单片机应用综述

单片机应用综述摘要：本文以MCS-51系列单片机为模型，介绍了单片机的基本组成及一般原理。通过查阅相关资料认真总结了单片机的应用、发展以及影响等方面的知识，较为系统的介绍了单片机的发展历史、应用领域，以及预测单片机未来的发展前景。主要内容包括：单片机的基本硬件结构、发展历史、发展状况以及基本的应用。关键词：单片机、自动化、工业、控制前言：1971年英特尔公司研制出世界上第一个4位的微处理器；英特尔公司的霍夫成功研制了世界上第一块4位的位处理器芯片intel4004,。标志着第一代微理器的诞生，人类由此进入微机时代。在现阶段的工业生产中，单片机因其体积小、功耗低、功能强、性价比高、易于推广等特点，在自动化装置、智能仪表、过程控制、通信等几乎所有的工业领域都得到日益广泛的应用。自动化是衔接工业化和信息化的纽带，而单片机有事自动化领域最为核心的部件。在21世纪，随着制造工艺以及新材料的发现，单片机必将得到进一步的发展，这势必将大大提高单片机在工业及生活领域的应用程度。而随着越来越多的人关注自动化领域，必将会有大量的人才聚集在开发更快速、更简单、更方便的单片机。我们可以大胆的预测，智能化是我们未来的发展方向。在智能化的社会中，单片机就是它的大脑。因此，在未来的社会中，单片机必将科学和社会的进步推向一个高潮。简介：单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机是指在一个芯片上集成了中央处理器、存储器及各种I/O端口的微型计算机，英文简称MCU(MicroControllerUnit)。它主要面向控制性应用领域，因此又称为嵌入式微控制器。以51单片机为例，它的内部结构图如下所示：从图中我们可以看到，51单片机包含以下9个部分：1.中央处理单元CPU（8位）2.只读存储器ROM（4KB或8KB）3.随机存取存取器RAM（256B）4.并行输入/输出口I/O,P0~P4（32线）5.一个串行输入/输出口UART（二线）6.两个定时/计数器T（16位增量可编程）7.时钟电路8.中断系统9.可以寻址64KB的程序存储器和的64KB的外部数据存储器51系列单片机的引脚图：40个引脚按功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。1.电源:⑴VCC-芯片电源，接+5V；⑵VSS-接地端；2.时钟:XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。3.控制线:控制线共有4根，⑴ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①1ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址②PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。⑵PSEN:外ROM读选通信号。⑶RST/VPD:复位/备用电源。①RST（Reset）功能：复位信号输入端。②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。⑷EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。2.3/0PINT6.3/PWR3.3/1PINT0.1P1.1P2.1P3.1P4.1P5.1P6.1P7.1PPDVRST/0.3/PRXD1.3/PTXD4.3/0PT5.3/1PT7.3/PRD2XTAL1XTALVss1234567891011121314151617181920Vcc0.0P1.0P2.0P3.0P4.0P5.0P6.0P7.0PVppEA/PROGALE/PSEN7.2P6.2P5.2P4.2P3.2P2.2P1.2P0.2P2122232425262728293031323334353637383940803180518751VccVssPDVRST/1XTAL2XTALVppEA/PSENPROGALE/P3口第二功能P0口P1口P2口地址数据总线地址总线803180518751①EA功能：内外ROM选择端。②Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。4.I/O线80C51共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）5.P3口第二功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2INT0外部中断0（低电平有效）P3.3INT1外部中断1（低电平有效）P3.4T0定时计数器0P3.5T1定时计数器1P3.6WR外部数据存储器写选通（低电平有效）P3.7RD外部数据存储器读选通（低电平有效）单片机工作原理：单片机工作离不开软件,即存储在存储器中的已设计好的程序。所有带单片机的电子设备，它的工作原理当然与具体设备有关。但它的最基本的原理是一样的，即：1)从输入接口接收来自外界的信息存入存储器。这些信息主要包括2部分：来自诸如温度、压力等传感器的信息；来自人工干预的一些手动信息,如开关按钮等操作。2)单片机中的CPU根椐程序对输入的数椐进行高速运算处理。3)将运算处理的结果通过输出接口送去控制执行机构,如继电器、电机、等输出设备。当前这个过程不断重复着，即系统中的微电脑不断监视着各种信息，并及时作出不同的处理使系统正常运行。这就实现了自动控制。历史发展：第一阶段（1976年-1978年）：初级单片机阶段。以Inter公司MCS-48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU、I/O接口、8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K字节，简单的中断功能，无串行接口。第二阶段（1978年-1982年）：单片机完善阶段。在这一阶段推出的单片机其功能有较大的加强，能够应用于更多的场合。这个阶段的单片机普遍带有串行I/O口、有多级中断处理系统、16位定时器/计数器，片内集成的RAM、ROM容量加大，寻址范围可达64K字节。一些单片机片内还集成了A/D转换接口。这类单片机的典型代表有Inter公司的MCS-51、Motorola公司的6801和Zilog公司的Z8等。第三阶段（1982年-1992年）：8位单片机巩固发展及16位高级单片机发展阶段。在此阶段，尽管8位单片机的应用已广泛普及，但为了更好满足测控系统的嵌入式应用的要求，单片机集成的外围接口电路有了更大的扩充。这个阶段单片机的代表为8051系列。许多半导体公司和生产厂以MCS-51的8051为内核，推出了满足各种嵌入式应用的多种类型和型号的单片机。其主要技术发展有：1.外围功能集成。满足模拟量直接输入的ADC接口；满足伺服驱动输出的PWM；保证程序可靠运行的程序监控定时器WDT（俗称看门狗电路）。2.出现了为满足串行外围扩展要求的串行扩展总线和接口，如SPI、I2CBus、单总线（1-Wire）等。3.出现了为满足分布式系统，突出控制功能的现场总线接口，如CANBus等。4.在程序存储器方面广泛使用了片内程序存储器技术，出现了片内集成EPROM、EEPROM、FlashROM以及MaskROM、OTPROM等各种类型的单片机，以满足不同产品的开发和生产的需要，也为最终取消外部程序存储器扩展奠定了良好的基础。与此同时，一些公司面向更高层次的应用，发展推出了16位的单片机，典型代表有Inter公司的MCS-96系列的单片机。第四阶段（1993年-现在）：百花齐放阶段。现阶段单片机发展的显著特点是百花齐放、技术创新，以满足日益增长的广泛需求。其主要方面有：1.单片嵌入式系统的应用是面对最底层的电子技术应用，从简单的玩具、小家电；到复杂的工业控制系统、智能仪表、电器控制；以及发展到机器人、个人通信信息终端、机顶盒等。因此，面对不同的应用对象，不断推出适合不同领域要求的，从简易性能到多全功能的单片机系列。2.大力发展专用型单片机。早期的单片机是以通用型为主的。由于单片机设计生产技术的提高、周期缩短、成本下降，以及许多特定类型电子产品，如家电类产品的巨大的市场需求能力，推动了专用单片机的发展。在这类产品中采用专用单片机，具有低成本、资源有效利用、系统外围电路少、可靠性高的优点。因此专用单片机也是单片机发展的一个主要方向。3.致力于提高单片机的综合品质。采用更先进的技术来提高单片机的综合品质，如提高I/O口的驱动能力；增加抗静电和抗干扰措施；宽（低）电压低功耗等。单片机应用领域：1.在工业控制中的应用工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一，在测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。如各种测控系统、过程控制、程序控制、机电一体化、PIC等。单独使用单片机可以实现一些小规模的控制功能，作为底层检测、控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制系统。特别在机电一体化技术中，单排年级的结构特点使其更容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。2.在智能家电中的应用单片机功能完善、体积小、价格廉、易于嵌入，非常适合于对家用电器的控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化，是传统型家用电器的更新换代，现已广泛应用于洗衣机、空调、电视机、视盘机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。3.在网络通讯中的应用信息和通信产品的自动化和智能化程度很高，其中许多功能的完成都离不开单片机的参与。这里最具代表性和应用最广的产品就是移动通信设备，例如手机内的控制芯片就是属于专用型单片机。新型单片机普遍具备通信接口，可以方便地和计算机进行数据通信。例如rabbit公司有集成网络功能的8051内核的单片机在上面集成了TCP/IP协议栈或者选用以太网-RS232的模块，以此可以实现网络芯片与单片机直接接口。4.在汽车领域中的应用现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。特别是采用现场总线的汽车控制系统中，以单片机担当核心的节点通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功能，而且简化了系统结构。5.在国防航空航天中的应用现代国防中讲究的是信息化、机动化、智能化。在军事装备上越来越多的改革创新都与武器装备的自动控制有关，而这些控制的核心正是单片机的广泛应用。如：无人机、现代化作战飞机、航空母舰等。对于航空航天领域，为了实现对载人飞船、卫星的实时控制，必须要将单片机在通信及智能仪器等等方面的应用综合起来。6.在智能仪器中的应用内部含有点片剂的仪器系统称为智能仪器，也称为微机化仪器。这类仪器大多采用单片机进行信息处理、控制及通信，与非智能化仪器相比，功能得到了强化，增加了诸如数据存储、故障诊断、联网集控等功能。以单片机作为核心组成智能仪器表已经是自动化仪表发展的一种趋势。单片机现状及趋势：一、内部器件的优化1、CPU的改进。CPU是单片机的核心，他的功能的发展与提高，势必会带动单片机的发展。目前单片机内大多数为单CPU结构，只有8根数据总线。未来单片机会采用双ＣＰＵ结构，增加数据总线，提高数据处理速度与能力；同时，采用流水线结构，提高处理和运算速度，以适应实时控制和处理的需要。2、增大存储容量。目前的单片机片内容量较小，片内ROM一般小于８KB，RAM一般小于256B。虽然可以扩展但是这样一来会带来较多麻烦，如接口的扩展等等，而且程序很难保密。所以，片内EPROM的E2PROM化，以及程序的保密化成为单片机的发展潮流。3、提高并行接口的驱动能力，以减少外围驱动芯片从而增加外围I/O的逻辑功能和控制的灵活性。二、外围器件电路的优化1.以串行方式为主的外围扩展任将为主导。串行扩展具有方便、灵活、电路系统简单，占有I/O接口资源少等等优点，可以大大降低远距离传送成本等等功效，所以，未来外围设备的扩展将以串行方式为主。2.外围电路的内装化。由于集成电路工艺的不断改进和提高，越来越多的复杂外围电路集成到单片机中，如D/A转化器、A/D转化器、看门狗电路、？LCD控制器等。这样使得单片机系统的体积大大减小，功能大大提高。3.和互联网的连接。对于高度发达的信息时代，世界变小了。所以，异地控制