单片机原理及机械工程应用
—论单片机技术的应用
学院：机械学院 专业：机械设计及理论 姓名： 学号：
摘要：单片微型计算机简称单片机。它是在一块芯片上集成处理器（CPU）、随机存取
存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器及I/O接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛。单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。本文介绍了单片机的产生发展、功能特点、应用开发等内容。
关键字：单片机，嵌入式系统， 应用，发展
1.概述
单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统,它最早被用在工业控制领域。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，也就是说一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。单片机虽然小，但它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。同时它也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。
2.研究现状
单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。现代人类生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作。几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，广泛使用的各种智能IC卡等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要多。
早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，
单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储
3.单片机的特点
众所周知，数字技术和计算机技术已渗透到了工业、农业、商业、教育、医疗、军事、娱乐等每一个领域以及生活中的每一个角落，其应用的广度和深度已经到了令人无不为之咋舌惊叹的地步！当今，工程技术人员在设计开发一个系统或一个新产品的时候，首先考虑的是如何应用计算机技术以提高市场竞争能力。
尽管PC机的应用已相当普遍，但是，在工控领域，在日益追求小而精、轻而薄的自动化控制器、自动化仪器仪表、家电产品等方面，PC机仍有所不相适宜的地方。而工业控制、仪器仪表、家电产品等市场广阔，要求PC机技术与之相适应。在这种情况下，单片机应运而生了。
微型计算机的基本结构是由处理器（CPU）、储存器（RAM/ROM）、和I/O设备构成的。所谓的单片机是指将上述微型计算机3个单元的多个分体中的主要功能用1个集成电路芯片来实现，使该芯片具有一个微型计算机的基本功能。这种超大规模集成电路芯片即称为单片微型计算机，通常简称单片机。
在单片机的发展史上，美国INTEL公司的贡献十分突出：1976年该公司研制出第一代通用单片机—MCS-48系列，1980年相继推出第二代8位增强型单片机—MCS-51系列，1983年又推出了16位单片机—MCS-96系列，近年又退出了32位乃至位的单片机，可谓发展迅猛。另外，除INTEL公司以外，PHILIPS公司、SIEMENS公司、MOTOROLA公司等许多大公司，纷纷推出了名目繁多的派生芯片。归纳出来，它是沿着两条路发展的：
（1）改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功耗； （2）在保留共同的CPU体系结构，最基本的外设装置（如异步串行口，定时器等）和一套公用的指令系统的基础山上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内，在同一家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。
另外，在单片机的应用中，可靠性是首要因素。为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。近年来，单片机的生产厂家在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，主要表现在EFT(Electrical Fast Transient)技术、低噪音布线技术及驱动技术、采用低频时钟。实质上，如上所述，单片机的出现是由两个方面的因素促成的。其一是人类生产的需要，如仪表的智能化、工业过程控制系统的智能化等都要求构成这些设备的核心部件，必须体积小、控制功能强、抗干扰等。另一方面，计算机技术和电子学技术的迅猛发展，使技术发达国家在70年代已具备了制造超大规模集成电路的能力，使得单片机可以被实现。
单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制方面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功能。因此，单片机又常常被人称为微控制器。
单片机和微型计算机类似，具有三总线，可以进行算术运算和逻辑运算，并通过控制逻辑由总线将运算结果输出到存储器和I/O设备等。但是，它与微型计算机在内在表现和外在表现方面又有许多差别。概况起来，单片机具有以下特点：
（1）存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM用作程序存储器，只存放程序、常数和数据表格，而RAM用作数据存储器，存放临时数据和变量。这样的设计方案更适用于实时控制系统。配置较大的程序存储空间ROM，将已调试好的程序固化其中，不仅掉电时程序不丢失，还避免程序被破坏，从而确保了程序的安全性。实时控制仅需容量较小的RAM，用于存放少量随机数据，这样有利于提高单片机的操作速度。
（2）采用面向控制的指令系统。在实时控制方面，尤其是在“位”操作方面单片机有着不俗的表现。
（3）应用注重现场工程，因此体积小。
（4）品种规格的系列化。属于同一个产品系列的、不同型号的单片机，通常具有相同的内核、相同或者兼容的指令系统。其主要的差别仅是在片内配置了一些不同种类或不同数量的功能部件，以适应不同的被控对象。
（5）单片机的硬件功能具有广泛的通用性。同一种单片机可以用在不同的控制系统中，
只是其中所配置的软件不同而已。
（6）只能借助专门的开发系统进行开发。 （7）功耗低。
（8）价格低。8031和80196的价格只有几十元左右，比D/A芯片价格便宜许多，并有逐年下降的趋势。
由于上述特点和优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工程领域得到广泛应用。
4.单片机的应用开发
单片机功能的实现和应用主要依靠其程序的应用，通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。在单片机应用开发中，程序的使用效率问题、抗干扰性和可靠性等问题仍困扰着。因此在单片机开发中应掌握的到几个基本的技巧方式， 使单片机的通过编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性。 （1）用C语言进行单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。如果使用C编程时，要达到最高的效率，最好熟悉所使用的C编译器。先试验一下每条C语言编译以后对应的汇编语言的语句行数，这样就可以很明确的知道效率。在今后编程的时候，使用编译效率最高的语句。各家的C编译器都会有一定的差异，故编译效率也会有所不同，优秀的嵌入式系统C编译器代码长度和执行时间仅比以汇编语言编写的同样功能程度长5-20％。对于复杂而开发时间紧的项目时，可以采用C语言，但前提是要求你对该MCU系统的C语言和C编译器非常熟悉，特别要注意该C编译系统所能支持的数据类型和算法。虽然C语言是最普遍的一种高级语言，但由于不同的MCU厂家其C语言编译系统是有所差别的，特别是在一些特殊功能模块的操作上。所以如果对这些特性不了解，那么调试起来问题就会很多，反而导致执行效率低于汇编语言。
（2）程序中的问题的减少应该先考虑系统运行中应考虑的超范围管理参数如下。物理参数：这些参数主要是系统的输入参数，它包括激励参数、采集处理中的运行参数和处理结束的结果参数。资源参数：这些参数主要是系统中的电路、器件、功能单元的资源，如记忆体容量、存储单元长度、堆叠深度。应用参数：这些应用参数常表现为一些单片机、功能单元的应用条件。过程参数：指系统运行中的有序变化的参数。
（3）防止干扰最有效的方法是去除干扰源、隔断干扰路径，但往往很难做到，所以只能看单片机抗干扰能力够不够强了。在提高硬件系统抗干扰能力的同时，软件抗干扰以其设计灵活、节省硬件资源、可靠性好越来越受到重视。单片机干扰最常见的现象就是复位；至于程序跑飞，其实也可以用软件陷阱和看门狗将程序拉回到复位状态；所以单片机软件抗干扰最重要的是处理好复位状态。一般单片机都会有一些标志寄存器，可以用来判断复位原因；另外你也可以自己在RAM中埋一些标志。在每次程序复位时，通过判断这些标志，可以判断出不同的复位原因；还可以根据不同的标志直接跳到相应的程序。这样可以使程序运行有连续性，用户在使用时也不会察觉到程序被重新复位过。
（4）当一个单片机系统设计完成，对于不同的单片机系统产品会有不同的测试项目和方法，但是有一些是必须测试的：测试单片机软件功能的完善性；上电、掉电测试；老化测试；ESD和EFT等测试。有时候，我们还可以模拟人为使用中，可能发生的破坏情况。例如用人体或者衣服织物故意摩擦单片机系统的接触端口，由此测试抗静电的能力。用大功率电钻靠近单片机系统工作，由此测试抗电磁干扰能力等。
在现代社会中，单片机已成为计算机发展和应用的不可忽视的方面，它的应用的重要意义还在于，从根本上改变了传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能用单片机通过软件方法来实现了。这种软件代替硬件的控制技术也称为微控制技术，是传统控制技术的一次。此外在开发和应用过程中我们更要掌握技巧，提高效率，以便于发挥它更加广阔的用途。
5.结论
需要提到的是，单片机的发展虽然经历了4位、8位、16位各阶段，但4位、8位、16位单片机仍各有其应用领域，如4位单片机在一些简单家用电器、高档玩具中仍有应用，8位单片机在中、小规模应用场合仍占主流地位，16位单片机在比较复杂的控制系统中才有应用，32位单片机因控制领域对它的需求并不十分迫切，所以32位单片机在我国的应用并不多。
正是由于单片机具有上述显著的特点，使单片机的应用范围日益扩大。单片机的应用，打破了人们的传统设计思想，原来很多模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，通过软件来完成。使用单片机具有体积小、可靠性高、性能价格比高和容易产品化的优点。
参考文献：
[1]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京：北京 航空航天大学出版社，1990
[2]杨文龙．单片机原理及应用[M]．西安：西安电子科技大学出版社，1993．
[3]孙涵芳.MCS-51/96系列单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996 [4]李朝青．PC机及单片机数据通信技术[M]．北京：北京航空航天大学出版，2001．
