【51单片机】串口通讯从入门到精通：原理拆解 + 参数详解 + 51 单片机实战指南

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前言

串口作为嵌入式开发中核心的通讯接口，凭借低成本、简线路、广适配的优势，成为设备间数据交互的关键载体。本文从串口本质与串并行通讯差异切入，系统拆解单/半/全双工模式、电平标准、数据帧结构等核心参数，详解波特率、校验位、停止位的配置逻辑，为51单片机串口编程、设备间远距离通信打下坚实基础，助力快速掌握串口通讯核心原理与应用要点。

一、什么是串口？它的作用？

串行口，简称为串口，什么是串口？它的作用是什么？​
两个人交流，一般通过在说话在空气中产生的声波传输，两台机器交流，我们可以模拟摩斯密码一样，其中一台机器通过IO发送对应频率高低电平的脉冲，另一台机器接收进行解析，但这种操作IO的方式需要我们考虑的问题很多，多快的频率，谁发谁收，丢失了一个脉冲怎么办等等，于是后面就有了规范这些交流的协议，简称为通讯协议，基于通讯方式的不同，也有了串行通讯和并行通讯两种通讯方式。​
串口是一种应用十分广泛的通讯接口，串口成本低、容易使用、通信线路简单，可实现两个设备的互相通信。

1.1 串行通讯

串行通信是指使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息，特别适用于计算机与计算机，计算机与外设之间的远距离通信，先传输低位再传输高位。如下图所示：

1.2 并行通讯

并行通信通常是将数据字节的各位用多条数据线同时进行传送，通常是8位，16位，32位等数据一起传输

1.3 串并行通讯的特点与对比

串行通信的特点：
优点：传输线少，长距离传送时成本低，且可以利用电话网等现成的设备，
缺点：但数据的传送控制比并行通信复杂。​
并行通信的特点：
优点：控制简单，传输速度快；
缺点:由于传输线较多，长距离传送时成本高且接收方的各位同时接受存在困难，抗干扰能力差。​
总结：
各有特点，现阶段绝大部分的通讯口都使用串口。​

二、串口的参数

2.1 串行通信的基本方式

(a.)单工通信：数据只能单方向传输。​
(b.)半双工通信：通信双方交替进行双向数据传输，但两个方向的传输不能同时进行。​
(c.)全双工通信：通信双方可同时进行数据收发的工作方式。51单片机的串行口是全双工传输方式。

2.2 串口电平标准​

传输线缆中人为规定的电压与数据的对应关系，串口常用的电平标准有如下三种：​
•TTL电平（transistor transistor logic ）： +3V~+5V 表示 1 ， 0V 表示 0​
•RS232 电平： -3~-15V 表示 1 ， +3~+15V 表示 0​
•RS485 电平：两线压差 +2~+6V 表示 1 ， -2~-6V 表示 0 （差分信号）​
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2.3 串口数据结构

一个完整的串行数据，也就是一个数据帧（Data frame），包括起始位、数据位、停止位、奇偶校验位。数据位前后即帧头和帧尾，包含一些必要的控制信息。其中，MSB（Most Significant Bit）是指低地址存放最高有效字节，LSB（Least Significant Bit）则是低地址存放最低有效字节（一般使用这个）。

MSB与LSB：以20存储为例子
20 - > 0x14 -> 0b0001 0100​
MSB: 0010 1000​
LSB: 0001 0100

2.4 串口波特率

通俗解析就是，波特率越高，传输速度越快。​
常见的串口典型的“波特率”值是300/1200/2400/9600/19200/38400/115200 /230400等。​
串口通信速率，单位时间内传输二进制的位数（例波特率为9600，指1s内传输9600位，则传输一位需要1/9600=104.17us） ​

2.5 串口校验位

2.5.1 N 无校验

不加校验位，可以少传输一位数据

2.5.2 O 奇校验

要传输的数据中（不包含校验位）有奇数个‘1’ 则校验位为‘0’， 反之为‘1’

例：数据‘1111 000’ 偶数个‘1’ 所以添加校验位为‘1’ 整体为‘1111 0000 1’

2.5.3 E 偶校验

要传输的数据中（不包含校验位）有偶数个‘1’ 则校验位为‘0’， 反之为‘1’

2.5.4 固定校验

M（Mark 标记、符合）检验位固定为1​
S（Space 空间、空地）校验位固定为0

2.6 串口停止位

停止位，停止位是一帧数据结束的标志，可以是1bit、1.5bit或者2bit逻辑“1” 高电平​
如果没有停止位，接收设备就无法知道何时一个数据包结束，从而无法正确地处理接收到的数据。

2.7 空闲位​

空闲位不算是串口报文内的数据, 它是发送完一组报文后，总线会自动将电平拉高，产生1bit 逻辑“1”的空闲位​。
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总结与每日励志

✨本文系统介绍了串口通讯的核心原理与应用要点。首先对比了串行与并行通讯的优缺点，指出串行通讯凭借低成本、简线路的优势成为主流。随后详细解析了单工、半双工和全双工三种工作模式，以及TTL、RS232等电平标准。重点阐述了串口数据帧结构，包括起始位、数据位、校验位和停止位的作用，并解释了波特率对传输速度的影响。最后说明了奇偶校验和空闲位的功能。文章为51单片机串口编程和设备间通信提供了理论基础，帮助开发者快速掌握串口通讯的关键技术参数与配置方法。