单片机的发展与应用综述

单片机的发展与应用综述

摘要:单片机自问世以来，因其小巧灵活、成本低、控制能力强、易于产品化等优势，在社会各领域中得到广泛的应用。本文对单片机技术的发展及应用进行了探讨。

关键词:单片机发展应用

单片机问世以来所走的路与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。

1 单片机技术的发展

所谓单片机是指在一个集成芯片中，集成微处理器(CPU)、存储器、基本的I/O 接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。单片机在集成度、功能、性能、体系结构方面都有了飞速发展，能集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。单片机主要用于工业测控领域，故又称为微控制器或嵌入式控制器。单片机的核心是中央处理器CPU。目前，单片机在工业测控领域中已占重要地位。各电气厂商、机电行业和测控企业都把单片机作为本部门产品更新换代、产品智能化的重要工具。

1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机。1971年Intel首先推出了4位微处理器芯片4004。此后各厂家相继推出4位机产品。因4位机每次只能处理一位BCD码数据，故只适于简单控制场合。但因其价廉，在家电等消费类产品中仍有广泛应用。

1972年Intel首先推出了8位微处理器8008，随后于1976年率先推出8位机MCS,48系列。1980年又推出MCS,51系列产品，其性能大大超过48系列产品。如计算速度为48系列的10倍，时钟12MHz时指令周期可为1μs等。在短短的二十几年间，8位微处理器经历了四次更新换代，其发展速度大约每二、三年要更新一代、集成度增加一倍、功能翻一番。其发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步，它已渗透到生产和生活的各个领域。由于8位机可以一次处理一个ASCII字符，因而用途十分广泛。如显示、终端键盘、打印、字处理、工业控制等。市场占有率70,以上。功能丰富，品种齐全，通用性强。

1978年Intel最先推出16位微处理器868系列，与随后Motorola的

M68000，Zilog的Z8000成为当时的三大系列16位微处理器。1988年Inte l推出MCS,96系列机。此机具有高速运算及高速处理和控制能力,具有16位的CPU，8位的外部总线，丰富高效的指令系统。片内有A ,D、PWM、Watchdog及灵活的中断系统。在工作频率12MHz时指令执行时间为1,2μs 。

随着高技术在智能机器人、光盘、激光打印机、图像与数据实时处理、复杂实时控制、网络服务器等领域的应用发展，16位机已显得无能为力，需要32位机才能满足要求。80年代末推出了多种32位机产品。其特点是:寻址能力在GB级以快速运算能力，直接支持高级语言和实时多任务执行。上，高指令执行速

度，

最新的64位机在引擎控制、智能机器人控制、磁盘控制、语音,图像通信、算法密集的实时控制等场合使用。英国Inmos公司的Transputer T800是64位高性能机。它集成有处理器、高速缓存、64位浮点运算器、存储控制器、串行接口，

适用于超高速并行处理。中央处理器为32位，其浮点运算速度达12亿次,秒。RAM 4k，I,O链接通道4组20Mbit,s，时钟频率25MHz，数据传输率100MB,s，可寻址外部存储空间4GB。外存储器传输率33MB,s。

尽管目前单片机的品种很多，但其中最具典型性的当数Intel公司的MCS-51

系列单片机。MCS-51是在MCS-48的基础上于80年代初发展起来的，虽然它仍然是8位的单片机，但其功能有很大的增强。由于PHILIPS、ATMEL、WELBORD、LG等近百家IC制造商都主产51系列兼容产品，具有品种全、兼容性强、软硬件资料丰富等特点。因此，MCS-51应用非常广泛，成为继MCS-48之后最重要的单片机品种。直到现在MCS-51仍不失为单片机中的主流机型。国内尤以Intel的MCS-51系列单片机应用最广。由于8位单片机的高性能价格比，估计近十年内，8位单片机仍将是单片机中的主流机型。

2 单片机技术的应用

随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作。且单片机广泛地应用于各种仪器仪表，使仪器仪表智能化，提高它们的测量速度和测量精度，加强控制功能。如MCS-51系列单片机控制的“船舶航行状态自动记录仪”、“烟叶水分测试仪”、“智能超声波测厚仪”等。单片机也广泛地应用于实时控制系统中，例如对工业上各种窑炉的温度、酸度、化学成分的测量和控制。将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。从航空航天、地质石油、冶金采矿、机械电子、轻工纺织等行业的分布系统与智能控制以及机电一体化设备和产品，到邮电通信、日用设备和器械，单片机都发挥了巨大作用。其应用大致可分为以下几方面:

(1)机电一体化设备的控制核心。机电一体化是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机的出现促

进了机电一体化技术的发展，它作为机电产品的控制器，充分发挥其自身优点，大大强化了机器的功能，提高了机器的自动化、智能化程度。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

(2)数据采集系统的现场采集单元。大型数据采集系统，要求数据采集的同步性和实时性要好。使用单片机作为系统的前端采集单元，由主控计算机发出采集命令，再将采集到的数据逐一送到主计算机中进行处理。如有些气象部门、油田采油部门以及电厂等均可采用这样的系统。

(3)分布控制系统的前端控制器。在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在直接控制级的计算机分布控制系统(DCS)中，单片机作为过程控制中每一分部操作或控制的控制器，进行数据采集、反馈计算、控制输出，并在上位机命令的指挥下进行相应协调工作。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。

(4)智能化仪表的机芯。自动化仪表的智能化程度越来越高。采用单片机的智能化仪表可具有自整定、自校正、自动补偿和自适应功能，还可进行数字PID调节，软件消除电流热噪声等等，解决传统仪表所不能解决的难题。单片机的应用使这种性能如虎添翼，如自动计费电度表、燃气表中已有这方面的应用。许多工业仪表中的智能流量计，气体分析仪、成分分析仪等也采用了这项技术。甚至有的保健治疗仪中也采用了单片机控制。

(5)消费类电子产品控制。该应用主要反映在家电领域，家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如洗衣机、空调器、保安系统、VCD视盘机、电子秤、IC卡、手机、BP机等。这些设备中使用了单片机机芯后，大大提高了其控制功能和性能，并实现了智能化、最优化控制。

(6)终端及外围设备控制。计算机网络终端设备，如银行终端、商业POS(自动收款机)以及计算机外围设备如打印机、通信终端和智能化UPS等。在这些设备中使用单片机，使其具有计算、存储、显示、输入等功能，具有和计算机连接的接口，使计算机的能力及应用范围大大提高。

(7)实时工业控制单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。

总之，随着信息时代的到来，传统单片机固有的结构缺陷，使其呈现出诸多弊端。其速度、规模、性能等指标越来越难以满足用户需求、因此单片机芯片的开发，升

级面临着新的挑战。