原创 单片机的原理及应用

近年来，随着科学技术的不断完善，推动了单片机的发展速度，也进一步促进了单片机在各个领域内的应用。作为微型控制器，单片机以其自身强大的功能特点获得了人们的认可，这也为其应用领域的不断拓宽奠定了基础。为了使人们对单片机有一个深入的了解和认识，本文就单片机的原理及应用进行浅谈。 1.单片机的原理 所谓的单片机是单片微型计算机的简称，它是一种十分典型的嵌入式微控制器，即MCU。从技术层面看，单片机并不是完成某个简单或复杂逻辑功能的芯片，实质上它是将一个计算机系统集成到一个芯片上，这是完全不同的两个概念。与普通的计算机相比，单片机唯独缺少的就是外围设备，总体来讲，每一个单片机都可以是一台计算机。由于其具有体积小、质量轻、价值低等优点，从而使其被广泛应用于多个领域当中。单片机刚刚被研制出来的时候，基本都是8位或是4位，其中最具代表性的要属INTEL研制开发的8051系列单片机，在此基础上开发出了MCS51 系列单片机，其基本原理如图1所示。

图1 MCS5系列单片机原理图

现如今，人们生活中所用的每一件电子类产品几乎都有单片机的身影，如手机、家用电器等等，同时，汽车以及复杂的工业控制中，单片机也成为不可或缺的重要组成部分之一，部分大型的工控系统中有时会有上百个单片机同时运行。由此可见，单片机的使用量现已远远超过了PC机和其它计算机。 1.1 单片机的构成 想要进一步了解单片机的原理，就必须对其各个组成部分有所了解。目前，常见的单片机绝大多数都是由以下几个部分构成： 1.1.1 运算器。可将单片机中的运算器视作为执行单元，其主要负责执行各种算术和逻辑运算，同时可以进行相关的逻辑测试，如零值测试等。运算器主要是通过接收来自于控制器发出的各种控制信号来完成相关执行操作的。通常一个算术操作会产生出一个运算结果，而一个逻辑操作则会产生出一个判决。 1.1.2 控制器。可将其视作为单片机中的控制单元，其主要作用是指挥与协调。具体负责指挥并控制CPU、内存以及输入输出设备间的数据流方向，通过接口电路可以与外部设备相连接。 1.1.3 寄存器。这是单片机的存储单元，主要由以下几个部分组成：累加器、数据寄存器、指令寄存器、指令译码器、程序计数器、地址寄存器。通常情况下，单片机运行时，CPU需要向存储器存储数据，并从内存中读取数据，此时需要用到数据寄存器和地址寄存器。

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1.2 单片机的特点 虽然单片机只是一块体积较小的芯片，但是它却有着普通微型计算机无法比拟的优越性，这主要是单片机自身的特点决定的。 1.2.1 RAM与ROM分工明确。RAM是单片机当中的数据存储器，其主要负责变量的存放，而ROM 是程序存储器，其中不存放任何变量，只存储各种程序、常数以及数据表格。由此可见，两者同为存储器却有着明确的分工，互不干扰、独立运作，这使得单片机的整体性能显著提高。 1.2.2 面向指令控制。为了充分满足各种控制功能的实际需要，单片机的逻辑控制能力要远远高于等级相同的CPU，尤其是单片机本身的处理能力更强、运行速度也更快，能够完成各种复杂的处理和控制。 1.2.3 多功能的I/O引脚。这是单片机独有的特点，其多功能主要体现在以下几个方面：可用作外部中断、作为PPG 的输出口、A/D的输入口等等。 1.2.4 可扩展性强。单片机的系统相对比较齐全，并且具有较强的功能扩展性，能够与各类微机接口芯片兼容，这为相关应用系统的开发设计提供了便利条件。 1.2.5 通用性强。单片机的应用具有较强的通用性。目前，一般都是将单片机作为控制器使用，虽然控制对象有所区别，但是单片机的控制功能却是通用的，其能够像微处理器一样被广泛应用于多个领域当中。 1.2.6 单片机是目前为止功能部件最齐全、体积最小的微型计算机，并且它的可靠性非常高，能够满足多个领域的应用需求。不仅如此，单片机的使用非常方便，响应速度较快，性价比超高。 1.3 单片机的应用领域 单片机作为一种高科技产品，其现已被广泛应用于各个领域当中，并且在各个领域的应用中，单片机都发挥着非常重要的作用。目前，单片机应用较多的领域主要包括智能仪器仪表、工业控制、家用电器、网络通信、模块化系统、航空航天、汽车制造、电力电子等等。

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2. 单片机的应用研究 上文中对单片机的主要应用领域进行介绍，这使我们对单片机的应用有了一个初步的了解。而对单片机应用的研究，并不是仅仅基于某个领域，而是要从应用系统的角度进行研究。下面重点对单片机的应用系统展开详细论述。 2.1 主机电路 单片机应用系统属于一种新型的人工智能系统，其主要是以软件控制、综合运算与分析为主的应用型系统。在该系统当中，主机电路为核心部分，也是整个系统的主控部件，其一般都是由单片机与扩展电路两个部分组成。 2.1.1 扩展芯片。在对主机电路进行设计的过程中，芯片的选择至关重要，应当依据系统的实际要求进行选择，芯片确定之后，应当将之与单片机进行正确连接。 2.1.2 单片机。在应用系统当中，单片机为主控部件，其质量与性能直接关系到整个系统的使用效果。在对系统各项指标参数进行分析之后，便可以确定单片机的具体机型，同时按照系统要求的分辨率、准确度以及程序的容量等指标确定单片机的位数及其容量。 2.1.3 扩展电路。它的主要作用是增加主机电路的容量以及I/O接口数。大体上可将扩展分为两个部分，即数据存储器的扩展和程序存储器的扩展。在进行扩展的过程中，可以利用估算的方法估计被控数据的容量以及软件程序的大小，并以此作为选择芯片的主要依据。需要注意的是，在选择存储器时必须留有足够的余量，这是因为程序运行以及数据输入和输出时全部都需要占用一定的内存。 2.2 过程通道 这是单片机应用系统实现现场数据控制的关键部分。通常情况下，过程通道主要是由两大部分组成，即输入和输出通道。单片机应用系统控制的外部对象的状态信息全部都是经由输入通道传输给单片机系统，并成为它的数据，随后单片机按照相应的程序对这些数据进行处理之后，再经由输出通道传输给外部控制元件，以此来实现对外部对象的控制。根据被控制对象的不同，大体上又可将过程通道分为以下两种：一种是模拟量通道，它是主机对模拟量信号的控制通道；另一种是开关型通道，它是主机对数字量信号的控制通道。这两种通道的结构存在较大的差异，在设计过程中，需要根据实际情况进行选择。 2.3 接口技术 为了使单片机应用系统的智能化特点得以充分体现，便需要通过人机接口或是通信接口与系统进行连接，以此来实现更高等级的智能控制。人机接口用于单片机系统与操作者之间进行信息交流，人机联系部件包括显示器、扫描仪、键盘、打印机等。单片机可以在接受人工操作命令的同时，将处理结果直观地展示给操作者，从而实现人机操作智能化；通信接口和数据总线负责多个单片机之间、单片机与计算机之间、单片机与外设之间的数据通信。合理选择通信接口和数据总线是确保数据通信的重要基础，通信接口主要分为并行和串行通信接口，在单片机之间的数据通信一般选用串行通信。 2.4 控制软件 如果说主机电路是单片机应用系统的核心，那么控制软件就是整个系统的灵魂之所在，软件程序的优劣将会直接影响到系统的使用功能、参数指标等。这就要求在系统开发设计阶段必须对软件程序进行优化，除了应当使软件程序满足系统的要求之外，还必须做到操作简单、速度快、内存占用少。目前，单片机应用系统的软件程序一般采用的都是模块化设计，在具体设计的过程中，需要重点考虑以下内容：主控程序模块，初始化程序模块、输入/ 输出程序模块以及功能模块等等。

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3. 单片机未来的发展方向 3.1 微型单片化 目前，常规单片机一般是将CPU、RAM、ROM、中断系统、并行和串行接口、时钟电路、定时电路等集成在单一芯片上。对于增强型单片机而言，不仅集成了常规单片机的单元，而且还集成了A/D 转换器、看门狗（WDT）、脉宽调制器（PMW）、液晶（LCD）驱动电路等，极大地丰富了单元电路，增加了功能。随着技术的发展，单片机厂商可以根据用户的需求为其量身定做单片机芯片，满足用户对单片机低功耗、小体积、强功能的要求。不同单片机拥有不同的封装形式，其中表面封装（SMD）越来越受到用户欢迎，推动了单片机构成系统向微型化发展。 3.2 容量大、性能强 传统单片机内的RAM为64-128B，ROM为1KB-4KB，如果将其运用到较为复杂控制系统中，其存储容量是远远不足的，此时还需外接扩充。为了满足单片机在复杂控制系统中的应用，必须运用新工艺扩大单片机的内存储器容量。现阶段，单片机内RAM 可达到2KB，ROM 可达到64KB。除此之外，单片机还可以改善CPU 的性能，提高指令运算速度和系统控制的可靠性。单片机可采用流水线技术和精简指令集，提升其自身的运行速度，当前最高指令速度已经达到100MIPS 以上，并且具备位处理、定时控制、中断等功能。相比较标准单片机而言，该类型单片机的运算速度提升10 倍以上。在如此高速的指令速度下，单片机可使用软件模拟I/O 功能，增加虚拟外设。 3.3 外围电路内装化 随着集成技术的发展，将多种功能器件集成在单片机内，使其外围电路内装化，已经成为单片机的发展趋势之一。单片机不仅可集成CPU、RAM、ROM、计数器等，还可以集成A/D、串行口、PWM、EEPROM、LCD驱动器等多功能单元。 3.4 功耗低 单片机功耗已经达到了1uA 以下，使电压范围拓宽在3~6V 之间，仅用电池就可以满足其能耗需求。在单片机达到低功耗化的同时，还可提高其可靠性、抗干扰能力，使单片机更为低电压化、便携化。现在的单片机均具备STOP、WAIT 等省电运行方式，允许使用的电压范围也在不断拓宽，尤其对于低电压供电的单片机而言，其电源下限可达1~2V，甚至出现了0.8V。为了使单片机具备更高的可靠性，实现噪声最小化，增强抗电磁干扰能力，单片机厂商在单片机内部电路上采用了新的技术措施，以确保单片机可在恶劣的工作环境下，满足电磁兼容性方面的更高工作要求。 结论： 总而言之，自单片机问世以来，其便被应用于生产和生活当中，随着单片机技术的不断发展和完善，现如今的单片机性能越来越强大，这使其在一些重要领域内获得了应用，如工业控制、航天机电等等，这也预示着单片机将会在不久的将来逐步渗透到各个领域当中。 【分页导航】