單片機開發(fā)行業(yè)分析

單片機行業(yè)調(diào)研報告

　　單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。80年代，由當(dāng)時的4位、8位單片機，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300 M高速單片機。

　　現(xiàn)有的單片機系列主要有：微處理器、微處理器、 NEC單片機、富士通單片機、東芝單片機、富士通單片機、東芝單片機、8051類單片機、 Zilog單片機、 NS單片機等51系列單片機。

　　8031/8051/8751是 Intel早期的產(chǎn)品。早期應(yīng)用，影響巨大，已成為世界工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)。隨后許多芯片廠商以各種方式與 Intel公司合作，也推出了同類型的單片機，正如多個版本的單片機一樣，雖然都在不斷地改變生產(chǎn)工藝，但內(nèi)核是一樣的，也就是說，這類單片機指令系統(tǒng)完全兼容，絕大多數(shù)管腳也兼容；大家都把這些單片機稱為“51系列單片機”，和8051內(nèi)核一樣。

　　2）PIC系列單片機

　　PIC單片機系列產(chǎn)品由美國 Microchip公司推出，以 RISC結(jié)構(gòu)為核心的嵌入式微處理器，其高速、低電壓、低功耗、大電流 LCD驅(qū)動以及低價位的 OTP技術(shù)都體現(xiàn)了單片機產(chǎn)業(yè)的新趨勢。

　　3）AVR系列單片機

　　AVR單片機是1997年由ATMEL公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速8位單片機。AVR的單片機可以廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。

　　單片機發(fā)展歷史簡介：單片機誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)。基于這一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進(jìn)入主流市場。

　　而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。高端的32位Soc單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。

　　當(dāng)代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和LINUX操作系統(tǒng)。

　　主要階段

　　早期階段：SCM即單片微型計算器（Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。“創(chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)-獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。

　　中期發(fā)展：MCU即微控制器（Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù)Philips公司。

　　Philips公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。

　　當(dāng)前趨勢

　　SoC嵌入式系統(tǒng)(System on Chip）式的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決，因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術(shù)、IC設(shè)計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片機微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。

　　單片機的應(yīng)用：

　　目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)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(tǒng)，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(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾個范疇：1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用；2.在工業(yè)控

　　制中的應(yīng)用；3.在家用電器中的應(yīng)用；4.在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用；5.單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用；6.在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用；7.單片機在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分廣泛的用途。

　　單片機應(yīng)用舉例：1.單片機的車載超級電容測試系統(tǒng)【20__.03.13】 系統(tǒng)原理介紹

　　超級電容管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)對超級電容工作電流和電壓的實時采集，超級電容管理系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，系統(tǒng)共由3個主要模塊組成：現(xiàn)場電壓、電流、采集與調(diào)理模塊（即采集模塊），信號隔離與MCU信號處理模塊（即中央處理模塊），電源管理模塊，采集模塊內(nèi)、霍爾電壓、霍爾電流傳感器分別為超級電容電壓和電流進(jìn)行現(xiàn)場采集，采集信號經(jīng)過儀用放大、然后轉(zhuǎn)化為4mA-20mA電流信號并發(fā)送到中央處理模塊，中央處理模塊內(nèi)，采集模塊發(fā)送的4mA-20mA電流信號，經(jīng)過電流電壓變換后，再進(jìn)行隔離放大、AD轉(zhuǎn)換并送到MCU，MCU將數(shù)據(jù)處理后通過CAN接口傳送到上位機，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)異常時MCU輸出故障信號，以便工作人員能及時采取措施，電源管理模塊為各功能模塊提供穩(wěn)定隔離的電壓，增加RS232通信串口，以便MCU程序燒錄。

　　2.嵌入式系統(tǒng)低功耗設(shè)計【20__-03-03】

　　硬件低功耗設(shè)計：

　　1） 選擇低功耗的器件

　　選擇低功耗的電子器件可以從根本上降低整個硬件系統(tǒng)的功耗。目前的半導(dǎo)體工藝主要有TTL工藝和CMOS工藝，CMOS工藝具有很低的功耗，在電路設(shè)計上盡量選用，使用CMOS系列電路時，其不用的輸入端不要懸空，因為懸空的輸入端可能存在感應(yīng)信號，它將造成高低電平的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換器件的功耗很大，盡量采用輸出為高的原則。

　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的硬件核心，消耗大量的功率，因此設(shè)計時選用

　　低功耗的處理器；另外，選擇低功耗的通信收發(fā)器(對于通信應(yīng)用系統(tǒng))、低功耗的訪存部件、低功耗的外圍電路，目前許多通信收發(fā)器都設(shè)計成節(jié)省功耗方式，這樣的器件優(yōu)先采用。

　　2） 選用低功耗的電路形式

　　完成同樣的功能，電路的實現(xiàn)形式有多種。例如，可以利用分立元件、小規(guī)模集成電路，大規(guī)模集成電路甚至單片實現(xiàn)。通常，使用的元器件數(shù)量越少，系統(tǒng)的功耗越低。因此，盡量使用集成度高的器件，以減少電路中使用元件的個數(shù)，減少整機的功耗。

　　3） 單電源、低電壓供電

　　一些模擬電路如運算放大器等。供電方式有正負(fù)電源和單電源兩種。雙電源供電可以提供對地輸出的信號。高電源電壓的優(yōu)點是可以提供大的動態(tài)范圍，缺點是功耗大。例如，低功耗集成運算放大器LM324，單電源電壓工作范圍為5～30 V。當(dāng)電源電壓為15 V時，功耗約為220 mw；當(dāng)電源電壓為10 V時，功耗約為90 mw；當(dāng)電源電壓為5 V時，功耗約為15 mw。可見，低電壓供電對降低器件功耗的作用十分明顯。因此，處理小信號的電路可以降低供電電壓。

　　4） 分區(qū)／分時供電技術(shù)

　　一個嵌入式系統(tǒng)的所有組成部分并非時刻在工作，基于此，可采用分時／分區(qū)的供電技術(shù)。原理是利用“開關(guān)”控制電源供電單元，在某一部分電路處于休眠狀態(tài)時，關(guān)閉其供電電源，僅保留工作部分的電源。

　　5） I／O引腳供電

　　嵌入式處理器的輸出引腳在輸出高電平時，可以提供約20 mA的電流，該引腳可以直接作為某些電路的供電電源使用，如圖2所示。處理器的引腳輸出高電平時，外部器件工作；輸出低電平時，外部器件停止工作。需要注意。該電路需滿足下列要求：外部器件的功耗較低，低于處理器I／O引腳的高電平輸出電流；外部器件的供電電壓范圍較寬。

　　6） 電源管理單元設(shè)計

　　處理器全速工作時，功耗最大；待機狀態(tài)時，功耗比較小。常見的待機方式有兩種：空閑方式(Idle)和掉電方式(Shut Down)。其中，Idle方式可以通過中斷的發(fā)生退出，中斷可以由外部事件供給。掉電方式指的是處理器停止，連中斷也不響應(yīng)，因此需要進(jìn)入復(fù)位才能退出掉電方式。

　　為了降低系統(tǒng)的功耗，一旦CPU處于“空轉(zhuǎn)”，可以使之進(jìn)入Idle狀態(tài)，降低功耗；期間如果發(fā)生了外部事件，可以通過事件產(chǎn)生中斷信號，使CPU進(jìn)入運行狀態(tài)。對于Shut Down狀態(tài)，只能用復(fù)位信號喚醒CPU。

　　7） 智能電源設(shè)計

　　既要保證系統(tǒng)具有良好的性能，又能兼顧功耗問題，一個最好的辦法是采用智能電源。在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)闹悄茴A(yù)測、檢測，根據(jù)需要對系統(tǒng)采取不同的供電方式，以求系統(tǒng)的功耗最低。許多膝上型電腦的電源管理采用智能電源，以筆記本電腦為例，在電源管理方面，Intel公司采取Speed Step技術(shù)；AMD

　　公司采取Power Now技術(shù)；Transmeta公司采取Long Run技術(shù)。雖然這三種技術(shù)涉及到的具體內(nèi)容不同，但基本原理是一致的。以采用Speed Step技術(shù)的筆記本電腦為例，系統(tǒng)可以根據(jù)不同的使用環(huán)境對CPU的運行速度進(jìn)行合理調(diào)整。如果系統(tǒng)使用外接電源，CPU將按照正常的主頻率及電壓運行；當(dāng)檢測到系統(tǒng)為電池供電時，軟件將自動切換CPU的主頻率及電壓至較低狀態(tài)運行。

　　8） 降低處理器的時鐘頻率

　　處理器的功耗與時鐘頻率密切相關(guān)。以SAM-SUNG S3C2410x(32 b ARM 920T內(nèi)核)為例，它提供了四種工作模式：正常模式、空閑模式、休眠模式、關(guān)機模式．各種模式的功耗如表1所示。

　　由表1可見，CPU在全速運行的時候比在空閑或者休眠的時候消耗的功率大得多。省電的原則就是讓正常運行模式遠(yuǎn)比空閑、休眠模式少占用時間。在類似PDA的設(shè)備中，系統(tǒng)在全速運行的時候遠(yuǎn)比空閑的時候少，所以可以通過設(shè)置，使CPU盡可能工作在空閑狀態(tài)，然后通過相應(yīng)的中斷喚醒CPU，恢復(fù)到正常工作模式，處理響應(yīng)的事件，然后再進(jìn)入空閑模式。因此設(shè)計系統(tǒng)時，如果處理能力許可，可盡量降低處理器的時鐘頻率。

　　另外，可以動態(tài)改變處理器的時鐘，以降低系統(tǒng)的總功耗。CPU空閑時，降低時鐘頻率；處于工作狀態(tài)時，提高時鐘頻率以全速運行處理事務(wù)，實現(xiàn)這一技術(shù)的方法。通過將I／O引腳設(shè)定為輸出高電平，加入電阻R1，將增加時鐘頻率；將I／O引腳輸出低電平，去掉電阻R1，可降低時鐘頻率，以降低功耗。

　　9） 降低持續(xù)工作電流

　　在一些系統(tǒng)中，盡量使系統(tǒng)在狀態(tài)轉(zhuǎn)換時消耗電流，在維持工作時期不消耗電流。例如。IC卡水表、煤氣表、靜態(tài)電能表等，在打開和關(guān)閉開關(guān)時給相應(yīng)的機構(gòu)上電，開關(guān)開和關(guān)狀態(tài)通過機械機構(gòu)或磁場機制保持開關(guān)的狀態(tài)，而不通過電流保持，可以進(jìn)一步降低電能的消耗。

　　軟件低功耗設(shè)計：

　　1） 編譯低功耗優(yōu)化技術(shù)

　　編譯技術(shù)降低系統(tǒng)功耗是基于這樣的事實：對于實現(xiàn)同樣的功能，不同的軟件算法，消耗的時間不同，使用的指令不同，因而消耗的功率也不同。對于使

　　用高級語言，由于是面向問題設(shè)計的，很難控制低功耗。但是，如果利用匯編語言開發(fā)系統(tǒng)(如對于小型的嵌入式系統(tǒng)開發(fā))，可以有意識地選擇消耗時間短的指令和設(shè)計消耗功率小的算法來降低系統(tǒng)的功耗。

　　2）硬件軟件化與軟件硬件化

　　通常的硬件電路一定消耗功率，基于此，可以減少系統(tǒng)的硬件電路，把數(shù)據(jù)處理功能用軟件實現(xiàn)，如許多儀表中用到的對數(shù)放大電路、抗干擾電路，測量系統(tǒng)中用軟件濾波代替硬件濾波器等。

　　需要考慮，軟件處理需要時間，處理器也需要消耗功率，特別是在處理大量數(shù)據(jù)的時候，需要高性能的處理器，這可能會消耗大量的功率。因此，系統(tǒng)中某一功能用軟件實現(xiàn)，還是用硬件實現(xiàn)，需要綜合計算后進(jìn)行設(shè)計。

　　3） 采用快速算法

　　數(shù)字信號處理中的運算，采用如FFT和快速卷積等，可以大量節(jié)省運算時間，從而減少功耗；在精度允許的情況下，使用簡單函數(shù)代替復(fù)雜函數(shù)作近似，也是減少功耗的一種方法。

　　4） 軟件設(shè)計采用中斷驅(qū)動技術(shù)

　　整個系統(tǒng)軟件設(shè)計成處理多個事件，在系統(tǒng)上電初始化時，主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括寄存器、外部設(shè)備等，初始化完成后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，然后CPU控制的設(shè)備都接到中斷輸入端上。當(dāng)外設(shè)發(fā)生了一個事件，產(chǎn)生中斷信號，使CPU退出節(jié)電狀態(tài)，進(jìn)入事件處理，事件處理完成后，繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。

　　5） 延時程序設(shè)計

　　延時程序的設(shè)計有兩種方法：軟件延時和硬件定時器延時。為了降低功耗，盡量使用硬件定時器延時，一方面提高程序的效率，另一方面降低功耗。原因為：大多數(shù)嵌入式處理器在進(jìn)入待機模式時，CPU停止工作，定時器可正常工作，定時器的.功耗可以很低，所以處理器調(diào)用延時程序時，進(jìn)入待機方式，定時器開始計時，時間一到，則喚醒CPU。這樣一方面CPU停止工作，降低了功耗，另一方面提高了CPU的運行效率。

　　嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計涉及到軟件設(shè)計和硬件設(shè)計兩個方面，在實際系統(tǒng)應(yīng)用時，低功耗的設(shè)計并非是一蹴而就的事情，需要綜合考慮各種可能的因素、條件和狀態(tài)，需要對各種細(xì)節(jié)進(jìn)行認(rèn)真的斟酌和分析，需要對各種可能的方案和方法進(jìn)行計算和分析，這樣才可能取得較為滿意的效果，達(dá)到降低系統(tǒng)功耗的目的。

單片機調(diào)研報告

　　當(dāng)今世界，科技發(fā)展突飛猛進(jìn)，創(chuàng)新創(chuàng)造日新月異，科技競爭在綜合國力競爭中的地位更加突出。近年來，隨著對“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”認(rèn)識的不斷深化，我國科學(xué)技術(shù)呈現(xiàn)日益發(fā)展繁榮局面，戰(zhàn)略需求引領(lǐng)學(xué)科快速發(fā)展，基礎(chǔ)學(xué)科呈現(xiàn)較快發(fā)展態(tài)勢，科技創(chuàng)新提升國家創(chuàng)新能力，成果應(yīng)用促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，交流合作增添學(xué)科發(fā)展活力。集成學(xué)術(shù)資源，及時總結(jié)、報告自然科學(xué)相關(guān)學(xué)科的最新研究進(jìn)展，對科技工作者及時了解和準(zhǔn)確把握相關(guān)學(xué)科的發(fā)展動態(tài)，深入開展學(xué)科研究，推進(jìn)學(xué)科交叉、滲透與融合，推動多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展，適應(yīng)學(xué)科交叉的世界趨勢，提升原始創(chuàng)新能力，建設(shè)創(chuàng)新型國家具有非常重要的意義。十七大將提高自主創(chuàng)新能力、建設(shè)創(chuàng)新型國家擺在了非常突出的位置，強調(diào)這是國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心，是提高綜合國力的關(guān)鍵。學(xué)科創(chuàng)立、成長和發(fā)展，是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的科學(xué)基礎(chǔ)，是科學(xué)知識體系化的象征，是創(chuàng)新型國家建設(shè)的重要方面，是國家科技競爭力的標(biāo)志。

　　一、單片機智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用

　　在電子領(lǐng)域，尤其是自動化智能控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的分立元件或數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)正以前所未見的速度被單片機智能控制系統(tǒng)所取代。計算機的應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)與人們生活的各個角落,正在日益改變著傳統(tǒng)的人類工作方式和生活方式,而單片機技術(shù)又作為計算機技術(shù)中的一個獨立分支,有著性價比高,集成度高,體積小,可靠性高,控制功能強大,低功耗,低電壓,便于生產(chǎn),便于攜帶等特點,所以得到越來越廣泛的應(yīng)用, 可以說，智能控制與自動控制的核心就是單片機，特別是在工業(yè)控制和儀表儀器智能化中起極其重要的作用.

　　單片機與人們的生活已經(jīng)結(jié)為一體。從數(shù)字鬧鐘到電動牙刷和電動剃須刀；從車內(nèi)應(yīng)用門鎖、停車傳感器、ABS，到行車途中交通控制、雷達(dá)測速以及交通流量監(jiān)視器；從家庭和辦公應(yīng)用中的工廠自動化、照明控制（如熒光燈、鎮(zhèn)流器控制、應(yīng)急燈等），到家庭保健中的植入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器、胃窺鏡等，以及手機、火災(zāi)控制系統(tǒng)、煙霧報警器等應(yīng)用，都有單片機在其中發(fā)揮著重要作用。

　　單片機的市場潛力很大：目前很多產(chǎn)品處在升級換代的轉(zhuǎn)變時期，正在形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)（產(chǎn)業(yè)）。單片機主要可應(yīng)用于：一般電控的單片機控制，如汽車電子；單片機控制加上模糊邏輯技術(shù)，如家用電器；單片機控制加上神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如電力控制。在下列行業(yè)將會形成需求熱點：①消費類產(chǎn)品：我國正在成為出口大國；為增加競爭能力，正在配置高檔控制器，如空調(diào)器。應(yīng)用的單片機已升高檔次，并擬出口國外。②商場和市場的管理：包括大商場使用計算機銷售網(wǎng)；９５年１２月１日市場取消桿秤，推行電子秤，消費者自用的手提或電子秤；各大城市汽車數(shù)量急驟增多，電子計算器及ＩＣ收費卡需要更新?lián)Q代；工資發(fā)放實行金融卡，多功能卡也將受到歡迎；遙控器及多功能遙控器；智能快速電池充電器；通信產(chǎn)品的普及。③汽車電子是一大極有吸引力的門類。中國有１３億人口，如果按每１０人有一輛汽車，那就有１．３億輛，如果我國每年生產(chǎn)１００萬輛汽車，還需要持續(xù)生產(chǎn)１３０年，再加上農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用車、工業(yè)生產(chǎn)用車和公共交通用車，其數(shù)量將更是可觀。隨著單片機的應(yīng)用，我們的生活得到翻天覆地的變化，生活也越來越便捷。

　　二、單機的介紹

　　何為單片機，亦稱單片微電腦 或單片微型計算機。它是把中央處理器（CPU）、隨 1

　　機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口 （I/0）等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。現(xiàn)在最先進(jìn)的單片機為德州儀器（TI）產(chǎn)的，當(dāng)然這個德州不是中國德州，而是美國的德州。型號是MSP430，是一款超低功耗的單片機。什么是超低功耗？也就是工作電流4uA，用一個蘋果插上銅片和鋅片來產(chǎn)生電都可以讓一個電子鐘工作，如果蘋果不爛可以工作一個星期。我們常見的就是51單片機。因為這個單片機在中國市場上發(fā)展了幾十年了，現(xiàn)在工程中用的比較多的也是MCS-51的單片機，它的資料比較多，用的人也很多，市場也很大。所謂的51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash Rom技術(shù)的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進(jìn)展，成為目前應(yīng)用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內(nèi)將占有大量市場。 當(dāng)前常用的51系列單片機主要產(chǎn)品有：

　　__Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；

　　__ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；

　　__Philips、華邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司的許多產(chǎn)品

　　目前，國產(chǎn)宏晶STC單片機以其低功耗、廉價、穩(wěn)定性能，占據(jù)著國內(nèi)51單片機較大市場。

　　三、目前單片機市場

　　正因為如此他才改變了我的生活 ，它為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個領(lǐng)域，從導(dǎo) 彈的導(dǎo)航裝置，到飛機上各種儀表的控制，從計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù) 處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC 卡、電子寵物等，這些都離不開單片機。以前沒有單片機時，這些 東西也能做，但是只能使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用， 元器件不斷老化，控制的精度自然也會達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在單片機產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹悄芑耍覀?只需要在單片機外圍接一點簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成 本也降低了，長期使用也不會擔(dān)心精度達(dá)不到了。所以，它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來將會有更多的 人來接受它、使用它。據(jù)統(tǒng)計，我國的單片機年容量已達(dá)3 億片，且每年以大約20%的速度增長，但相對于 世界市場我國的占有率還不到1%。特別是沿海地區(qū)的玩 具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機，并不斷地輻射向內(nèi)地。

　　四、調(diào)研感觸

　　在此我想用已學(xué)的一點單片機知識，利用單片機強大的控制功能和內(nèi)部定時器重要部件,設(shè)計了一款自行對時間進(jìn)行調(diào)整以及把年份、日期以及時、分、秒用LED顯示的電子鐘。而且要求計時準(zhǔn)確，顯示直觀，清晰，時能夠精確到秒。最后設(shè)計出來的產(chǎn)品，要求電路簡潔，穩(wěn)定性好。

　　我想做的電子鐘從原理上講是一種典型的數(shù)字電路，其中包括了組合邏輯電路和時序電路。因此，我此次設(shè)計與制做數(shù)字鐘就是為了了解數(shù)字鐘的原理，從而學(xué)會制作數(shù)字鐘.而且通過數(shù)字鐘的制作進(jìn)一步的了解各種在制作中用到的中小規(guī)模集成電路的作 3

　　用及實用方法.且由于數(shù)字鐘包括組合邏輯電路和時敘電路.通過它可以進(jìn)一步學(xué)習(xí)與掌握各種組合邏輯電路與時序電路的原理與使用方法

　　對應(yīng)于此次設(shè)計，先選定用單片機實現(xiàn)的方案,了解設(shè)計要求，再分別從硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計兩個宏觀方面著手.然后大量閱讀相關(guān)資料,硬件方面,熟練單片機工作基本原理,查出相關(guān)元器件的參數(shù),八段數(shù)碼管等性能.然后畫出系統(tǒng)框圖和單元電路原理圖，再對系統(tǒng)工作原理按照單元電路作簡單的說明。軟件方面,熟悉編程語言,查找相關(guān)子程序.熟悉使用Keil uVision2開發(fā)軟件及STC-ISP下載軟件.把原器件按電路原理圖安裝.最后再對硬件和軟件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和仿真。硬件部分主要由AT89S52單片機，LED顯示電路，以及調(diào)時按鍵電路等組成。在單片機的選擇上本人使用了AT89S52單片機，該單片機適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。軟件方面主要包括日歷程序、時間調(diào)整程序，顯示程序等。

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單片機應(yīng)用調(diào)研報告

　　一、課題的________及意義

　　在工業(yè)生產(chǎn)中,電流、電壓、溫度、壓力等都是很常見的生產(chǎn)要求參數(shù)，因此在很多工業(yè)生產(chǎn)中，人們都要對加熱爐、生產(chǎn)爐中的氣壓進(jìn)行監(jiān)控，氣壓計是利用壓敏元件將待測氣壓轉(zhuǎn)化為其它容易檢測和傳輸?shù)碾娏骰螂妷盒盘枺偻ㄟ^電路處理將其顯示的工具，而其中的核心就是氣壓傳感器，它在監(jiān)視壓力大小及控制壓力變化方面起著重要作用。采用單片機對其進(jìn)行控制，不僅控制簡單方便，而且對這些參數(shù)指標(biāo)的控制和調(diào)節(jié)能力更強，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

　　運用于氣壓計的氣壓傳感器基本都是依靠不同高度時的氣壓變化來獲取氣壓值的。氣象學(xué)研究表明，在垂直方向上氣壓隨高度增加而降低。例如在低層，每上升100m氣壓便降低10hPa；在5～6km的高空，高度每增加100m，氣壓便會降低7hPa；而當(dāng)高度進(jìn)一步增加時，即到9～10km的高空之后，高度每增加100m，氣壓便會降低5hPa；同樣，若空氣中有下降氣流時，氣壓會增加；若空氣中有上升氣流時，作用于空氣柱底部的氣壓就會減小。一般把作用于單位面積上空氣柱的重量稱為大氣壓力。[1]

　　數(shù)字氣壓計大量應(yīng)用在各種工礦企業(yè)，野外作業(yè)，消費類電子產(chǎn)品等等的地方，并且眾多數(shù)字氣壓傳感器的出現(xiàn)使得數(shù)字化氣壓測量裝置更加多樣化，并且精度也越來越高，現(xiàn)在的數(shù)字氣壓計已經(jīng)不滿足僅測量氣壓的功能，有的還具有測溫及辨識方向的功能，智能化及多功能化將是其以后發(fā)展的趨勢。 本課題設(shè)計充分利用了BMP085的功能，它滿足數(shù)字氣壓計采集、控制和數(shù)據(jù)處理的需要，可提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。同時，微控制和數(shù)字化氣壓傳感器的結(jié)合可以使得氣壓計的設(shè)計更具靈活性，測量精度相對于液體氣壓計也有了顯著提高，測量結(jié)果的顯示也更直觀，由于大量的工作由單片機軟件來實現(xiàn)，簡化了設(shè)計電路，且調(diào)整方便、可兼顧的指標(biāo)多，從而大大降低了成本。另外，由于該數(shù)字氣壓計的模塊化設(shè)計，該數(shù)字氣壓計還具有很好的功能擴展性，具有精度高、穩(wěn)定性好、功能易于擴展等優(yōu)點，為儀器及電子產(chǎn)品設(shè)計的后續(xù)技術(shù)升級，以及進(jìn)一步滿足市場的需要提供了條件[2]

　　二、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

　　人類社會進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后微電子行業(yè)發(fā)展極為迅速，各種各樣的電子傳感器被發(fā)明且被運用到各行各業(yè)，為人們的生產(chǎn)生活創(chuàng)造了極大的便利。數(shù)字氣壓傳感器亦已出現(xiàn)，并大量被運用，甚至現(xiàn)在很多手持設(shè)備中都已經(jīng)加入了氣壓計功能，比如手機，GPS等，方便了人們的出行旅游。常見氣壓計有液體氣壓計和盒式氣壓計。飛機上使用的高度計實際上是用盒式氣壓計改裝成的。常見的液體氣壓計有水銀氣壓計和酒精氣壓計2種，這2種都是老式的氣壓計，體積大，精度低，不方便攜帶且容易壞，當(dāng)今社會科技高速發(fā)展，各行各業(yè)不斷出現(xiàn)新技術(shù)新材料，氣壓測量這塊也是這樣，盒式 1

　　大連交通大學(xué)20__屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）實習(xí)（調(diào)研）報告

　　氣壓計的出現(xiàn)部分的解決了液體氣壓計所無法解決的缺點，比如體積、方便攜帶等等。 目前國際國內(nèi)很多公司都推出了其數(shù)字氣壓傳感器，如摩托羅拉公司的MPX4105和Intersema公司的MS5534b另外還有華普微電子的HP03系列數(shù)字氣壓傳感器。眾多數(shù)字氣壓傳感器的出現(xiàn)使得多樣化的數(shù)字化氣壓測量裝置、用品大量出現(xiàn)，并越來越普及，精度也越來越高。數(shù)字氣壓計一般不會只有測量氣壓一種功能，一般都有其他的功能，比如測溫度、指南針、碼表等等的功能。[1]

　　三、課題的研究目標(biāo)、研究內(nèi)容

　　本設(shè)計介紹了一種用氣壓傳感器BMP085與AT89S52單片機相結(jié)合的氣壓計設(shè)計方法。通過氣壓傳感器獲得與氣壓相對應(yīng)的模擬電壓值，再通過BMP085氣壓傳感器內(nèi)置的模塊的轉(zhuǎn)化和處理，以及單片機對其的控制，獲得當(dāng)前的氣壓值，并通過1602液晶顯示模塊顯示。本設(shè)計以C語言為開發(fā)工具，進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計與編程，總體實現(xiàn)了系統(tǒng)功能的可靠性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計電子氣壓計之前首先要搞清楚氣壓的定義, 氣壓是作用在單位面積上的大氣壓力，即等于單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量,著名的馬德堡半球?qū)嶒炞C明了它的存在。氣壓的國際制單位是帕斯卡，簡稱帕，符號是Pa。氣壓的地區(qū)差別是氣象變化的直接原因之一，在高處的大氣層比較薄，那里的空氣引力比低處要小，因此在高處的氣壓比在低處要低。

　　氣壓產(chǎn)生的成因，可以依據(jù)分子動理論分析，氣體的壓強是大量分子頻繁地碰撞容器壁而產(chǎn)生的。單個分子對容器壁的碰撞時間極短，作用是不連續(xù)的，但大量分子頻繁地碰撞器壁，對器壁的作用力是持續(xù)的、均勻的，這個壓力與器壁面積的比值就是壓強大小。

　　氣壓的大小與海拔高度、大氣溫度、大氣密度等有關(guān)，一般隨高度升高按指數(shù)律遞減。氣壓有日變化和年變化：一年之中，冬季比夏季氣壓高；一天中，氣壓有一個最高值、一個最低值，分別出現(xiàn)在9～10時和15～16時，還有一個次高值和一個次低值，分別出現(xiàn)在21～22時和3～4時。氣壓日變化幅度較小，一般為0.1～0.4千帕，并隨緯度增高而減小。氣壓變化與風(fēng)、天氣的好壞等關(guān)系密切，因而是重要氣象因子。[3]

　　四、可行性分析

　　本次設(shè)計采用集成的單片機主控，壓力傳感器采集到氣壓信號后,經(jīng)過其自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊和控制單元，將其處理后，送入單片機中，通過單片機的控制，將處理的結(jié)果送顯示模塊進(jìn)行顯示，其原理框圖如下：

　　圖2-1 設(shè)計方案原理圖

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　　此方案直觀明了，調(diào)整方便，可兼顧的指標(biāo)多，因此使用本設(shè)計方案，本方案的重點有以下兩點：

　　（1）要選擇合適的氣壓傳感器芯片，這需要根據(jù)實際需要以及各種氣壓傳感器的性能參數(shù)來決定。

　　（2）要設(shè)計合理的單片機及各模塊的接口電路。[4]

　　本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示:

　　圖2-2 數(shù)字氣壓計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　由圖2-2可知，整個系統(tǒng)的工作流程如下：

　　測量時被測氣壓由氣壓傳感器轉(zhuǎn)換為模擬的電壓輸出，此輸出信號不能直接交由單片機處理。因此，需通過BMP085氣壓模塊內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換模塊的轉(zhuǎn)換以及其寄存器的處理和單片機的控制，最后獲得實際氣壓值，并通過LCD1602顯示。

　　單片機對BMP085 發(fā)送控制命令的方式如下圖（圖2-7）所示。

　　圖2-7 單片機向BMP085發(fā)送控制命令的方式

　　具體說來，單片機向BMP085 發(fā)送命令的步驟如下

　　（1）發(fā)送模塊地址+W（表示寫操作），如圖2-7中的0xEE。

　　（2）發(fā)送寄存器地址(register address)，如圖2-7中的第一個0xF4。

　　（3）發(fā)送寄存器的值(control register data)，如圖2-7中的第二個0xF4。

　　寄存器的值代表BMP085 要進(jìn)行的測量方式。不同的值分別代表，測量溫度；低精度壓力測量；中精度壓力測量；高精度壓力測量。

　　舉例來說，向 BMP085 寫寄存器地址0xF4 代表要BMP085 進(jìn)行測量，具體進(jìn)行什么測量（溫度、高精度壓力、中精度壓力還是低精度壓力）要由發(fā)向寄存器的值（control register data）決定，在圖2-7 中control register 的值是0xF4。對照表2-1可以看出，0xF4 代

　　表要進(jìn)行高精度的壓力測量，需要測量時間25.5ms。

　　以上就是單片機向BMP085發(fā)送控制命令的具體過程，下面介紹下單片機從BMP085中讀取數(shù)據(jù)的方法，其方式如下圖（圖2-8）所示。

　　圖2-8 從BMP085讀取數(shù)據(jù)的方法

　　具體說來，從BMP085 讀取數(shù)據(jù)的步驟如下：

　　（1）發(fā)送模塊地址+W（表示寫操作），如圖2-8中的0xEE。

　　（2）送寄存器地址(register address)，如圖2-8中的第一個0xF6。

　　（3）重新開始IIC 傳輸（Restart）。

　　（4）發(fā)送模塊地址+R（表示要進(jìn)行讀操作），如圖2-8中的0xEF。

　　（5）讀取測量值的高8 位（MSB）。

　　（6）讀取測量值的低8 位（LSB）。

　　表2-2 BMP085中的寄存器

　　寄存器名稱

　　EEPROM UT or UP 寄存器地址 0xAA-0xBF 0xF6(高八位) 0xF7(低八位) 0xF8

　　其實單片機對BMP085 的控制可以概括為兩句話：向固定的寄存器（0xF4）寫特定值，從特定的寄存器（0x2E）讀返回值。每次通訊時的地址都是一個固定的值，主要是為了符合IIC 協(xié)議。

　　（1）向固定的寄存器（0xF4）（表2-1中的寄存器）寫特定值。

　　其實就是向 0xF4 地址寫不同的值從而完成溫度測量或者不同的壓力精度的測量。

　　（2）從特定的寄存器（表2-2中的寄存器地址）讀返回值。

　　從 EEPROM 讀取Calibration 所需要的數(shù)據(jù)，共有11 個Word（雙字節(jié)）。

　　從 0xF6，0xF7，0xF8 讀取UT 或者UP，具體是UP 還是UT 要由前面進(jìn)行的操作決定（進(jìn)行了溫度轉(zhuǎn)換就存有溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行了壓力轉(zhuǎn)換就存有壓力數(shù)據(jù)）。

　　本設(shè)計中選擇字符型液晶顯示器LCD1602。LCD1602可以顯示兩行，每行16個字符，采用+5V電源供電，外圍電路配置簡單。LCD1602是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD。