淺談地磅單片機的歷史應用及其發展前景

單片機是指一個集成在一個芯片上的完整計算機系統，目前它已滲透到我們生活的各個領域，它從根本上改變了系統的控制系統的設計思想和設計方法，是傳統控制技術的一次革命。

單片機是指一個集成在一個芯片上的完整計算機系統， 它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現在最強大的單片機系統甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統集成在一塊芯片上。 目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。單片機應用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統的控制系統設計思想和設計方法。從前必須由模擬電路或數字電路實現的大部分功能，現在已能用單片機通過軟件方法來實現了。這種軟件代替硬件的控制技術也稱為微控制技術，是傳統控制技術的一次革命。

一、單片機概述

單片機是指一個集成在一個芯片上的完整計算機系統。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質量輕、價格便宜、為學習、應用和開發提供了便利條件。 同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件：CPU、內存、內部和外部總線系統，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現在最強大的單片機系統甚至可以將聲音、圖像、網絡、復雜的輸入輸出系統集成在一塊芯片上。

單片機也被稱為微控制器（Microcontroler），是因為它最早被用在工業控制領域。單片機由芯片內僅有CPU 的專用處理器發展而來。 最早的設計理念是通過將大量外圍設備和 CPU 集成在一個芯片中， 使計算機系統更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。 早期的單片機都是 8 位或 4 位的。 其中最成功的是 INTEL 的 8031，因為簡單可靠而性能不錯獲得了很大的好評。 此后在 8031 上發展出了 MCS51 系列單片機系統。 基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了 16 位單片機， INTEL i960 系列特別是后來的 ARM 系列的廣泛應用，32 位單片機迅速取代 16 位單片機的高端地位，并且進入主流市場。當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。

單片機比專用處理器更適合應用于嵌入式系統，因此它得到了最多的應用。事實上單片機是世界上數量最多的計算機。現代人類生活中所用的幾乎每件電子和機械產品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電腦配件中都配有 1~2 部單片機。 汽車上一般配備 40 多部單片機，復雜的工業控制系統上甚至可能有數百臺單片機在同時工作. 單片機的數量不僅遠超過 PC 機和其他計算的綜合，甚至比人類的數量還要多。

現在，單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統、家用電器等,各種產品一旦用上了單片機，就能起到使產品升級換代的功效， 常在產品名稱前冠以形容詞—“智能型”，如智能型洗衣機等。

二、單片機的應用領域

目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。 導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數據傳輸， 工業自動化過程的實時控制和數據處理，廣泛使用的各種智能 IC 卡民用豪華轎車的安全保障系統，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫療器械了。

單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：

1.在智能地磅上的應用

單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現諸如電壓、功率、頻率、壓力等物理量的測量。 采用單片機控制使得儀器儀表數字化、智能化、微型化，且功能比起采用電子或數字電路更加強大。例如精密的測量設備（功率計，示波器，各種分析儀）。

2.在工業控制中的應用

用單片機可以構成形式多樣的控制系統、數據采集系統。 例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統，與計算機聯網構成二級控制系統等。

3.家用電器中的應用

可以這樣說，現在的家用電器基本上都采用了單片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調機、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤量設備，五花八門，無所不在。

4.在計算機網絡和通信領域中的應用

現代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進行數據通信，為在計算機網絡和通信設備間的應用提供了極好的物質條件，現在的通信設備基本上都實現了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話， 集群移動通信，無線電對講機等。

5.單片機在醫用設備領域中的應用

單片機在醫用設備中的用途亦相當廣泛，例如醫用呼吸機，各種分析儀，監護儀，超聲診斷設備及病床呼叫系統等等。

6.在各種大型電器中的模塊化應用

某些專用單片機設計用于實現特定功能，從而在各種電路中進行模塊化應用，而不要求使用人員了解其內部結構。如音樂集成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就需要復雜的類似于計算機的原理。 如：音樂信號以數字的形式存于存儲器中（類似于 ROM），由微控制器讀出，轉化為模擬音樂電信號（類似于聲卡）。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領域都有著十分廣泛的用途。

三、單片機的發展趨勢

目前，單片機正朝著高性能和多品種方向發展趨勢將是進一步向著 CMOS 化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發展。 下面是單片機的主要發展趨勢。

1.CMOS 化

近年，由于 CHMOS 技術的進小，大大地促進了單片機的 CMOS 化。 目前生產的 CHMOS 電路已達到LSTTL 的速度 ，傳輸延遲時間小于 2ns，它的綜合優勢已在于 TTL 電路。 因而，在單片機領域 CMOS 正在逐漸取代 TTL 電路。

2.低功耗化

單片機的功耗已從 Ma 級，降至 1uA 以下；使用電壓在 3~6V 之間，完全適應電池工作。 低功耗化的效應不僅是功耗低， 而且帶來了產品的高可靠性、高抗干擾能力以及產品的便攜化。

3.低電壓化

幾乎所有的單片機都有 WAIT、STOP 等省電運行方式。 允許使用的電壓范圍越來越寬，一般在 3~6V范圍內工作。 低電壓供電的單片機電源下限已可達1~2V。 目前 0.8V 供電的單片機已經問世。

4.低噪聲與高可靠性

為提高單片機的抗電磁干擾能力，使產品能適應惡劣的工作環境，滿足電磁兼容性方面更高標準的要求，各單片廠家在單片機內部電路中都采用了新的技術措施。

大容量化 以往單片機內的 ROM 為 1KB~4KB，RAM 為 64~128B。 但在需要復雜控制的場合，該存儲容量是不夠的，必須進行外接擴充。 為了適應這種領域的要求，須運用新的工藝，使片內存儲器大容量化。目前， 單片機內 ROM 最大可達 64KB，RAM 最大為2KB。

5.高性能化

主要是指進一步改進 CPU 的性能， 加快指令運算的速度和提高系統控制的可靠性。采用精簡指令集（RISC）結構和流水線技術 ，可以大幅度提高運行速度 。  現 指 令 速 度 最 高 者 已 達 100MIPS （MillionInstruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加強了位處理功能、中斷和定時控制功能。 這類單片機的運算速度比標準的單片機高出 10 倍以上。 由于這類單片機有極高的指令速度， 就可以用軟件模擬其 I/O 功能，由此引入了虛擬外設的新概念。

6.小容量、低價格化

與上述相反，以 4 位、8 位機為中心的小容量、低價格化也是發展動向之一。這類單片機的用途是把以往用數字邏輯集成電路組成的控制電路單片化，可廣泛用于家電產品。

7.外圍電路內裝化

這也是單片機發展的主要方向。隨著集成度的不斷提高，有可能把眾多的各種處圍功能器件集成在片內。 除了一般必須具有的 CPU、ROM、RAM、定時器/計數器等以外， 片內集成的部件還有模/數轉換器、DMA 控制器、聲音發生器、監視定時器、液晶顯示驅動器、彩色電視機和錄像機用的鎖相電路等。

8.串行擴展技術

在很長一段時間里，通用型單片機通過三總線結構擴展外圍器件成為單片機應用的主流結構。隨著低價位 OTP（One Time Programble）及各種類型片內程序存儲器的發展，加之處圍接口不斷進入片內，推動了單片機“單片”應用結構的發展。 特別是 I C、SPI等串行總線的引入， 可以使單片機的引腳設計得更少，單片機系統結構更加簡化及規范化。

隨著半導體集成工藝的不斷發展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將更強。 在單片機家族中，80C51 系列是其中的佼佼者，加之 Intel 公司將其MCS –51 系列中的 80C51 內核使用權以專利互換或出售形式轉讓給全世界許多著名 IC 制造廠商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與 80C51 單片機兼容的基礎上改善了 80C51 的許多特性。 這樣，80C51 就變成有眾多制造廠商支持的、發展出上百品種的大家族， 現統稱為 80C51 系列。

80C51 單片機已成為單片機發展的主流。 專家認為，雖然世界上的 MCU 品種繁多，功能各異，開發裝置也互不兼容， 但是客觀發展表明，80C51 可能最終形成事實上的標準 MCU 芯片。