考虑SMOD和晶振频率）。
3. 正确配置寄存器：SCON（工作模式、允许接收），PCON.SMOD（可选），TMOD（定时器1模式），IE（中断使能）。
4. 初始化定时器T1（装入初值并启动）。
5. 实现发送/接收逻辑：可采用查询TI/RI标志的方式或中断服务程序的方式。
6. 做好电平转换：根据通信目标设备选择合适的电平转换方案。

理解并掌握这些原理是设计51单片机串行通信应用（如与PC通信、与其他单片机通信、与串口模块通信等）的基础。