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九月 27 2019

单片机的原理与应用

  现在单片机已渗透到我们日常生活中的各个领域,小到家用电器、仪器仪表,大到医疗器械、航空航天,无不存在着单片机的身影。一旦在某种产品上添加了单片机,便使得原产品向互联网靠拢,获得了“智能型”的前缀。那么单片机是如何工作的呢?原理是什么?下面一起来看看:

  一、工作原理

  单片机的工作原理与计算机CPU的工作原理是一样的,主要是利用片内的半导体存储器存放用户的程序和数据,单片机的核心中央微处理器CPU中有指令寄存器、指令译码器,程序计数器等部件,由程序计数器寻找下一条要执行的指令,找到后,将指令送给指令寄存器,再由指令译码器翻译执行该指令,完成对指令功能的操作。一句话:单片机的工作就是不断地取指令、分析指令、执行指令的循环过程。按预先编写的程序执行,以达到用户期待的结果。

  单片机自动完成赋予它的任务的过程,也就是单片机执行程序的过程,即一条条执行的指令的过程,所谓指令就是把要求单片机执行的各种操作用的命令的形式写下来,这是在设计人员赋予它的指令系统所决定的,一条指令对应着一种基本操作;单片机所能执行的全部指令,就是该单片机的指令系统,不同种类的单片机,其指令系统亦不同。

单片机执行程序的过程

  单片机执行程序的过程

  为使单片机能自动完成某一特定任务,必须把要解决的问题编成一系列指令(这些指令必须是选定单片机能识别和执行的指令),这一系列指令的集合就成为程序,程序需要预先存放在具有存储功能的部件——存储器中。存储器由许多存储单元(最小的存储单位)组成,就像大楼房有许多房间组成一样,指令就存放在这些单元里,单元里的指令取出并执行就像大楼房的每个房间的被分配到了唯一一个房间号一样,每一个存储单元也必须被分配到唯一的地址号,该地址号称为存储单元的地址,这样只要知道了存储单元的地址,就可以找到这个存储单元,其中存储的指令就可以被取出,然后再被执行。

  程序通常是顺序执行的,所以程序中的指令也是一条条顺序存放的,单片机在执行程序时要能把这些指令一条条取出并加以执行,必须有一个部件能追踪指令所在的地址,这一部件就是程序计数器PC(包含在CPU中),在开始执行程序时,给PC赋以程序中第一条指令所在的地址,然后取得每一条要执行的命令,PC在中的内容就会自动增加,增加量由本条指令长度决定,可能是1、2或3,以指向下一条指令的起始地址,保证指令顺序执行。

  二、应用领域

  1.医用设备领域

  单片机在医疗设施及医用设备中的用途亦相当广泛,例如在医用呼吸机、各种分析仪、医疗监护仪、超声诊断设备及病床呼叫系统中都得到了实际应用。

  2.商业营销设备

  在商业营销系统中单片机已广泛应用于电子秤、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等。

  3.办公自动化设备

  现在办公自动化设备中大多数嵌入了单片机控制核心。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机及电话等。通过单片机控制不但可以完成设备的基本功能,还可以实现与计算机之间的数据通信。

  4.智能仪器

  内部含有点片剂的仪器系统称为智能仪器,也称为微机化仪器。这类仪器大多采用单片机进行信息处理、控制及通信,与非智能化仪器相比,功能得到了强化,增加了诸如数据存储、故障诊断、联网集控等功能。以单片机作为核心组成智能仪器表已经是自动化仪表发展的一种趋势。

单片机

单片机

  5.家用电器

  单片机功能完善、体积小、价格廉、易于嵌入,非常适合于对家用电器的控制。嵌入单片机的家用电器实现了智能化,是传统型家用电器的更新换代,现已广泛应用于洗衣机、空调、电视机、视盘机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种试听设备等。

  6.汽车电子产品

  现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器等装置中都离不开单片机。特别是采用现场总线的汽车控制系统中,以单片机担当核心的节点通过协调、高效的数据传送不仅完成了复杂的控制功能,而且简化了系统结构。

  7.信息和通信产品

  信息和通信产品的自动化和智能化程度很高,其中许多功能的完成都离不开单片机的参与。这里最具代表性和应用最广的产品就是移动通信设备,例如手机内的控制芯片就是属于专用型单片机。另外在计算机外部设备中,如键盘、打印机中也离不开单片机。新型单片机普遍具备通信接口,可以方便地和计算机进行数据通信,为计算机和网络设备之间提供连接服务创造了条件。

  8.工业控制

  工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一,在测控系统、过程控制、机电一体化设备中主要利用单片机实现逻辑控制、数据采集、运算处理、数据通信等用途。单独使用单片机可以实现一些小规模的控制功能,作为底层检测、控制单元与上位计算机结合可以组成大规模工业自动化控制系统。特别在机电一体化技术中,单排年级的结构特点使其更容易发挥其集机械、微电子和计算机技术于一体的优势。

单片机开发板块

单片机开发板块

  本文总结了单片机原理以及应用。当然除上述应用外,单片机在工商、金融、科研、教育、电力、通信、物流和国防航空航天等领域都发挥了其本身的作用。

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