單片機(jī)在電子技術(shù)中的應(yīng)用

張勃

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

電子技術(shù)當(dāng)今已經(jīng)成為我們生活中必不可少的部分，這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)方面，我們生活中所見的電子設(shè)備無論大小都有其參與。而在我們享受電子技術(shù)為我們帶來便利的同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也在不斷向前發(fā)展，近年來，為了實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用，單片機(jī)技術(shù)也逐漸成為電子技術(shù)中的重點(diǎn)，單片機(jī)進(jìn)入電子技術(shù)中是科技與時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

單片機(jī)的結(jié)構(gòu)組成。較之其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)，在于其體積較小但卻能實(shí)現(xiàn)許多復(fù)雜功能，其本身結(jié)構(gòu)與大多數(shù)計(jì)算機(jī)并無二致。在工藝構(gòu)成上由于單片機(jī)采用了大規(guī)模集成電路，可以使其占用較少的空間。單片機(jī)的具體結(jié)構(gòu)仍舊沒有脫離傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)。

運(yùn)算器由“算術(shù)邏輯單元（ALU）、累加器（ADD）、寄存器（B）”等幾種不同功能的運(yùn)算部件組成。累加器與寄存器作為算數(shù)邏輯單元運(yùn)算數(shù)據(jù)的來源，這些數(shù)據(jù)一般是八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。而ALU 則能夠?qū)⑤斔瓦M(jìn)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行兩種不同模式的運(yùn)算，即算數(shù)與邏輯運(yùn)算。算數(shù)邏輯單元能夠?qū)斔瓦M(jìn)來的兩個(gè)八位數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、與、或、比較大小等運(yùn)算，然后，將運(yùn)算結(jié)果輸送到累加器中。運(yùn)算器擁有執(zhí)行各種算術(shù)運(yùn)算和執(zhí)行邏輯運(yùn)算并進(jìn)行邏輯測(cè)試兩個(gè)主要功能，第二個(gè)功能的具體操作例子有零值測(cè)試或者兩個(gè)值的比較。

第二部分是控制器，它主要由“程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、指令譯碼器、時(shí)序發(fā)生器、操作控制器”等幾部分組成，控制器能夠控制單片機(jī)的運(yùn)行，是“神經(jīng)中樞”。它可以提取單片機(jī)內(nèi)部所存儲(chǔ)的具體指令，并利用指針提取單片機(jī)所要執(zhí)行的下一條指令的地址。它的主要功能有：對(duì)具體指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化使其能夠指導(dǎo)單片機(jī)進(jìn)行下一步動(dòng)作，而且會(huì)產(chǎn)生反饋信號(hào)；調(diào)整并規(guī)劃單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)流動(dòng)方向。

存儲(chǔ)器能夠?qū)纹瑱C(jī)計(jì)算相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存調(diào)用，是配合單片機(jī)其他部分完成整體運(yùn)算必不可少的一部分。它的每個(gè)單元能夠儲(chǔ)存一個(gè)八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，一般使用時(shí)，是將兩個(gè)八位數(shù)據(jù)結(jié)合構(gòu)成十六位二進(jìn)制數(shù)據(jù)來調(diào)用。

2 單片機(jī)在電子技術(shù)應(yīng)用層面的優(yōu)勢(shì)

利用單片機(jī)構(gòu)建的產(chǎn)品往往具有更長(zhǎng)的服役年限，一方面，對(duì)于產(chǎn)品使用者而言，無疑極大地降低了因頻繁更換產(chǎn)品而帶來的經(jīng)濟(jì)成本。另一方面，微處理器本身一般都具備長(zhǎng)期服役的能力。以半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展速度，單片機(jī)的中央處理器的更新速度越來越快，這使得用戶在選擇具體產(chǎn)品時(shí)有了更多的選擇，多種類型的單片機(jī)的共同應(yīng)用是當(dāng)下電子技術(shù)應(yīng)用的主流趨勢(shì)，但是，就長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，單片機(jī)仍舊會(huì)以八位機(jī)為主，在這種大趨勢(shì)下，用戶無須為相關(guān)設(shè)施的更新?lián)Q代投入過多資金，只需要對(duì)有需求的部件進(jìn)行升級(jí)即可，其余部分八位機(jī)仍舊可以很好地完成任務(wù)。

單片機(jī)有著高可靠性和較快的運(yùn)行速度。其靈活的使用方式使得單片機(jī)成為受眾廣泛的電子器件。為了使單片機(jī)在電子技術(shù)的應(yīng)用過程中具有了更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性，擴(kuò)展單片機(jī)的適用領(lǐng)域，相關(guān)從業(yè)者也做出了各種努力。比如，一是過優(yōu)化單片機(jī)的時(shí)序列表從而在不影響內(nèi)部時(shí)鐘頻率的前提下，提升運(yùn)算速度；二是提高單片機(jī)的抗干擾能力，用于抵抗確定干擾及隨機(jī)干擾，進(jìn)一步提升其安全性以及可靠性，其中較為著名的技術(shù)有降噪布線、驅(qū)動(dòng)技術(shù)等。

3 單片機(jī)在電子技術(shù)中的具體應(yīng)用

3.1 單片機(jī)在工業(yè)控制領(lǐng)域的具體應(yīng)用

在單片機(jī)發(fā)展早期，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域一般局限在無線通訊、圖像處理等領(lǐng)域，一方面，由于早期單片機(jī)成本高昂，一般多用于高端領(lǐng)域；另一方面，由于此時(shí)單片機(jī)的相關(guān)研制與開發(fā)技術(shù)還不夠完善，隨著單片機(jī)逐漸向著專業(yè)化、功能化方向進(jìn)行發(fā)展，以1997 年美國(guó)德州儀器公司研發(fā)的微處理器TMS320F240 為標(biāo)志，單片機(jī)正式進(jìn)軍工業(yè)控制領(lǐng)域。在單片機(jī)正式進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域后，憑借著單片機(jī)優(yōu)秀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及較高的性價(jià)比，單片機(jī)迅速取代了以往數(shù)字門電路在該領(lǐng)域的壟斷地位。而在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬DSP 系列單片機(jī)，其優(yōu)異的信號(hào)處理能力以及數(shù)據(jù)傳輸能力使工業(yè)控制邁入了一個(gè)新的階段。在某些容易對(duì)人體造成傷害的工業(yè)項(xiàng)目中，單片機(jī)發(fā)揮了巨大作用，例如，在核工業(yè)以及電力高壓部門中，單片機(jī)可以代替工作人員完成諸多復(fù)雜操作，且準(zhǔn)確率較人工有著較為巨大的提升。而就單片機(jī)本身的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)而言，由于其優(yōu)異的數(shù)據(jù)采集能力以及控制能力，其在流水線作業(yè)以及某些項(xiàng)目的自動(dòng)化過程中發(fā)揮了巨大的作用，尤其是在流水線的自動(dòng)組裝方面，單片機(jī)發(fā)揮了其他電子器件所不能比擬的作用。

3.2 電子儀器表盤中單片機(jī)的應(yīng)用

電子技術(shù)在電子儀器中正逐漸走向智能化，而這對(duì)于沒有人為干預(yù)的電子儀器是比較困難的。單片機(jī)這樣的嵌入式系統(tǒng)因?yàn)槠潴w積較小，并且運(yùn)用了超大規(guī)模集成電路技術(shù)使得其數(shù)據(jù)處理能力極其強(qiáng)大和可靠，這一優(yōu)點(diǎn)能夠很好地用在電子儀器的智能化研究中。電子儀器借助于單片機(jī)的穩(wěn)定性與強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以很好地實(shí)現(xiàn)測(cè)控、處理等功能。單片機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，很少會(huì)因?yàn)橥饨绲沫h(huán)境變化而影響自身的運(yùn)行能力，因而單片機(jī)也時(shí)常運(yùn)用在極端環(huán)境下電子儀器中，如航空科技，單片機(jī)在升空過程以及太空中的工作能力極為穩(wěn)定，可以很好地提升航空設(shè)備的穩(wěn)定性與可靠性，為國(guó)家走向太空提供了可靠助力。

3.3 單片機(jī)在家用電器中的具體應(yīng)用

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，與之對(duì)應(yīng)的是廣大人民群眾對(duì)家居環(huán)境的要求不斷提高。而與人民群眾需求相對(duì)應(yīng)的智能家居產(chǎn)業(yè)也就在近年開始如火如荼地迅速發(fā)展，在國(guó)內(nèi)較為有代表性的智能家居公司當(dāng)屬小米的米家智能產(chǎn)業(yè)鏈，而仔細(xì)觀察這些智能家居產(chǎn)品不難發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)在其中發(fā)揮了很大的作用，小到臺(tái)燈大到自動(dòng)窗簾機(jī)，其中都能看到單片機(jī)的身影。單片機(jī)有效地提升了家用電器的性能，使得家用電器具備了采集信息，處理信息和響應(yīng)遠(yuǎn)程操作的能力。例如利用單片機(jī)構(gòu)建的智能家居體系可以做到當(dāng)室內(nèi)溫度高于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開啟空調(diào)和風(fēng)扇，以及用語(yǔ)音直接對(duì)家用電器實(shí)現(xiàn)控制。而且基于單片機(jī)建立的智能門窗感應(yīng)系統(tǒng)能夠記錄門窗開關(guān)次數(shù)并且可以在設(shè)定時(shí)間內(nèi)發(fā)出警報(bào)，大大地提升了家居安全水平。而在另一方面，在家用電器中安裝單片機(jī)也能夠有效地提升家用電器本職工作的效率。單片機(jī)可以替代家用電器中原本的機(jī)械結(jié)構(gòu)，代替人類完成某些信息的處理工作，協(xié)助人類。例如，現(xiàn)在的許多洗衣機(jī)已經(jīng)能夠識(shí)別衣物的贓污程度，并將此作為依據(jù)判斷洗滌時(shí)間以及洗滌劑的用量，方便使用者的同時(shí)也節(jié)約了資源。綜上所述，智能家電做到了單片機(jī)和家電本身職能的完美統(tǒng)一，是在電子技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用單片機(jī)的較好范例。

3.4 醫(yī)療器械中單片機(jī)的應(yīng)用

在醫(yī)療器械設(shè)備中的應(yīng)用非常廣泛，常用的小型設(shè)備、外部中端、低功耗模式、看門狗、定時(shí)器等應(yīng)用，最基礎(chǔ)常見的就是人體血壓測(cè)量?jī)x。紅外照射儀等等都運(yùn)用了8 位，16 位，或者一部分32 位的單片機(jī)，單片機(jī)在這些醫(yī)療器械中主要存在位置有電源管理、顯示屏或燈，或者能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌K端的無線連接設(shè)備。

4 單片機(jī)的未來發(fā)展方向

單片機(jī)因其強(qiáng)大的性能與簡(jiǎn)便穩(wěn)定性，不僅在當(dāng)下的各個(gè)領(lǐng)域中大放異彩，在未來的科技的發(fā)展中仍然有廣闊的空間，例如，在物聯(lián)網(wǎng)的研究中單片機(jī)也扮演著重要的角色。首先，可以肯定的是，物聯(lián)網(wǎng)肯定是將來發(fā)展的一個(gè)大方向，這個(gè)毋庸置疑，但是，物聯(lián)網(wǎng)的真正崛起可能還需要一段時(shí)間。要讓物能聯(lián)網(wǎng)，必須有一個(gè)微型的控制器，這個(gè)控制器就是所謂的單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)的功能不需要很強(qiáng)，但是，最好能低功耗。作為控制器，其實(shí)，需要實(shí)現(xiàn)的功能非常有限，也根本無須大規(guī)模的計(jì)算量，一個(gè)非常簡(jiǎn)單的單片機(jī)就能勝任。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，電子技術(shù)已經(jīng)全面進(jìn)入以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的時(shí)代。其外在表現(xiàn)為相關(guān)生產(chǎn)生活活動(dòng)的智能化趨勢(shì)，而在這一過程中，作為嵌入式代表的單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)揮了巨大作用，單片機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用改變了人類的生產(chǎn)生活方式。因此，大力發(fā)掘單片機(jī)在電子技術(shù)中的具體應(yīng)用對(duì)于整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展都有著重要意義。