--------浅谈单片机发展及应用
摘要：单片机诞生于1971年，它包含了计算机的基本组成单元,仍由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段发展已成为现代计算机技术的支柱产业。单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
关键词：单片机 发展 现代化 分类
单片机是在一块芯片上集成了处理单元(CPU)、存储器(RAM/ROM)、定时器/计数器及输入/输出(I/O)接口等元器件的微型计算机系统。单片机的出现是计算机制造技术不断发展的产物,是计算机发展的一个重要分支。就单片机组成而言,虽然它只是一块芯片,但它包含了计算机的基本组成单元,仍由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成,只不过这些都集成在一块芯片上罢了,所谓“麻雀虽小,五脏俱全”,这种结构使得单片机成为具有独特功能和特色的计算机。[1]
一、单片机的发展历史
单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；Intel公司的霍夫研制成功世界上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国《经济学家》杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。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。
二、单片机的分类
单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。
1、4位单片机
4 位单片机的控制功能较弱,CPU 一次只能处理4 位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制器。典型产品有NEC 公司的UPD 75××系列、NS 公司的COP400 系列、松下公司的MN1400 系列、ROCKWELL 公司的PPS/1系列、富士通公司的MB88 系列、夏普公司的SM××系列、Toshiba 公司的TMP47×××系列等等。
① 华邦公司的W741系列的4位单片机带液晶驱动,在线烧录,保密性高,低操作电压(1.2V~1.8V)。
② 东芝单片机的4位机在家电领域有很大市场。
2、2.8位单片机
8 位单片机 8 位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。和4 位单片机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O 接口和定时器/计数器个数都有了不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是8 位机中的高性能增强型单片机，除片内增加了A/D 和D/A 转换器外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器(Watchdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资源丰富和功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。代表产品有Intel 公司的MCS-48 系列和MCS-51 系列 、Microchip 公司的PIC16C××系列和PIC17C××系列以及PIC1400 系列、Motorola 公司的M68HC05 系列和M68HC11 系列、Zilog 公司的Z8 系列、荷兰Philips 公司的80C51 系列(同MCS-51 兼容)、Atmel公司的AT 系列(同MCS-51 兼容)、NEC 公司的UPD78××系列等等。
3、51系列单片机
8031/8051/8751是Intel公司早期的产品。应用的早，影响很大，已成为世界上的工业标准。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。
8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的27系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。
在众多的51系列单片机中，要算 ATMEL 公司的ATC51、ATS52更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为 ATMEL ATxx 做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。而且，ATC51、ATS51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。
4、PIC系列单片机
由美国Microchip公司推出的PIC单片机系列产品，首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器，其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。
现在PIC系列单片机在世界单片机市场的份额排名中已逐年升位，尤其在8位单片机市场，据称已从1990年的第20位上升到目前的第二位。PIC单片机从覆盖市场出发，已有三种(又称三层次)系列多种型号的产品问世，所以在全球都可以看到PIC单片机从电脑的外设、家电控制、电讯通信、智能仪器、汽车电子到金融电子各个领域的广泛应用。现今的PIC单片机已经是世界上最有影响力的嵌入式微控制器之一。
5、双总线结构
具有CISC结构的单片机均在同一存储空间取指令和数据，片内只有一种总线。这种总线既要传送指令又要传送数据(如图1－a所示)。因此，它不可能同时对程序存储器和数据存储器进行访问。因与CPU直接相连的总线只有一种，要求数据和指令同时通过，显然“乱套”，这正如一个“瓶颈”，瓶内的数据和指令要一起倒出来，往往就被瓶颈卡住了。所以具有这种结构的单片机，只能先取出指令，再执行指令(在此过程中往往要取数)，然后，待这条指令执行完毕，再取出另一条指令，继续执行下一条。这种结构通常称为冯•诺依曼结构，又称普林斯顿结构。
在这里PIC系列单片机采用了一种双总线结构，即所谓哈佛结构。这种结构有两种总线，即程序总线和数据总线。这两种总线可以采用不同的字长，如PIC系列单片机是八位机，所以其数据总线当然是八位。但低档、中档和高档的PIC系列机分别有12位、14位和16位的指令总线。这样，取指令时则经指令总线，取数据时则经数据总线，互不冲突。
6、 两级指令流水线结构
由于PIC系列单片机采用了指令空间和数据空间分开的哈佛结构，用了两种位数不同的总线。因此，取指令和取数据有可能同时交叠进行，所以在PIC系列微控制器中取指令和执行指令就采用指令流水线结构。当第一条指令被取出后，随即进入执行阶段，这时可能会从某寄存器取数而送至另一寄存器，或从一端口向寄存器传送数等，但数据不会流经程序总线，而只是在数据总线中流动，因此，在这段时间内，程序总线有空，可以同时取出第二条指令。当第一条指令执行完毕，就可执行第二条指令，同时取出第3条指令，……如此等等。这样，除了第一条指令的取出，其余各条指令的执行和下一条指令的取出是同时进行的，使得在每个时钟周期可以获得最高效率。
在大多数微控制器中，取指令和指令执行都是顺序进行的，但在PIC单片机指令流水线结构中，取指令和执行指令在时间上是相互重叠的，所以PIC系列单片机才可能实现单周期指令。
7、AVR系列单片机
AVR单片机是1997年由ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精简指令集高速8位单片机。AVR的单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。
②AVR 8-Bit MCU的最大特点
与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是：
哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力；
超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；
快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；
作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；
片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；
大部分AVR片上资源丰富：带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，Analog Comparator，WDT等；
大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序。
8、16-BIT 单片机
16 位单片机是在1983 年以后发展起来的。这类单片机的特点是：CPU是16 位的，运算速度普遍高于8 位机，有的单片机的寻址能力高达1MB，片内含有A/D 和D/A转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器等。典型产品有Intel 公司的MCS-96/98 系列、Motorola 公司的M68HC16系列、NS 公司的783××系列、TI公司的MSP430系列等等。
其中，以MSP430系列最为突出。它采用了精简指令集（ RISC ）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
三、单片机在智能灯光控制系统中的应用
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，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，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使 用的各种智能IC卡，民用豪华轿 车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
1、节能控制系统的总体功效
区域内灯光节能控制器通过单片机的内部程序实现对区域内照明灯管系统进行自动化智能控制和调节。从整个系统的功能效果来看，其系统的输入参数主要是区域内人体存在信号、环境温湿度、光照强度等特征信息当量。即：在区域内检测到有人存在时，结合环境温湿度、环境光照等外部因素，动态判断是否开启灯光系统以及照明灯具相互节能匹配方案等。
当环境光照等满足区域内照明规范需求时，就会控制灯具不打开，即只有当区域内存在学习人员且外部环境光照强度参数达到某种阈值条件以下时，在内部计算分析判断合理调节照明灯具开启匹配方案，达到区域内照明灯光高效稳定节能运行效果。为了实现对区域内照明系统进行高效节能而又能灵活控制，且不耗费多余的人力、物力，系统采用单片机作为控制系统的核心控制器，同时辅助以人体感应装置或热释电传感器、红外对射计数装置、光敏元件检测装置等硬件系统保证控制系统的可靠性和准确性。结合各种传感器采集的区域实际数据，结合硬件实现信号的传输和控制器的分析处理，实现节能控制系统对局域内照明系统自动化、智能化节能控制。
2、节能控制系统的设计方案
设计采用热释电传感器作为光照检测和热释电信号处理电路的集成化模块，模块包括PIR 热释电传感器和veneer 透镜以及信号综合处理芯片。所用热释电传感器模块在加上veneer 透镜时感应距离可达到7m，感应角度可达到110°。因为热释电传感器输出的信号幅值较小（小于1 mV），不能被单片机所接收，更不能直接用于驱动照明系统，所以其输出信号必须经过1 个信号处理电路，使得输出信号转变成适合单片机处理的数字信号。BISS0001 作为综合处理芯片，具有高性能的信号处理能力和高度集成的芯片，内含运算放大器、定时器、状态控制器、电压比较器等元器件，集成芯片可以和热释电传感器、红外传感器构成被动式热释电红外延时开关。
当某一个热释电传感器的检测位置没有人体感应信号时，系统并不能确定该处是否有人员存在，这时需要红外对射管计数装置对此处人员进行二次确认。如果红外对射管计数装置的误差存在，假如误差为1人，那么主程序必须认为只有当该位置人数大于1时才可返回主程序继续监测[3].当主程序检测到人数增加时，延时20s后，热释电传感器检测人员位置，然后给照明设备开启改位置照明的信号，从而开启此次照明设备，并保持其他位置的照明设备状态不变。
四、总结
单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前 采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊 控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。
参考文献：
[1]潘琢金，施国君．C8051FXXX高速SOC单片机原理与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[2]杨淑英.单片机应用的广阔前景[J].价值工程,2010,(2):248.下载本文
