單片機(jī)在電子技術(shù)中的應(yīng)用和開發(fā)

何健

（蘭州現(xiàn)代職業(yè)學(xué)院 甘肅省蘭州市 730000）

相較于一般的嵌入式系統(tǒng)，單片機(jī)面積小、質(zhì)量輕、能耗低，但卻擁有較強(qiáng)數(shù)據(jù)分析和處理能力，因此在各類電子產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用廣泛。而在科學(xué)技術(shù)加速發(fā)展背景下，電子技術(shù)不斷取得了創(chuàng)新突破，應(yīng)用的單片機(jī)日漸多元和成熟。研究單片機(jī)在電子技術(shù)中的應(yīng)用和開發(fā)問題，能夠把握單片機(jī)核心技術(shù)優(yōu)勢，做到掌握單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用步驟，取得理想應(yīng)用效果，滿足電子技術(shù)發(fā)展需求。

1 單片機(jī)概述

單片機(jī)實(shí)際為集成電路芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)電路大規(guī)模集成，帶有可編程特點(diǎn)。通過在硅片上集成CPU 運(yùn)算中樞、儲存設(shè)備RAM和ROM、I/O 接口等各種設(shè)備，能夠作為嵌入式系統(tǒng)使用，擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理、存儲和指令發(fā)布功能。從單片機(jī)結(jié)構(gòu)上來看，運(yùn)算器為核心部分，可以完成二進(jìn)制算數(shù)和邏輯運(yùn)算，通過累加器、處理器、寄存器等各種設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算和信息處理[1]?？刂破饔啥〞r(shí)控制邏輯電路、譯碼器、程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器等各種各部件構(gòu)成，將承擔(dān)指令轉(zhuǎn)換這一重要工作。在CPU 獲得地址信息后，將從ROM 中抽取指令字節(jié)，之后將指令寄存在寄存器中。借助譯碼器，可以將指令轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌刂菩盘枺上鄳?yīng)控制信息。存儲器大致包含256 個(gè)存儲單元，各單元地址不同。存儲數(shù)據(jù)時(shí)，需要利用16 進(jìn)制數(shù)表示地址信息，也可以根據(jù)地址信息查找和調(diào)取數(shù)據(jù)。在電子技術(shù)中應(yīng)用單片機(jī)，能夠保證設(shè)備運(yùn)行可靠性。憑借EFT等基礎(chǔ)抗干擾技術(shù)，能夠?qū)⒄倚盘柈?dāng)成是載體，在電路運(yùn)行期間受到外界干擾將產(chǎn)生毛刺信號，發(fā)出警告，提醒用戶及時(shí)處理信號，能夠?yàn)殡娮蛹夹g(shù)開發(fā)優(yōu)化提供指導(dǎo)[2]。在半導(dǎo)體技術(shù)取得進(jìn)步的情況下，CPU 也得以快速更新升級，促使8 位、16 位和32 位單片機(jī)隨之產(chǎn)生。根據(jù)需求選擇適合單片機(jī)，可以滿足電子技術(shù)多元開發(fā)需求，明顯延長技術(shù)可利用時(shí)間。

2 單片機(jī)在電子技術(shù)中的應(yīng)用情況

2.1 在儀器儀表領(lǐng)域的應(yīng)用

在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各種智能化應(yīng)用陸續(xù)產(chǎn)生，在提高日常生活智能化水平的同時(shí)，也推動了社會生產(chǎn)的智能化發(fā)展。在儀器儀表領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)智能化應(yīng)用，各類單片機(jī)得到了使用。作為微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)用于實(shí)現(xiàn)儀器儀表的集成控制，能夠?qū)崿F(xiàn)各類電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能化監(jiān)管，有效提高設(shè)備數(shù)字化水平。如在儀器儀表測試、控制和數(shù)據(jù)處理等方面，都可以利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動操縱。應(yīng)用在飛機(jī)等航空設(shè)備儀器儀表管理上，能夠通過高度集成實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的準(zhǔn)確控制，有效提高航空設(shè)備系統(tǒng)智能化水平，在提供準(zhǔn)確、可靠信息的同時(shí)，成功降低事故發(fā)生幾率，為設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供保障。從現(xiàn)實(shí)發(fā)展情況來看，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動化、智能化儀器儀表生產(chǎn)，可以增強(qiáng)儀表準(zhǔn)確性、可靠性，做到提升儀器儀表整體品質(zhì)。

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2：控制器模塊化設(shè)計(jì)

2.2 在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較為復(fù)雜，許多作業(yè)環(huán)節(jié)危險(xiǎn)程度較高，將給人員生命安全帶來威脅。應(yīng)用單片機(jī)開發(fā)自動化設(shè)備，能夠利用機(jī)械設(shè)備代替人員完成復(fù)雜、危險(xiǎn)的動作，保證人員安全的同時(shí)，提高工業(yè)生產(chǎn)自動化程度，實(shí)現(xiàn)各個(gè)生產(chǎn)流程和操作環(huán)節(jié)的智能化管理。如在流水線作業(yè)中，自動噴漆設(shè)備、裝配機(jī)器人等各種技術(shù)的應(yīng)用，都需要依靠單片機(jī)采集和收集流水線的信息資料，并通過數(shù)據(jù)分析和處理實(shí)現(xiàn)動作精確控制，確保流水線作業(yè)可以順利開展。目前，工業(yè)生產(chǎn)采用的自動化設(shè)備普遍開發(fā)的報(bào)警、監(jiān)控等功能，需要由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析和處理，通過與設(shè)定值比較確定各種生產(chǎn)設(shè)備是否存在異常運(yùn)行狀況，并通過集中控制在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警和叫停產(chǎn)線，為生產(chǎn)安全提供保障。

2.3 在醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用

在現(xiàn)代社會，為推動醫(yī)療衛(wèi)生方案創(chuàng)新發(fā)展，開始注重醫(yī)療監(jiān)測技術(shù)發(fā)展，將單片機(jī)與各種醫(yī)療器械結(jié)合在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)各類疾病準(zhǔn)確監(jiān)測，為提高設(shè)備疾病診斷可靠性提供保障。應(yīng)用單片機(jī)長期采集、分析和處理各種醫(yī)療信息，能夠預(yù)防誤診、漏診等情況發(fā)生，通過提高疾病診斷準(zhǔn)確性實(shí)現(xiàn)對癥治療，做到合理選用救治方案和儀器設(shè)備，促進(jìn)醫(yī)療水平的不斷提升。在醫(yī)療設(shè)備中應(yīng)用單片機(jī)，可以推動設(shè)備結(jié)構(gòu)智能化發(fā)展，自動收集、整理各類醫(yī)療大數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)分析全面掌握各類疾病發(fā)展和分布情況，為疾病防控工作開展提供科學(xué)依據(jù)。使用功能強(qiáng)大的單片機(jī)，還能實(shí)現(xiàn)醫(yī)療系統(tǒng)融合管理，推動醫(yī)院智慧化發(fā)展。

3 單片機(jī)在電子技術(shù)中的開發(fā)分析

3.1 硬件開發(fā)分析

在電子技術(shù)中應(yīng)用單片機(jī)，需要達(dá)到各類硬件設(shè)施開發(fā)需求。如在通信系統(tǒng)中，單片機(jī)配備的硬件設(shè)施包含微控制器、濾波器、信號搜集元件等。微控制負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)加工、處理，需要高效傳遞指令信息。開發(fā)該類硬件，應(yīng)做到改進(jìn)CPU 總線寬，增加單次取出的數(shù)據(jù)長度，保證單片機(jī)可以快速樹立信息。隨著微處理器技術(shù)更新與發(fā)展，市面上CPU 種類較多，需要根據(jù)時(shí)鐘頻率確定其運(yùn)行速度，在保證運(yùn)算速度達(dá)到要求的基礎(chǔ)上，盡可能降低始終頻率，確保單片機(jī)維持較快運(yùn)行速度和較強(qiáng)抗干擾能力[3]。開發(fā)濾波器，能夠減少單片機(jī)受到的干擾，保證單片機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。通過I/O 模塊，可以利用信號輸入通道采集信號，然后通過不同渠道傳輸信號，使信號到達(dá)指令部。期間單片機(jī)未能采集到信號，需要連接外部線路傳輸信號。開發(fā)存儲器，需要建立在讀寫功能基礎(chǔ)上研究快速閃存技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)讀寫，增強(qiáng)單片機(jī)存儲性能，以免因突然掉電發(fā)生信息丟失問題，影響單片機(jī)控制準(zhǔn)確性。

3.2 軟件開發(fā)分析

實(shí)際應(yīng)用單片機(jī)時(shí)，需要重視軟件程序開發(fā)，確保嵌入單片機(jī)可以自動執(zhí)行各種程序，順利實(shí)現(xiàn)不同功能。按照自動化電子產(chǎn)品控制要求，單片機(jī)在接收到指令后需要盡快完成指令，并讀取和顯示系統(tǒng)操作參數(shù)，對各種指令做出及時(shí)反應(yīng)。編寫程序，應(yīng)結(jié)合單片機(jī)集成特征和能力確保各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)，突破傳統(tǒng)開發(fā)思維，在自由傳輸背景下實(shí)現(xiàn)程序優(yōu)化，確保單片機(jī)編程擁有良好適用性。為實(shí)現(xiàn)高速相應(yīng)，需要實(shí)現(xiàn)開發(fā)語言拓展，增加技術(shù)應(yīng)用覆蓋面，確保技術(shù)能夠長久換發(fā)活力。在開發(fā)實(shí)踐中，單片機(jī)可以通過特定接口直接連接設(shè)備軟件，按照軟件流程進(jìn)行不同程序調(diào)用，能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制操作。如在門禁系統(tǒng)中，主要程序包含開啟、閉合、延時(shí)等，可以根據(jù)系統(tǒng)感應(yīng)特性進(jìn)行控制指令調(diào)控，把握系統(tǒng)整體控制節(jié)奏和強(qiáng)度。將軟件系統(tǒng)劃分為多個(gè)子程序，用于實(shí)現(xiàn)特定控制功能，可以簡化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

4 單片機(jī)在電子技術(shù)中的具體應(yīng)用

4.1 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)概述

在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)研究中，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)，可知系統(tǒng)包含主體控制器和多種探測器。如圖1 所示，利用室內(nèi)各種傳感器設(shè)備，能夠采集煙氣溫度、顆粒濃度等信號，然后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路生成電信號，傳遞至中央控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中處理，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定閾值確認(rèn)是否發(fā)出報(bào)警指令。各類模塊將單片機(jī)當(dāng)成是核心，接收采集到的數(shù)據(jù)，并通過執(zhí)行單片機(jī)程序完成數(shù)據(jù)融合和判斷，自動發(fā)出報(bào)警信號。借助無線通信模塊，可以將信號傳遞給用戶，確保人員能夠及時(shí)進(jìn)行滅火處理。

4.2 單片機(jī)應(yīng)用分析

結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可以選用STC15L2K32 單片機(jī)，自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，能夠在探測模塊上使用，具有性能強(qiáng)、成本低、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)包含2 個(gè)16 位定時(shí)器和8 路10 位高速A/D 轉(zhuǎn)換器，可以連接5 個(gè)外部中斷，同時(shí)包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器、看門狗等各類元器件。配備R/C 振蕩時(shí)鐘，確保單片機(jī)可以達(dá)到較高精度，能夠提供1 組串行通信端口和2 組高速異步串行口。在數(shù)據(jù)通信方面，單片機(jī)可以連接總線，提供2 個(gè)DPTR數(shù)據(jù)指針。配備10 位高速ADC 和可選復(fù)位門檻電壓，可以保證單片機(jī)可靠運(yùn)行。在單片機(jī)應(yīng)用過程中，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，確?？刂破髂軌蚺c探測模塊相互通信，通過接受和處理模塊發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)火災(zāi)檢測和報(bào)警。如圖2 所示，需要將控制器劃分為無線通信、串行口通訊、LCD 顯示、電源等多個(gè)模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動報(bào)警、人機(jī)互動等操控功能。應(yīng)用單片機(jī)穿孔，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)鐘輸出、PWM 控制等各種功能。顯示電路能夠展示系統(tǒng)檢測到的參數(shù)，如煙氣溫度等采集數(shù)據(jù)，確保系統(tǒng)可以順利進(jìn)行人機(jī)交互。根據(jù)顯示信息，用戶可以通過鍵盤電路輸入操控指令，如啟動噴淋裝置等。系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定報(bào)警閾值，也可以自動啟動語音報(bào)警電路，及時(shí)匯報(bào)火災(zāi)情況。利用存儲器，能夠存儲程序代碼等，為系統(tǒng)各程序調(diào)用和執(zhí)行提供支持。

4.3 單片機(jī)開發(fā)實(shí)現(xiàn)

在單片機(jī)開發(fā)功能實(shí)現(xiàn)上，多數(shù)智能設(shè)備可以直接通過計(jì)算機(jī)Windows 系統(tǒng)進(jìn)行專業(yè)處理，發(fā)揮單片機(jī)強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸功能，實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)存儲，確保單片機(jī)可以接收和讀取指令參數(shù)，完成各種自動化操作。實(shí)際在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)方面，需要結(jié)合具體環(huán)境條件實(shí)現(xiàn)模塊功能，確保單片機(jī)開發(fā)能夠滿足設(shè)計(jì)需求。從開發(fā)實(shí)踐來看，模塊只能使用3.3V、4.2V、5V 和12V 電源，需要利用LM1117_3.3 電源電路實(shí)現(xiàn)輸入電壓轉(zhuǎn)換，為模塊提供3.3V 電源，確保單片機(jī)內(nèi)部各種集成電路能夠正常工作。采用MP2307 電路，能夠提供12V 直流電，并完成5V 和4.2V 電壓轉(zhuǎn)換，滿足串口電路等模塊工作需要。在鍵盤輸入方面，需要利用單片機(jī)I/O 口連接按鍵?？紤]到串口有限，只設(shè)置6 個(gè)功能按鍵，包含報(bào)警開啟、報(bào)警撤銷、菜單、確認(rèn)、翻頁和退出。在探測模塊功能實(shí)現(xiàn)上，需要分別布置調(diào)理電路、處理單元等，分別負(fù)責(zé)不同傳感器輸出的模擬信號處理，確保各類信號經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換處理后傳入到控制器中。由控制器實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)匯總，并作出快速處理，能夠做到準(zhǔn)確識別火災(zāi)信號，并通過無線通信形式發(fā)送報(bào)警指令，保證各類功能能夠可靠實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

在電子技術(shù)中應(yīng)用單片機(jī)，需要結(jié)合不同產(chǎn)品開發(fā)需求和客觀環(huán)境條件合理選用單片機(jī)，遵循單片機(jī)應(yīng)用的基本原理和規(guī)律完成軟硬件順利開發(fā)，充分體現(xiàn)單片機(jī)應(yīng)用優(yōu)勢，從而取得理想電子技術(shù)應(yīng)用成效。在實(shí)踐探索過程中，應(yīng)熟練掌握單片機(jī)應(yīng)用和開發(fā)實(shí)現(xiàn)方法，提高單片機(jī)控制管理效率，增強(qiáng)技術(shù)可靠性，從而推動技術(shù)的智能化發(fā)展。