单片机串口通信与温湿度传感器Proteus仿真程序

1. 掌握51单片机串行口的结构和工作原理，理解串行口控制寄存器SCON、电源控制寄存器PCON各位含义。

2. 掌握串口波特率的计算方法，能够根据通信要求正确设置定时器初值。

3. 掌握DHT11温湿度传感器的单总线通信协议，能够通过单片机I/O口模拟读取温湿度数据。

4. 能够独立完成串口发送字符串、DHT11温湿度读取、串口输出温湿度数据基础实验。

5. 在基础练习实验之上，完成温湿度检测与串口上位机显示综合实验，理解传感器数据采集与串口通信结合的设计方法。

6. 实验结束后按照模板手写实验文档，程序截图、仿真截图整理作为附录。

AT89C51的串行口是一个全双工通信接口，有4种工作方式，通过RXD（P3.0）和TXD（P3.1）与外部通信。

SCON（串行口控制寄存器，地址98H）：

  - SM0、SM1：串行口工作方式选择。方式0（移位寄存器）、方式1（8位UART，波特率可变）、方式2（9位UART，固定波特率）、方式3（9位UART，波特率可变）。

  -REN：允许接收位，置1允许串口接收数据。

  -TI：发送中断标志，发送完一帧数据后硬件置1，必须软件清0。

  -RI：接收中断标志，接收到一帧数据后硬件置1，必须软件清0。

PCON（电源控制寄存器，地址87H）：SMOD位=1时波特率加倍。

方式1和方式3的波特率由定时器T1的溢出率决定：

波特率 = (2^SMOD /32) × (定时器T1溢出率)

定时器T1通常工作在方式2（8位自动重装），溢出率= fosc / (12 × (256 - TH1))

常用9600波特率（12MHz晶振，SMOD=0）：

  初值 =256-(12000000/(32×12×9600))≈256-3.255=253=0xFD

注意：12MHz晶振下9600波特率存在少量误差，实际应用中常用11.0592MHz晶振消除误差。

DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用单总线（Single Bus）通信协议。

  - 湿度测量范围：20%~90%RH，精度±5%RH

  - 温度测量范围：0~50℃，精度±2℃

  - 数据格式：40位数据 =8位湿度整数 + 8位湿度小数 + 8位温度整数 + 8位温度小数 + 8位校验和

通信流程：单片机发送起始信号（拉低总线至少18ms）→ DHT11响应（拉低80μs + 拉高80μs）→ 逐位传输40位数据（每位以50μs低电平开始，高电平26~28μs表示"0"，70μs表示"1"）。

掌握51单片机串口方式1的初始化配置，能够通过串口向计算机发送字符串，理解波特率设置的意义。

1）建立Proteus工程，放置Virtual Terminal串口调试组件，连接单片机RXD、TXD。

2）编写串口初始化函数和字符发送函数，主循环中每隔1秒发送一次"Hello 51 MCU!"。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.jpg

VirtualTerminal串口调试组件左侧栏虚拟仪器中可以找到。

3）若串口助手出现乱码情况则需设置以下内容：

（a）在 Proteus原理图中双击 AT89C52 芯片；

找到Clock Frequency属性，把默认的12MHz改成 11.0592MHz；

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.jpg

（b）双击串口助手：设置波特率 9600、数据位 8、停止位 1、无校验（9600, 8, N, 1）

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.jpg

4）创建Keil工程项目，编写代码：

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.jpg

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.jpg

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.jpg

5）仿真

Proteus仿真工程安装hex文件并做仿真演示。

回到proteus软件，双击89C51芯片，打开编辑文件框，在program file一栏，点击黄色文件按钮，找到keil工程文件，在该工程下找到Objects文件，选择该文件内的hex文件，最后点击确定，保存设置。

注意：若工程项目发生移动，则需重读此操作，再次修改HEX文件地址。

6）点击proteus界面左下角开始按钮，系统开始仿真。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.jpg

理解DHT11单总线通信时序，能够用单片机I/O口模拟DHT11通信协议，正确读取温湿度数据。

1）P2.0连接DHT11的DATA引脚，DHT11的VCC接+5V，GND接地。

2）编写DHT11读取函数：发送起始信号→等待响应→读取40位数据→校验。

3）将读取到的温湿度值暂存到变量中，可通过LED或数码管临时显示验证。

4）在Proteus中运行仿真，观察DHT11输出的温湿度数据是否合理。

DHT11 是一款常用的数字式温湿度传感器模块，集成了温度测量与湿度测量功能，广泛应用于环境监测、智能家居、农业大棚、气象站等领域。该模块内部集成了温湿度传感器元件和一颗单片机，经过校准后可输出数字信号，用户可直接通过单片机读取数据，无需额外的模数转换电路。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif

DHT11温湿度传感器模块通常为3Pin或4Pin排针接口，常见引脚定义如下：

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.jpg

DHT11单总线通信需要上拉电阻（R1），因为DHT11的DATA引脚是开漏输出，它本身并不会主动驱动高电平，而是靠上拉电阻将总线电平拉高，DHT11只在需要时将数据线拉低，形成低电平信号。

单片机作为主机，DHT11作为从机，通信过程包含“启动信号”“响应信号”和“数据传输”三个阶段，整个通信过程的时序要求较严格，通常需通过延时精确控制GPIO读取/写入时序。通讯总时序图如下：

按照下图所示设计电路原理图：

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.jpg

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.jpg

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.jpg file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.jpg file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.jpg

Keil编译后，若无报错，启动Proteus仿真，观察结果。

注意：若工程项目均未移动位置，Keil重新编写程序后，Proteus无需再指定HEX文件地址。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image034.jpg

掌握串口接收中断的配置和使用，能够通过串口接收上位机发来的命令控制硬件。

1）P2.0连接LED，保持串口电路不变。

2）配置串口接收中断：REN=1允许接收，ES=1使能串口中断，EA=1开总中断。

3）中断服务函数中判断收到的数据：收到'1'点亮LED，收到'0'熄灭LED，其他数据不处理。

4）编写按键控制LED亮灭程序，并编译通过无报错。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image036.jpg

串口接收中断（RI=1）→ 读取SBUF存入变量 → 回显

主循环：收到'1' → LED亮；收到 '0' → LED灭

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.jpg file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image040.jpg file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image042.jpg

Proteus仿真工程安装hex文件并做仿真演示，点击proteus界面左下角开始按钮，系统开始仿真。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image044.jpg

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image046.jpg

图2：输入0：LED熄灭

1）  预习51单片机串口通信原理，复习SCON、PCON寄存器配置，掌握波特率计算方法。

2）  预习DHT11单总线通信时序图，理解起始信号、响应信号、数据位的电平持续时间。

3）  预先规划硬件引脚分配：DHT11数据线引脚、串口TXD/RXD引脚。

4）  思考逻辑：温湿度采集周期（建议1秒读一次），串口输出格式（便于阅读的字符串格式）。

1） 搭建DHT11温湿度传感器电路，单片机每隔1秒采集一次温湿度数据。

2）  通过串口将温湿度数据发送到上位机（Proteus中的虚拟终端或串口调试助手）。

3）  串口输出格式要求：每次发送一帧完整数据，格式为"Temp:XX.XC  Humi:XX.X RH\r\n"。

4）  当温度超过30℃或湿度低于30%时，通过串口发送报警提示字符串"WARNING:Temperature/Humidity out of range!"。

5）  同时用一个LED作为超限报警指示灯，超限时LED闪烁。

6）  温湿度数据使用数码管显示

1）  保留AT89C51最小系统：12MHz晶振电路、上电复位电路。

2）   DHT11模块：DATA引脚接P1.0，VCC接+5V，GND接地，DATA与VCC之间接4.7k上拉电阻。

3）  串口电路：TXD(P3.1)接COMPIM的RXD，RXD(P3.0)接COMPIM的TXD，COMPIM波特率设为9600。

4）  报警LED：P2.1串联300Ω电阻接地。

5）  P0.0~P0.7 —数码管段选A~G/DP；P2.0~P2.7—位选（共阴）

6）  Proteus图纸中标注DHT11、COMPIM、LED等元件名称。

file:///C:/Users/ZHUANZ~1.DES/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image048.jpg

1）  定义全局变量temp_int、temp_dec、humi_int、humi_dec存储温湿度数据。

2）  编写uart_init()串口初始化函数，dht11_read()温湿度读取函数，uart_send_char()和uart_send_str()发送函数。

3）  main循环：每隔1秒调用dht11_read()读取数据，格式化组装字符串，通过串口发送。

4）  判断超限条件：温度>30或湿度<30时，置位报警标志，LED以500ms间隔闪烁。

5）  串口输出字符串时，需要将整数转为ASCII字符：数字n对应的字符为n+ '0'。

1）  按要求绘制Proteus工程，DHT11电路、串口电路连线规范，最小系统完整。

2）  按要求编写C语言程序，代码结构清晰，有必要注释；Keil编译无警告无错误。

3）  仿真测试：运行后虚拟终端每秒显示一行温湿度数据；修改DHT11的仿真值（Proteus中可调整），观察超限报警功能是否正常。

4）  记录仿真现象，截取Proteus仿真运行截图（含虚拟终端显示），截取Keil完整程序代码截图。

为什么51单片机串口通信常用11.0592MHz晶振而不是12MHz晶振？请结合波特率误差计算说明。

1）  实验文档采用配套实验文档模板。

2）  实验内容仅写指导手册中（四）综合实验内容部分，练习实验部分不做为实验文档内容。

3）  实验结果按截取仿真和程序截图，截图调整近似A4 纸大小，打印出来，作为附录放在文档最后页。