单片机的发展与应用

侯聪

摘要：随着德国工业4.0及中国制造2025的提出，自动化、智能化等理念被大众所广泛的提起。而自动化、智能化依靠的是信息的快速处理以及智能控制，要完成这一操作的最根本的因素之一就是单片机的使用。单片机目前在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、军工设备、医用设备、计算机网络和通信领域等领域都发挥着至关重要的作用。因此了解单片机的发展与应用对我们早日进入工业4.0时代以及完成中国制造2025有着至关重要的作用。

关键词：工业4.0；中国制造2025；自动化；单片机

引言：

单片机的全称是单片微型计算机，是将微处理器（CPU）、存储器ROM和RAM、定时器/计算器、中断系统、输入/输出接口、总线和其他多种功能器件集成在一块芯片上的微型计算机。目前单片机的重要应用领域为智能化电子产品，一般需要嵌入到产品内部，所以单片机有时又被称为嵌入式微控制器。

单片机的发展

单片机诞生于20世纪70年代末，从嵌入式的角度来说经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。

1、SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态、嵌入式系统的最佳体系结构，使得单片机的技术体系结构得到了完善与创新。这一阶段奠定了SCM与通用计算机大相径庭的发展道路。而在开创嵌入式系统独立发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）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用，并且要设计对象系统所要求的各种外围电路与接口电路，推动了单片机技术的智能化控制及其应用。由于它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。而在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，形成了可满足各种嵌入式系统的应用要求的单片机系列产品，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。此外，Atmel公司以其先进的FLASH ROM技术推出了AT89C系列，引领了单片机的FLASH ROM潮流。

3、SOC即片上系统（System On Chip）阶段，主要寻求应用系统在芯片上的最大化解决，在现今的物联网与微电子行业环境下，单片机的发展也逐渐形成了SOC化趋势。并且伴随着 微电子技术、集成电路设计、电子设计自动化工具的发展，基于SOC的单片机应用设计在未来会有较大的发展。

目前单片机的发展正在朝着高性能、多内部资源、多功能引脚、高可靠性、低电压、低功耗、低噪声和低成本的方向发展。而实现这一目标的手段包括全盘的CMOS化、光刻工艺的进步提高了集成度、CPU的改进、存储容量的增加、并行接口的驱动能力提升、以串行方式为主的外围扩展、外围电路的内装化以及与互联网的互联。

单片机的应用领域

1.单片机在智能仪器仪表上的应用

目前单片机在智能仪器仪表方面，例如示波器、功率计、各种谱分析仪等，结合了不同种类的传感器，可以实现众多物理量包括电流、电压、温度、湿度、流量、速度、长度、角度、压力等的精确测量与控制。单片机在智能仪表中具有低功耗、微型化、可控制、灵活扩展和使用方便等众多优点。并且单片机在智能仪器仪表中，起到的作用不单单是数据的获取，最关键还是对数据有了进一步处理的能力。例如在某些工业生产中，普通仪器在一些恶劣的环境下，会受到大量的干扰导致检测结果误差较大。而现代智能仪器仪表中，通过对单片机的控制，可采用平滑加工的形式对信号进行采样，并且可以对噪声等各种干扰因素进行滤波，从而得到更加准确的结果。而现在智能仪器中一旦仪器无法工作，单片机就会对仪器进行自检，从而使工作人员更快的解决问题，恢复正常使用。

2.单片机在工业控制中的应用

用单片机结合传感器可以构各式各样的数据采集系统以及智能化的控制系统。例如工厂流水线的智能化管理，自动报警系统、卫星信号接收系统、汽車的智能控制甚至无人驾驶技术，并且单片机与计算机联网构成二级控制系统可实现远程通信控制。单片机在工业控制中的广泛应用大大降低了劳动强度和生产成本，解放了劳动力，提高了产品质量的稳定性，使产品的功能变得多样化，大幅度提高了智能化程度。

3.单片机在家用电器中的应用

单片机现在在家用电器上也被广泛的应用。电饭煲就是通过单片机与传感器进行对锅内的食物进行温度的实时监测，在不同的模式下，食物到达单片机设定的温度时，单片机就将电饭煲的加热系统断电，从而达到电饭煲的智能控制。洗衣机是简单的通过单片机设定洗衣倒计时、转速和旋转方向改变时间点等各种参数，来完成自动化洗衣。电冰箱和空调的自动变频等功能都是通过单片机进行控制，指的是在当温度达到设定温度附近时，空调以及冰箱的工作频率会降低，在温度改变到一定的阈值时，再恢复到正常的工作频率中。以此可见，单片机在家用电器中的应用不仅可以使电器变得简便化、智能化，更关键的是还可以到达节能减排的目的。

4.单片机在计算机网络和通信领域中的应用

现在基本上所有的单片机都具有通讯接口，可以很方便的实现计算机与单片机的数据通信，为通讯设备在计算机网络中的应用提供了良好的物质基础，从现在随处可见的移动电话。无线电对讲机到楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、手机远程监控等功能，现在的通讯设备基本上都采用了单片机来进行智能控制。

5.单片机在军工设备领域中的应用

单片机凭借其高可靠性、宽适用温度范围以及良好的恶劣环境适应力，被广泛的应用于导弹控制、鱼雷制导控制、航天飞机导航以及智能武器装备等军工领域。

6.单片机在医用设备领域中的应用

单片机凭借其极高的反应速度和准确性、可靠性已经被广泛的应用在医用设备中，例如医用呼吸机，各种成分分析仪，监护仪，B超及病床呼叫系统等等。

结语：

随着现代社会科技的迅速发展，越来越多的机器都完成了从手工操作到自动化、智能化的过程，而在这一发展的过程中，单片机在其中的作用可谓十分重要。单片机可以通过对信息的处理和分析，来对仪器进行智能化控制。单片机的发展将决定我国进入工业4.0以及完成中国制造2025计划的速度，因此，单片机的研发创新对我们来说是一次重大的挑战。

参考文献

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（作者单位：郑州大学）