关于单片机的原理与应用！

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关于【单片机的原理与应用】

目录：

  • 一、什么是单片机
  • 二、总线
  • 三、单片机发展历程
  • 四、单片机芯片介绍
  • 五、单片机原理
  • 六、单片机应用
  • 七、单片机发展趋势

一、什么是单片机

单片机又称微控制器(Microcontroller Unit，简称MCU)，是采用超大规模集成电路技术把中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时/计数器、脉宽调制电路、A/D转换器等功能电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统。

单片机实质是用于控制目的的单片微型计算机，简称单片机

二、总线

单片机CPU与各部件之间采用三总线结构进行连接。总线是指计算机中CPU与各功能部件间传送信息的公共通道，包括地址总线AB（Address Bus）,数据总线DB(Data Bus)和控制总线CB(Control Bus)三种。

  • 地址总线：用于CPU向其它部件传送存储单元或I/O端口的地址信息，以进行指令或数据信息读取。
  • 数据总线：用于在CPU与其它部件间传送指令或数据信息。
  • 控制总线：用于在CPU与其它部件间传送控制或状态信息。

采用三总线结构，系统中各部件挂在总线上，当选中某部件时，可对该部件进行读写及控制，而其它部件与总线间处于“高阻态”，相当于与总线断开，从而实现各部件分时利用总线与CPU通讯。采用总线结构可以使计算机系统结构大为简化，并具有更好的可扩展性。

三、单片机发展历程

1、初级的发展阶段（20世纪70年代初期）

单片机元件集成规模比较小，功能比较简单，一般均把CPU、RAM（有的还包括了一些简单的I/O口）集成到芯片上。这个阶段的产品还需配上外围的其他处理电路方才构成完整的计算系统，因此还不是真正意义上的单片机。

较重要的产品有：

2、中级发展阶段（20世纪70年代中后期）

单片机集成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数器、简单的中断系统以及时钟等部件，是真正意义上的单片机。它以体积小，功能全，价格低赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展史上重要的里程碑。

较重要的产品有：

3、高级发展阶段（20世纪80年代至今）

单片机功能越来越强大，单片机的性能得到了飞速提高，集成了数目繁多的I/O接口、多种中断系统，还有一些带A/D转换等功能，RAM和ROM的容量也越来越大，寻址空间甚至可达64kB，应用领域更广泛。

较重要的产品有：

四、单片机芯片介绍

1、MCS-51系列单片机

Intel公司的MCS-51系列的8位单片机及其他公司的兼容单片机（称为8051系列单片机简称51单片机），在世界范围内得到广泛应用。结构简单，易学易懂，初学者的入门机型。

MCS-51系列单片机主要包括:

8031/8051/8751和8032/8052/8752。

2、AT89系列单片机

Intel精力集中在高档CPU芯片的开发、研制，以专利或技术交换形式把8051内核技术转让给ATMEL等公司。ATMEL公司将闪烁存储技术与8051内核相结合，形成了片内带有Flash存储器的单片机，AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容，有AT89C5x/AT89S5x两个系列。

3、AVR系列单片机（非8051内核单片机）

AVR系列单片机是1997年ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生共同研发出的精简指令集(RISC—Reduced Instruction SetComputer)的高速8位单片机，简称AVR。

AVR单片机包括ATmega系列、ATXmega系列、ATtiny系列还有AT90系列

4、PIC系列单片机（非8051内核单片机）

PIC单片机是Microchip公司的产品,其突出的特点是性价比高，功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。

STM32系列单片机

STM32系列单片机是意法公司专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。常见型号有：

STM32F103“增强型”系列、STM32F101“基本型”系列

STM32F105、STM32F107“互联型”系列

5、其他系列单片机

  • STC系列单片机

我国宏晶科技具有自主知识产权产品，可直接替换ATMEL等公司的产品。

  • EMC单片机

台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC 8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差.

  • PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)

PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。

五、单片机原理

单片机是一种集成电路芯片，集成了中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、多种输入输出接口（I/O）和中断系统等功能，形成一个小而完善的微型计算机系统。‌ 单片机通过超大规模集成电路技术将这些功能集成到一块硅片上，具有体积小、功耗低、价格低廉等特点。‌

单片机的工作原理主要包括输入、处理和输出三个部分。它通过I/O接口与外界传感器、按键等设备交互，获取输入信号，经过处理后生成控制信号，最终驱动执行设备如LED、蜂鸣器、继电器等。单片机的核心是中央处理器（CPU），负责运算和控制，时钟电路提供运行控制信号，定时/计数器实现定时或计数功能，I/O接口实现数据传送，中断控制系统响应中断请求。

单片机在工业控制、智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等领域有广泛应用。由于其体积小、质量轻、价格便宜，单片机为学习、应用和开发提供了便利条件，是了解计算机原理与结构的最佳选择。

六、单片机应用

单片机技术主要应用在以下几个方面：

1. 消费电子产品：单片机在消费电子产品中的应用非常广泛，从简单的遥控器到复杂的智能家居系统，单片机都提供了不可或缺的控制支持。它们可以处理用户输入，执行预设程序，甚至连接到网络，实现远程控制和数据交换。

2. 工业控制：在工业自动化领域，单片机扮演着监控设备运行状态、执行精确控制和数据采集的关键角色。例如，它们可用于电机的速度控制、生产线的自动化监控，以及各种传感器的数据处理。

3. 汽车电子：单片机在汽车电子中的应用也非常重要，包括发动机控制、安全气囊、车窗控制等。它们使得汽车更智能化、安全化。

4. 医疗设备：单片机在医疗设备中的应用也日益增多，如心脏监护仪、呼吸机、胰岛素泵等。

5. 通信设备：在通信设备中，单片机用于协议处理和信号控制，如蓝牙、Wi-Fi模块等。

6. 智能设备：随着物联网和智能设备的兴起，单片机在智能设备中的应用也越来越广泛，如智能手环、智能家居等。

7. 教育与科研：单片机在教育领域的应用也非常广泛，如电子制作课程、机器人竞赛等。在科研领域，单片机常用于数据采集、控制系统等。

七、单片机发展趋势

1、集成度更高、功能更强

半导体制作工艺的提高，使单片机的体积更小，时钟频率更高，也可以集成更多的存储器和部件，这使得单片机正朝着更加集成化和微型化的方向发展，功能更为强大，应用范围更加广泛。

2、功耗更低

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右。目前单片机普遍采用低功耗的CMOS(互补金属氧化物半导体工艺) ，且普遍采用空闲方式和掉电方式等节电模式，使得功耗越来越低。

3、主流与多品种共存

目前虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流。今后将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

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