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单片机在工业中的发展与应用论文综述
单片机在工业中的发展与应用（论文综述）
安徽科技学院黄建男
摘要：
本文以MCS-51系列单片机为模型,阐述单片机的基本组成及一般原理。
通过查阅相关资料认真总结了单片机的原理、应用、发展以及影响等方面的知识，较为详细的介绍了当前单片机的应用领域以及发展历程及其发展前景.主要内容包括:
单片机的基本原理、硬件结构、基本的应用以及发展的历史与趋势的介绍。
本文的目的是为了让大家对单片机有一个更为深入、全面的认识，以适应单片机技术的高速发展与应用领域的广泛性，在以后的学习工作中真正做到与时俱进。
我们发现，近几年单片机在国内得到快速发展应用领域也不断扩大，这表明，单片机在我国的工业领域将会得到更广泛的应用与发展。
关键词：
单片机；发展；应用；工业；
引言
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Intel4004，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。
1982年单片机进入中国，短短几年时间里发展迅速。
1986年在上海召开了全国首届单片机开发与应用交流会，在当时国内掀起了一股单片机之潮。
时至今日，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，录像机、摄像机、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。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
单片机本身具有不可替代的优越性：
（1）高集成度，体积小，高可靠性
单片机将各功能部件集成在一块晶体芯片上，集成度很高，体积自然也是最小的。
芯片本身是按工业测控环境要求设计的，内部布线很短，其抗工业噪音性能优于一般通用的CPU。
单片机程序指令，常数及表格等固化在ROM中不易破坏，许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。
（2）控制功能强 为了满足对对象的控制要求，单片机的指令系统均有极丰富的条件:
分支转移能力，I/O口的逻辑操作及位处理能力，非常适用于专门的控制功能。
（3）低电压，低功耗，便于生产便携式产品为了满足广泛使用于便携式系统，许多单片机内的工作电压仅为1.8V～3.6V，而工作电流仅为数百微安。
（4）易扩展片内具有计算机正常运行所必需的部件。
芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。
（5）优异的性能价格比单片机的性能极高。
为了提高速度和运行效率，单片机已开始使用RISC流水线和DSP等技术。
单片机的寻址能力也已突破64KB的限制，有的已可达到1MB和16MB，片内的ROM容量可达62MB，RAM容量则可达2MB。
由于单片机的广泛使用，因而销量极大，各大公司的商业竞争更使其价格十分低廉，其性能价格比极高。
本文以Intel公司的MCS-51单片机为模型，系统介绍了单片机的工作原理、硬件结构、基本的应用领域以及发展历史与发展趋势。
1单片机简介
单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。
由于单片机在工业控制领域的广泛应用，为使更多的业内人士、学生、爱好者，产品开发人员掌握单片机这门技术，于是产生单片机开发板，比较有名的例如电子人DZR-01A单片机开发板。
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体积要求严格的控制设备当中。
INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。
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INTELi960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。
单片机比专用处理器更适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。
事实上单片机是世界上数量最多的计算机。
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！
单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的总和，甚至比人类的数量还要多。
单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。
概括的讲：
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。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机芯片
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。
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！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
2单片机的原理及其硬件结构
单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。
×××××、×××××、×××××、××××××××××××××××××××
单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程，即一条条执行的指令的过程，所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来，这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的，一条指令对应着一种基本操作；单片机所能执行的全部指令，就是该单片机的指令系统，不同种类的单片机，其指令系统亦不同。
为使单片机能自动完成某一特定任务，必须把要解决的问题编成一系列指令（这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令），这一系列指令的集合就成为程序，程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。
存储器由许多存储单元（最小的存储单位）组成，就像大楼房有许多房间组成一样，指令就存放在这些单元里，单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样，每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号，该地址号称为存储单元的地址，这样只要知道了存储单元的地址，就可以找到这个存储单元，其中存储的指令就可以被取出，然后再被执行。
程序通常是顺序执行的，所以程序中的指令也是一条条顺序存放的，单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行，必须有一个部件能追踪指令所在的地址，这一部件就是程序计数器PC（包含在CPU中），在开始执行程序时，给PC赋以程序中第一条指令所在的地址，然后取得每一条要执行的命令，PC之中的内容就会自动增加，增加量由本条指令长度决定，可能是1、2或3，以指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。
3单片机在工业中的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用
某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：
音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7.单片机在汽车设备领域中的应用
单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
4单片机的发展历史与前景
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Intel4004，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。
1971年11月，Intel推出MCS-4微型计算机系统（包括4001ROM芯片、4002RAM芯片、4003移位寄存器芯片和4004微处理器）其中4004包含2300个晶体管，尺寸规格为3mm×4mm，计算性能远远超过当年的ENIAC，最初售价为200美元。
1972年4月，霍夫等人开发出第一个8位微处理器Intel8008。
由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，因此仍属第一代微处理器。
1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；1973年8月，霍夫等人研制出8位微处理器Intel8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。
主频2MHz的8080芯片运算速度比8008快10倍，可存取64KB存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS（MillionInstructionsPerSecond）。
1975年4月，MITS发布第一个通用型Altair8800，售价375美元，带有1KB存储器。
这是世界上第一台微型计算机。
1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。
Zilog公司于1976年开发的Z80微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制设备。
当时，Zilog、Motorola和Intel在微处理器领域三足鼎立。
20世纪80年代初，Intel公司在MCS-48系列单片机的基础上，推出了MCS-51系列8位高档单片机。
MCS-51系列单片机无论是片内RAM容量，I/O口功能，系统扩展方面都有了很大的提高。
数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。
在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。
在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。
下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。
1、内部结构的进步
单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：
定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。
有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。
例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。
特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。
因此，这类单片机十分容易构成网络。
特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。
为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。
有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。
在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。
特别引人注目的是：
现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。
这是一种建立在系统级芯片（Systemonachip）概念上的结构。
这种单片机由三个核组成：
一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。
这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。
虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。
把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。
这是目前单片机最大的进步之一。
这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。
这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上。
2、功耗、封装及电源电压的进步
现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。
Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。
而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列，它是一个16位的系列，有超低功耗工作方式。
它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。
当电源为3V时，如果工作于LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于1～4MHz，这时功耗只有50?
A。
在LPM3时，振荡器处于32kHz，这时功耗只有1.3?
A。
在LPM4时，CPU、外围及振荡器32kHz都不活动，则功耗只有0.1?
A。
现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。
在这种形势中，Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。
这是PIC12CXXX系列。
它含有0.5～2K程序存储器，25～128字节数据存储器，6个I/O端口以及一个定时器，有的还含4道A/D，完全可以满足一些低档系统的应用。
扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。
目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。
而一些厂家，则生产出可以在2.2～6V的条件下工作的单片机。
这些单片机有Fujitsu公司的MB89191～89195，MB89121～125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2～6V的工作电压条件。
而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的。
3、工艺上的进步
现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6?
m以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35?
m甚至是0.25?
m技术。
这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。
以单片机为核心的嵌入式系统
单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。
目前，把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。
但是，Internet一向是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。
这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了"杀鸡用牛刀"了。
要实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。
为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以和Internet相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。
目前，为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连，已有多家公司在进行这方面的较多研究。
这方面较为典型的有emWare公司和TASKING公司。
EmWare公司提出嵌入式系统入网的方案--EMIT技术。
这个技术包括三个主要部分：
即emMicro，emGateway和网络浏览器。
其中，emMicro是嵌入设备中的一个只占内存容量1K字节的极小的网络服务器；emGateway作为一个功能较强的用户或服务器，它用于实现对多个嵌入式设备的管理，还有标准的Internet通信接入以及网络浏览器的支持。
网络浏览器使用emObjicts进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。
如果嵌入式设备的资源足够，则emMicro和emGateway可以同时装入嵌入式设备中，实现Internet的直接接入。
否则，将要求emGateway和网络浏览器相互配合。
EmWare的EMIT软件技术使用标准的Internet协议对8位和16位嵌入式设备进行管理，但比传统上的开销小得多。
目前，单片机应用中提出了一个新的问题：
这就是如何使8位、16位单片机控制的产品，也即嵌入式产品或设备能实现和互联网互连？
TASKING公司目前正在为解决这个问题提供了途径。
该公司已把emWare的EMIT软件包和有关的软件配套集成，形成一个集成开发环境，向用户提供开发方便。
嵌入互联网联盟ETI（embedtheInternetConsortium）正在紧密合作，共同开发嵌入式Internet的解决方案。
在不久将会有成果公布。
单片机应用的可靠性技术发展
在单片机应用中，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，这些新技术表现在如下几点：
1、EFT（ElectricalFastTransient）技术
EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时，就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。
这样，就提高了单片机工作的可靠性。
Motorola公司的MC68HC08系列单片机就采用了这种技术。
2、低噪声布线技术及驱动技术
在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。
这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。
现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。
这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。
现在为了适应各种应用的需要，很多单片机的输出能力都有了很大提高，Motorola公司的单片机I/O口的灌拉电流可达8mA以上，而Microchip公司的单片机可达25mA。
其它公司：
AMD，Fujitsu，NEC，Infineon，Hitachi，Ateml，Tosbiba等基本上可达8～20mA的水平。
这些电流较大的驱动电路集成到芯片内部在工作时带来了各种噪声，为了减少这种影响，现在单片机采用多个小管子并联等效一个大管子的方法，并在每个小管子的输出端串上不同等效阻值的电阻，以降低di/dt，这也就是所谓"跳变沿软化技术"，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。
3、采用低频时钟
高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。
对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。
在一些单片机中采用内部琐相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。
Motorola公司的MC68HC08系列及其16/32位单片机就采用了这种技术以提高可靠性。
单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：
·可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。
·所集成的部件越来越多；NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。
原因是其内部已集成上各种应用电路。
·功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。
随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，最终人们可能发现：
单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。
5总结
单片机的产生改变了世界面貌，它标志着微机时代的到来。
随着单片机的发展，
参考文献
[1]主要作者.文献题目[文献类型标识].期刊名称,年,卷（期）:
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Developmentandapplicationofsingle-chipinindustry
（英文摘要、关键词）
Abstract:
TheIntelMCS-51seriessingle-chipmodel,thebasiccomponentsofsingle-chip,aswellasthegeneralprinciplesareincludedinthispaper.Byrelevantinformationthroughcarefullysummeduptheprinciplesofsingle-chip,application,developmentandimpactofknowledge,amoredetaileddescriptionofthecurrentsingle-chipapplicationsaswellasthedevelopmentproces
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