1.1 概述

1.1.1 單片機(jī)的概念

單片機(jī)，就是把中央處理器CPU（Central Processing Unit）、存儲器（Memory）、定時器/計數(shù)器（Timer/Counter）、I/O（Input/Output）接口電路等計算機(jī)的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機(jī)。中文“單片機(jī)”的稱呼就是由英文名稱“Single Chip Microcomputer”直接翻譯而來的。

單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在芯片內(nèi)集成了許多針對測控對象的接口電路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。這些對外電路及外設(shè)接口已經(jīng)突破了微型計算機(jī)傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，所以更為確切反映單片機(jī)本質(zhì)的名稱應(yīng)是微控制器MCU（Micro Controller Unit）。單片機(jī)的芯片體積小，在現(xiàn)場環(huán)境下可高速可靠運(yùn)行，在工業(yè)現(xiàn)場完全作嵌入式應(yīng)用，它有專門為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，因此單片機(jī)又稱為嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）。綜上所述，我們可以把單片機(jī)理解為一個單芯片形態(tài)的微控制器，它是一個典型的嵌入式應(yīng)用計算機(jī)。而在國內(nèi)我們?nèi)匀涣?xí)慣地稱之為“單片機(jī)”或“單片微機(jī)”，在本書中我們使用“單片機(jī)”一詞。

1.1.2 單片機(jī)的發(fā)展歷史

單片機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度的不同，可以分為4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)、32位機(jī)，最早研制成功的單片機(jī)是4位機(jī)。1971年，美國Intel公司生產(chǎn)出了第一片4位單片機(jī)——4004，它將微型計算機(jī)的運(yùn)算部件和邏輯控制部件集成在一起。1976年又推出了MCS-48系列8位單片機(jī)，成為單片機(jī)發(fā)展進(jìn)程中的一個重要階段。

在 MCS-48系列單片機(jī)的基礎(chǔ)上，許多半導(dǎo)體公司和計算機(jī)公司爭相研制和發(fā)展自己的單片機(jī)系列。其中最典型、應(yīng)用最廣泛的是Intel公司在20世紀(jì)80年代初推出的MCS-51系列8位單片機(jī)，主要技術(shù)特征是配置了外部并行總線和串行通信接口，規(guī)范了特殊功能寄存器的控制模式，以及為增強(qiáng)控制功能而強(qiáng)化了布爾處理系統(tǒng)和相關(guān)的指令系統(tǒng)。

1982年以后，16位單片機(jī)問世，代表產(chǎn)品是Intel公司的MCS-96系列，16位單片機(jī)比起8位機(jī)，數(shù)據(jù)寬度增加了一倍，實(shí)時處理能力更強(qiáng)，主頻更高，集成度達(dá)到了12萬只晶體管，RAM增加到了232B,ROM則達(dá)到了8KB，并且有8個中斷源，同時配置了多路的A/D轉(zhuǎn)換通道、高速的I/O處理單元，適用于更復(fù)雜的控制系統(tǒng)。在工業(yè)控制產(chǎn)品、智能儀表、彩色復(fù)印機(jī)、錄像機(jī)等應(yīng)用領(lǐng)域中，16位單片機(jī)大有用武之地。近幾年，32位單片機(jī)也得到了快速發(fā)展，如ARM處理器系列等。

盡管目前單片機(jī)品種繁多，但其中最為典型的仍當(dāng)屬Intel公司的MCS-51系列單片機(jī)，它具有功能強(qiáng)大、兼容性強(qiáng)、軟硬件資料豐富的優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)也以此系列的單片機(jī)應(yīng)用最為廣泛。直到現(xiàn)在，MCS-51系列單片機(jī)仍不失為單片機(jī)中的主流機(jī)型。

1.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用

單片機(jī)具有功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，而且其性價比高，很多單片機(jī)芯片甚至只需幾元錢就能買到，再加上少量的外圍元件，就可以構(gòu)成一個功能優(yōu)越的計算機(jī)智能控制系統(tǒng)，因此單片機(jī)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，其主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下。

1.工業(yè)自動化控制

單片機(jī)可以用于構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、自適應(yīng)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。如數(shù)控機(jī)床、工廠流水線的智能化管理、電梯控制、化工控制系統(tǒng)、智能大廈管理系統(tǒng)、與計算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。

2.智能儀器儀表

采用單片機(jī)控制可使儀器儀表數(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(qiáng)大。結(jié)合不同類型的傳感器，利用單片機(jī)的軟件編程技術(shù)進(jìn)行誤差修正、線性化的處理等，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、角度、硬度、壓力等物理量的精確測量。

3.智能化家用電器

目前，家用電器已普遍采用單片機(jī)控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電子線路控制，如智能冰箱、智能電飯煲、智能洗衣機(jī)、空調(diào)、微波爐、視聽音響設(shè)備、大屏幕顯示系統(tǒng)等。單片機(jī)將使人們的生活更加方便舒適，豐富多彩。

4.辦公自動化

單片機(jī)可以使辦公設(shè)備功能更加豐富，使用更方便。如PC機(jī)、考勤機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)、手機(jī)、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、無線電對講機(jī)等。

除此之外，單片機(jī)還應(yīng)用于玩具、醫(yī)療器械、汽車電子、航空航天系統(tǒng)甚至尖端武器等。

單片機(jī)的應(yīng)用從根本上改變了控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)計思想，以前由硬件電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，現(xiàn)在都可以利用單片機(jī)通過軟件控制加以實(shí)現(xiàn)。以前自動控制中的PID調(diào)節(jié)，現(xiàn)在可以用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)具有智能化的數(shù)字計算控制、模糊控制和自適應(yīng)控制。這種以軟件取代硬件并能提高系統(tǒng)性能的控制技術(shù)正在不斷地發(fā)展完善。