淺談地磅單片機的歷史應(yīng)用及其發(fā)展前景

單片機是指一個集成在一個芯片上的完整計算機系統(tǒng)，目前它已滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，它從根本上改變了系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的設(shè)計思想和設(shè)計方法，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。

單片機是指一個集成在一個芯片上的完整計算機系統(tǒng)， 它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。單片機應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)了。這種軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。

一、單片機概述

單片機是指一個集成在一個芯片上的完整計算機系統(tǒng)。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。 同時，學(xué)習(xí)使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。

單片機也被稱為微控制器（Microcontroler），是因為它最早被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU 的專用處理器發(fā)展而來。 最早的設(shè)計理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU 集成在一個芯片中， 使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。 早期的單片機都是 8 位或 4 位的。 其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。 此后在 8031 上發(fā)展出了 MCS51 系列單片機系統(tǒng)。 基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了 16 位單片機， INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應(yīng)用，32 位單片機迅速取代 16 位單片機的高端地位，并且進入主流市場。當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。

單片機比專用處理器更適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了最多的應(yīng)用。事實上單片機是世界上數(shù)量最多的計算機。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標(biāo)等電腦配件中都配有 1~2 部單片機。 汽車上一般配備 40 多部單片機，復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百臺單片機在同時工作. 單片機的數(shù)量不僅遠超過 PC 機和其他計算的綜合，甚至比人類的數(shù)量還要多。

現(xiàn)在，單片機的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等,各種產(chǎn)品一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效， 常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞—“智能型”，如智能型洗衣機等。

二、單片機的應(yīng)用領(lǐng)域

目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。 導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸， 工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。

單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇：

1.在智能地磅上的應(yīng)用

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、壓力等物理量的測量。 采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分析儀）。

2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用

用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。

3.家用電器中的應(yīng)用

可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。

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

現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話， 集群移動通信，無線電對講機等。

5.單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。

6.在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用

某些專用單片機設(shè)計用于實現(xiàn)特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復(fù)雜的類似于計算機的原理。 如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。

三、單片機的發(fā)展趨勢

目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展趨勢將是進一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。 下面是單片機的主要發(fā)展趨勢。

1.CMOS 化

近年，由于 CHMOS 技術(shù)的進小，大大地促進了單片機的 CMOS 化。 目前生產(chǎn)的 CHMOS 電路已達到LSTTL 的速度 ，傳輸延遲時間小于 2ns，它的綜合優(yōu)勢已在于 TTL 電路。 因而，在單片機領(lǐng)域 CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。

2.低功耗化

單片機的功耗已從 Ma 級，降至 1uA 以下；使用電壓在 3~6V 之間，完全適應(yīng)電池工作。 低功耗化的效應(yīng)不僅是功耗低， 而且?guī)砹水a(chǎn)品的高可靠性、高抗干擾能力以及產(chǎn)品的便攜化。

3.低電壓化

幾乎所有的單片機都有 WAIT、STOP 等省電運行方式。 允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3~6V范圍內(nèi)工作。 低電壓供電的單片機電源下限已可達1~2V。 目前 0.8V 供電的單片機已經(jīng)問世。

4.低噪聲與高可靠性

為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產(chǎn)品能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，滿足電磁兼容性方面更高標(biāo)準(zhǔn)的要求，各單片廠家在單片機內(nèi)部電路中都采用了新的技術(shù)措施。

大容量化 以往單片機內(nèi)的 ROM 為 1KB~4KB，RAM 為 64~128B。 但在需要復(fù)雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。 為了適應(yīng)這種領(lǐng)域的要求，須運用新的工藝，使片內(nèi)存儲器大容量化。目前， 單片機內(nèi) ROM 最大可達 64KB，RAM 最大為2KB。

5.高性能化

主要是指進一步改進 CPU 的性能， 加快指令運算的速度和提高系統(tǒng)控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)和流水線技術(shù) ，可以大幅度提高運行速度 。  現(xiàn) 指 令 速 度 最 高 者 已 達 100MIPS （MillionInstruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。 這類單片機的運算速度比標(biāo)準(zhǔn)的單片機高出 10 倍以上。 由于這類單片機有極高的指令速度， 就可以用軟件模擬其 I/O 功能，由此引入了虛擬外設(shè)的新概念。

6.小容量、低價格化

與上述相反，以 4 位、8 位機為中心的小容量、低價格化也是發(fā)展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數(shù)字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產(chǎn)品。

7.外圍電路內(nèi)裝化

這也是單片機發(fā)展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內(nèi)。 除了一般必須具有的 CPU、ROM、RAM、定時器/計數(shù)器等以外， 片內(nèi)集成的部件還有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、DMA 控制器、聲音發(fā)生器、監(jiān)視定時器、液晶顯示驅(qū)動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。

8.串行擴展技術(shù)

在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結(jié)構(gòu)擴展外圍器件成為單片機應(yīng)用的主流結(jié)構(gòu)。隨著低價位 OTP（One Time Programble）及各種類型片內(nèi)程序存儲器的發(fā)展，加之處圍接口不斷進入片內(nèi)，推動了單片機“單片”應(yīng)用結(jié)構(gòu)的發(fā)展。 特別是 I C、SPI等串行總線的引入， 可以使單片機的引腳設(shè)計得更少，單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡化及規(guī)范化。

隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將更強。 在單片機家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司將其MCS –51 系列中的 80C51 內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51 單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了 80C51 的許多特性。 這樣，80C51 就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族， 現(xiàn)統(tǒng)稱為 80C51 系列。

80C51 單片機已成為單片機發(fā)展的主流。 專家認為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容， 但是客觀發(fā)展表明，80C51 可能最終形成事實上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片。