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单片机应用综述

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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。

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、I2C Bus、 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CAN Bus 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，异地信息的传递通讯成为发展的需要。而大量的异地信息通讯是靠互联网实现的。那么，作为微型控制系统的核心，单片机与互联网的连接已经成为一种明显的走向。 
三、整体可靠性与集成度的提高 
1.全盘COMS化。互补金属氧化物半导体电骡具有较宽的工作电压、较低的功耗，已经成为目前单片机以及外围设备流行的半导体工艺。在更好的半导体工艺出现之前，其主导作用将会继续。 
2.更小的光刻工艺。更小的光刻工艺可以使芯片更小，成本更低，工作电压和功耗更低。特别是很多单片机都设置了多种工作方式包括等待、暂停、睡眠、空闲、节电等，而且越来越多地采用低频时钟和模拟电路结合的方式，这都需要高的集成度和低功耗等。所以，更小的光刻工艺将占据市场。 
3.可靠性以及应用水平越来越高。可靠性安全性的作用是一个我们对一个产品的最基本要求，单片机的发展也势必会致力于这一方面的提高。 
总之，单片机正向高性能、多内部资源、多功能化引脚、高可靠性、低电压。低功耗、低成本、低噪声的方向发展。
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