单片机控制技术的智能化革新及其应用

单片机智能控制技术

苟泽志

摘　要:现代计算机技术的产业革命，将世界经济从资本经济带入知识经济时代。而集成在一块芯片上的完整计算机系统——单片机嵌入式系统在家用电器、工商、金融、科研、教育、国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。单片机以其可靠性高、控制功能强、环境适应性好、体积小等优点在电子系统中得到日益广泛的应用。用单片机取代传统家电中的机械控制部件，正在使传统的家用产品走向智能化。

关键词:单片机　智能控制　应用技术

一、单片机开创了现代电子系统时代

(一)单片机与嵌入式系统

嵌入式系统源于计算机的嵌入式应用，早期嵌入式系统为通用计算机经改装后嵌入对象体系中的各种电子系统，如舰船的自动驾驶仪、轮机监测系统等。嵌入式系统首先是一个计算机系统，其次它被嵌入对象体系中，在对象体系中实现对象要求的数据采集、处理、状态显示、输出控制等功能，由于嵌入对象体系中，嵌入式系统的计算机没有计算机的独立形式及功能。单片机完全是按照嵌入式系统要求设计的，因此单片机是最典型的嵌入式系统。早期的单片机只是按嵌入式应用技术要求设计的计算机单芯片集成，故名单片机。随后，单片机为满足嵌入式应用要求不断增强其控制功能与外围接口功能，尤其是突出控制功能，因此国际上已将单片机正名为微控制器(Microcontroller Unit，MCU)。

(二)单片机构成的现代电子系统将成为主流电子系统

单片机是器件级计算机系统，它可以嵌入任何对象体系中去，实现智能化控制。小到微型机械，如手表、助听器。集成器件级的价位低，低到几元、十几元，足以使单片机在许多民用家电、电子玩具中得到普及。单片机构成的现代电子系统已深入各家各户，正在改变我们的生活。如家庭中的音响、电视机、洗衣机、微波炉、电话、防盗系统、空调机等。单片机革新了原有电子系统，如微波炉采用单片机控制后，可方便地进行时钟设置、程序记忆、功率控制;空调机采用单片机后不但遥控参数设置方便，运行状态自动变换，还可实现变频控制。目前许多家用电器如VCD、DVD只有单片机出现后才可能实现其功能。

(三)嵌入式系统带动了整个电子产业

目前电子元器件产业除了微处理器、嵌入式系统器件外，大多是围绕现代电子系统配套的元器件产业。例如满足人机交互用的，LED/LCD显示驱动、LED/LCD显示单元、语音集成器件等;满足数据采集通道要求的数字传感器、数据采集模块、信号调理模块等;满足伺服驱动控制的DAC、固体继电器、步进电机控制器、变频控制单元等;满足通信要求的各种总线驱动器、电平转换器等。

世界电子元器件在嵌入式系统带动下，沿着充分满足嵌入式应用的现代电子系统要求发展，这就使原来经典电子系统的天地越来越小，电子系统中的各类从业人员应尽早转向现代电子系统的“康庄大道”。

二、单片机发展概述

(一)从无线电时代到电子技术普及时代

早期的无线电技术推动了电子技术的发展，其中最主要的是真空管电子技术向半导体电子技术的发展。半导体电子技术使有源器件实现了微小型化和低成本，使无线电技术有了更大普及和创新，并大大地拓宽了许多非无线电的控制领域。

半导体技术发展导致集成电路器件的产生，形成了近代电子技术的飞跃，电子技术从分立器件时代走进电路集成时代。电子设计工程师不再用分立的电子元器件设计电路单元，而直接选择集成化的电路单元器件构成系统。他们从电路单元设计中解放出来，致力于系统设计，大大地解放了科技生产力，促进了电子系统更大范围的普及。

半导体集成电路首先在基本数字逻辑电路上取得突破。大量数字逻辑电路，如门电路、计数器、定时器、移位寄存器以及模拟开关、比较器等，为电子数字控制提供了极佳的条件，使传统的机械控制转向电子控制。功率电子器件以及传感技术的发展使原先以无线电为中心的电子技术开始转向工程领域中的机械系统的数字控制、检测领域中的信息采集、运动机械对象的电气伺服驱动控制等。

(二)从经典电子技术时代到现代电子技术时代

进入20世纪80年代，世界经济最重要的变革是计算机的产业革命。而计算机产业革命的最重要标志则是计算机嵌入式应用的诞生。近代电子计算机是应数值计算要求诞生的。在很长的时间内，电子计算机都是以发展海量数值计算为己任。但是电子计算机表现出的逻辑运算、处理、控制能力，吸引了电子控制领域的专家，他们要求发展能满足控制对象要求、实现嵌入式应用的计算机系统。如果将满足海量数据处理的计算机系统称为通用计算机系统，那么则可把嵌入对象体系(如舰船、飞机、机车等)中的计算机系统称为嵌入式计算机。显而易见，两者的技术发展方向是不同的。前者要求海量数据存储、吞吐、高速数据处理分析及传输;而后者要求在对象环境中可靠运行，对外部物理参数的高速采集、逻辑分析处理和对外部对象的快速控制等。早期人们将通用计算机加上数据采集单元、输出驱动电路单元，勉为其难地构成一个热处理炉的温控系统。这样的通用计算机系统不可能为大多数电子系统采用，而且要使通用计算机系统满足嵌入式应用要求，必然影响高速数值处理技术的发展。为了解决计算机技术发展的矛盾，在20世纪70年代，半导体专家另辟蹊径，完全按照电子系统的计算机嵌入式应用要求，将一个微型计算机的基本系统集成在一个芯片上，形成了早期的单片机(Single Chip Microcomputer)。单片机问世后，在计算机领域中开始出现了通用计算机系统和嵌入式系统的两大分支。此后，无论是嵌入式系统，还是通用计算机系统都得到了飞速的发展。

早期虽然有通用计算机改装而成的嵌入式计算机系统，而真正意义上的嵌入式系统始于单片机的出现。因为单片机是专门为嵌入式应用设计的，单片机只能实现嵌入式应用。单片机能最好地满足嵌入式应用的环境要求，例如，芯片级的物理空间、大规模集成电路的低价位、良好的外围接口总线和突出控制功能的指令系统。

单片机有计算机系统的内核，嵌入电子系统中，为电子系统智能化奠定了基础。因此，当前单片机在电子系统中的广泛使用，使经典电子系统迅速过渡到智能化的现代电子系统。

(三)单片机定义

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整的计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件: CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通信接口、定时器、实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

图1　单片机引脚排列和逻辑符号图

(四)单片机的外形与内部结构

早期的单片机都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠且性能不错而获得了大量的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到广泛的应用。20世纪90年代后，随着消费电子产品的大发展，单片机技术得到了很快提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而作为掌上电脑和手机核心处理器的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

图2　单片机外形图

图3　单片机结构框图

单片机是靠程序工作的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些甚至花大力气也很难做到。一个不是很复杂的功能要是用美国20世纪50年代开发的74系列，或者60年代的CD 4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板。但是如果用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。只因为单片机是通过你编写的程序就可以实现高智能、高效率以及高可靠性。

三、单片机在家电中的智能控制

单片机模糊控制是目前在控制领域所采用的智能控制方法中最具实际意义的方法。模糊控制的采用解决了大量过去人们无法解决的问题，并且在工业控制、家用电器和各个领域已取得了令人瞩目的成效。用单片机实现模糊控制的技术和方法在家用电器控制和工控领域上得到了广泛的应用。例如:

(1)模糊控制的电冰箱由模糊控制系统、规则和模糊量控制系统的电路结构、控制规则自动调整温度。

(2)模糊控制的电饭锅由煮饭的工艺过程曲线计算控制逻辑结构和模糊推理，应用软件控制煮饭的过程。智能化电饭锅的设计采用单片机温度控制、时间控制的方案，实现电饭锅的快速煮饭、煮粥保温、定时开启、掉电保护等多种功能。其中掉电保护、来电快速重煮的功能，可保证在煮饭(包括保温)过程中一旦发生短时间停电(4小时之内)后再来电时，用户不致吃生米饭，是智能化电饭锅的一大特色。

(3)模糊控制的微波炉由控制电路计算模糊量进行推理控制，还可以通过时钟设置、程序记忆、功率控制等方便地工作。(www.chuimin.cn)

(4)模糊控制的洗衣机由控制系统逻辑结构自动完成洗涤过程，单片机控制的全自动洗衣机能实现对洗衣机的进水阀，排水阀，洗涤电动机正、反转及电源开关的控制，以完成预定的洗衣过程中的洗涤、漂洗、脱水等动作的程序控制。通过洗涤时间、漂洗选择、脱水时间及浸泡洗等程序选择键组合自动完成洗涤过程。

四、单片机的应用范畴

(一)在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中。结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备(功率计、示波器、各种分析仪)。

(二)在工业自动化控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯的智能化控制，各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

(三)在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭锅、洗衣机、电冰箱、空调器、彩电、音响、视频器材，到电子称量设备，五花八门，无所不在。

(四)在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信，再到日常工作中随处可见的集群移动通信、无线电对讲机等。

(五)在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机、各种分析仪、监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

(六)在各种大型电器中的模块化应用

某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中(有别于磁带机的原理)，就需要复杂的类似于计算机的原理。如:音乐信号以数字的形式存于存储器中(类似于ROM)，由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号(类似于声卡)。

在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了电路体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便更换。

(七)在汽车设备领域中的应用

单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器、基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器、RGPS导航系统、abs防抱死系统、制动系统等等。

此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防、航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

五、单片机将造就新一代电子精英

如果说20世纪50年代起，无线电世界造就了几代精英，那么当今的单片机世界将会造就出新一代电子精英。

(一)单片机带你进入智能化电子领域

若将经典电子系统当做一个僵死的电子系统，那么智能化的现代电子系统则是一个具有“生命”的电子系统。单片机应用系统的硬件结构给予电子系统“身躯”，单片机应用系统的应用程序赋予其“生命”。例如，在设计智能化仪器显示器的显示功能时，可在开机时显示系统自检结果，未进入工作时显示各种待机状态，仪器运行时显示运行过程，工作结束后可显示当前结果、自检结果、原始数据、各种处理报表等。在无人值守时，可给定各种自动运行功能。

电子系统的智能化似乎已达无止境境界，常常不需硬件资源的增添就能实现各种翻新功能。这也是当前许多家用电器功能大量增设的因素之一。

(二)单片机带你进入计算机工控领域

21世纪是全人类进入计算机时代的世纪，许多人不是在制造计算机便是在使用计算机。在使用计算机的人们中，只有从事嵌入式系统应用的人才，才能进入计算机系统的内部软、硬件体系中，才能真正领会计算机的智能化本质并掌握智能化设计的知识。从学习单片机应用技术入手是当今培养计算机应用软、硬件技术人才的最佳途径之一。

(三)单片机带你进入最具魅力的电子世界

独具魅力的单片机能使你体会到电脑的真谛，你可以用单片机亲自动手设计智能玩具，可以设计不同的应用程序实现不同的功能;既有硬件制作又有软件设计，既动脑又动手。初级水平可开发智能玩具，用宏指令编程;中级水平可开发一些智能控制器，如电脑鼠、智能车、各种遥控模型;高级水平可开发机器人，开发工业控制单元、网络通信等，并用汇编语言或高级语言设计应用程序。围绕单片机及嵌入式系统形成的电子产业的未来，将会为电子爱好者提供广阔的天地，一个比当年无线电世界更广阔、更丰富、更持久、更具魅力的电子世界。投身到单片机世界来，将使你一生受益。

参考文献:

［1］张永枫.单片机应用实训教程［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2005.

［2］李秀忠.单片机应用技术［M］.北京:人民邮电出版社，2007.

［3］刘守义.单片机原理与应用［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2007.

［4］曾虹虹.单片机在家电控制系统中的应用［J］.消费电子设计，2009(8).

［5］刘建辉.单片机智能控制技术［M］.北京:国防工业出版社，2007.