單片機的發(fā)展與應(yīng)用

侯聰

摘要：隨著德國工業(yè)4.0及中國制造2025的提出，自動化、智能化等理念被大眾所廣泛的提起。而自動化、智能化依靠的是信息的快速處理以及智能控制，要完成這一操作的最根本的因素之一就是單片機的使用。單片機目前在智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、軍工設(shè)備、醫(yī)用設(shè)備、計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域等領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此了解單片機的發(fā)展與應(yīng)用對我們早日進入工業(yè)4.0時代以及完成中國制造2025有著至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0；中國制造2025；自動化；單片機

引言：

單片機的全稱是單片微型計算機，是將微處理器（CPU）、存儲器ROM和RAM、定時器/計算器、中斷系統(tǒng)、輸入/輸出接口、總線和其他多種功能器件集成在一塊芯片上的微型計算機。目前單片機的重要應(yīng)用領(lǐng)域為智能化電子產(chǎn)品，一般需要嵌入到產(chǎn)品內(nèi)部，所以單片機有時又被稱為嵌入式微控制器。

單片機的發(fā)展

單片機誕生于20世紀70年代末，從嵌入式的角度來說經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。

1、SCM即單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)、嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)，使得單片機的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)得到了完善與創(chuàng)新。這一階段奠定了SCM與通用計算機大相徑庭的發(fā)展道路。而在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展的道路上的最大功臣就是Intel公司。

2、MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用，并且要設(shè)計對象系統(tǒng)所要求的各種外圍電路與接口電路，推動了單片機技術(shù)的智能化控制及其應(yīng)用。由于它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。而在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，形成了可滿足各種嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用要求的單片機系列產(chǎn)品，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。此外，Atmel公司以其先進的FLASH ROM技術(shù)推出了AT89C系列，引領(lǐng)了單片機的FLASH ROM潮流。

3、SOC即片上系統(tǒng)（System On Chip）階段，主要尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決，在現(xiàn)今的物聯(lián)網(wǎng)與微電子行業(yè)環(huán)境下，單片機的發(fā)展也逐漸形成了SOC化趨勢。并且伴隨著 微電子技術(shù)、集成電路設(shè)計、電子設(shè)計自動化工具的發(fā)展，基于SOC的單片機應(yīng)用設(shè)計在未來會有較大的發(fā)展。

目前單片機的發(fā)展正在朝著高性能、多內(nèi)部資源、多功能引腳、高可靠性、低電壓、低功耗、低噪聲和低成本的方向發(fā)展。而實現(xiàn)這一目標的手段包括全盤的CMOS化、光刻工藝的進步提高了集成度、CPU的改進、存儲容量的增加、并行接口的驅(qū)動能力提升、以串行方式為主的外圍擴展、外圍電路的內(nèi)裝化以及與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)。

單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

1.單片機在智能儀器儀表上的應(yīng)用

目前單片機在智能儀器儀表方面，例如示波器、功率計、各種譜分析儀等，結(jié)合了不同種類的傳感器，可以實現(xiàn)眾多物理量包括電流、電壓、溫度、濕度、流量、速度、長度、角度、壓力等的精確測量與控制。單片機在智能儀表中具有低功耗、微型化、可控制、靈活擴展和使用方便等眾多優(yōu)點。并且單片機在智能儀器儀表中，起到的作用不單單是數(shù)據(jù)的獲取，最關(guān)鍵還是對數(shù)據(jù)有了進一步處理的能力。例如在某些工業(yè)生產(chǎn)中，普通儀器在一些惡劣的環(huán)境下，會受到大量的干擾導(dǎo)致檢測結(jié)果誤差較大。而現(xiàn)代智能儀器儀表中，通過對單片機的控制，可采用平滑加工的形式對信號進行采樣，并且可以對噪聲等各種干擾因素進行濾波，從而得到更加準確的結(jié)果。而現(xiàn)在智能儀器中一旦儀器無法工作，單片機就會對儀器進行自檢，從而使工作人員更快的解決問題，恢復(fù)正常使用。

2.單片機在工業(yè)控制中的應(yīng)用

用單片機結(jié)合傳感器可以構(gòu)各式各樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及智能化的控制系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，自動報警系統(tǒng)、衛(wèi)星信號接收系統(tǒng)、汽車的智能控制甚至無人駕駛技術(shù)，并且單片機與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)可實現(xiàn)遠程通信控制。單片機在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用大大降低了勞動強度和生產(chǎn)成本，解放了勞動力，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，使產(chǎn)品的功能變得多樣化，大幅度提高了智能化程度。

3.單片機在家用電器中的應(yīng)用

單片機現(xiàn)在在家用電器上也被廣泛的應(yīng)用。電飯煲就是通過單片機與傳感器進行對鍋內(nèi)的食物進行溫度的實時監(jiān)測，在不同的模式下，食物到達單片機設(shè)定的溫度時，單片機就將電飯煲的加熱系統(tǒng)斷電，從而達到電飯煲的智能控制。洗衣機是簡單的通過單片機設(shè)定洗衣倒計時、轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向改變時間點等各種參數(shù)，來完成自動化洗衣。電冰箱和空調(diào)的自動變頻等功能都是通過單片機進行控制，指的是在當溫度達到設(shè)定溫度附近時，空調(diào)以及冰箱的工作頻率會降低，在溫度改變到一定的閾值時，再恢復(fù)到正常的工作頻率中。以此可見，單片機在家用電器中的應(yīng)用不僅可以使電器變得簡便化、智能化，更關(guān)鍵的是還可以到達節(jié)能減排的目的。

4.單片機在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用

現(xiàn)在基本上所有的單片機都具有通訊接口，可以很方便的實現(xiàn)計算機與單片機的數(shù)據(jù)通信，為通訊設(shè)備在計算機網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，從現(xiàn)在隨處可見的移動電話。無線電對講機到樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、手機遠程監(jiān)控等功能，現(xiàn)在的通訊設(shè)備基本上都采用了單片機來進行智能控制。

5.單片機在軍工設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

單片機憑借其高可靠性、寬適用溫度范圍以及良好的惡劣環(huán)境適應(yīng)力，被廣泛的應(yīng)用于導(dǎo)彈控制、魚雷制導(dǎo)控制、航天飛機導(dǎo)航以及智能武器裝備等軍工領(lǐng)域。

6.單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

單片機憑借其極高的反應(yīng)速度和準確性、可靠性已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在醫(yī)用設(shè)備中，例如醫(yī)用呼吸機，各種成分分析儀，監(jiān)護儀，B超及病床呼叫系統(tǒng)等等。

結(jié)語：

隨著現(xiàn)代社會科技的迅速發(fā)展，越來越多的機器都完成了從手工操作到自動化、智能化的過程，而在這一發(fā)展的過程中，單片機在其中的作用可謂十分重要。單片機可以通過對信息的處理和分析，來對儀器進行智能化控制。單片機的發(fā)展將決定我國進入工業(yè)4.0以及完成中國制造2025計劃的速度，因此，單片機的研發(fā)創(chuàng)新對我們來說是一次重大的挑戰(zhàn)。

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（作者單位：鄭州大學(xué)）