1.1 概述

1.1.1 单片机的概念

单片机，就是把中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（Memory）、定时器/计数器（Timer/Counter）、I/O（Input/Output）接口电路等计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。中文“单片机”的称呼就是由英文名称“Single Chip Microcomputer”直接翻译而来的。

单片机主要应用于工业控制领域。随着单片机技术的发展，在芯片内集成了许多针对测控对象的接口电路，如ADC、DAC、高速I/O口、PWM、WDT等。这些对外电路及外设接口已经突破了微型计算机传统的体系结构，所以更为确切反映单片机本质的名称应是微控制器MCU（Micro Controller Unit）。单片机的芯片体积小，在现场环境下可高速可靠运行，在工业现场完全作嵌入式应用，它有专门为嵌入式应用而设计的体系结构和指令系统，因此单片机又称为嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller）。综上所述，我们可以把单片机理解为一个单芯片形态的微控制器，它是一个典型的嵌入式应用计算机。而在国内我们仍然习惯地称之为“单片机”或“单片微机”，在本书中我们使用“单片机”一词。

1.1.2 单片机的发展历史

单片机根据数据总线宽度的不同，可以分为4位机、8位机、16位机、32位机，最早研制成功的单片机是4位机。1971年，美国Intel公司生产出了第一片4位单片机——4004，它将微型计算机的运算部件和逻辑控制部件集成在一起。1976年又推出了MCS-48系列8位单片机，成为单片机发展进程中的一个重要阶段。

在 MCS-48系列单片机的基础上，许多半导体公司和计算机公司争相研制和发展自己的单片机系列。其中最典型、应用最广泛的是Intel公司在20世纪80年代初推出的MCS-51系列8位单片机，主要技术特征是配置了外部并行总线和串行通信接口，规范了特殊功能寄存器的控制模式，以及为增强控制功能而强化了布尔处理系统和相关的指令系统。

1982年以后，16位单片机问世，代表产品是Intel公司的MCS-96系列，16位单片机比起8位机，数据宽度增加了一倍，实时处理能力更强，主频更高，集成度达到了12万只晶体管，RAM增加到了232B,ROM则达到了8KB，并且有8个中断源，同时配置了多路的A/D转换通道、高速的I/O处理单元，适用于更复杂的控制系统。在工业控制产品、智能仪表、彩色复印机、录像机等应用领域中，16位单片机大有用武之地。近几年，32位单片机也得到了快速发展，如ARM处理器系列等。

尽管目前单片机品种繁多，但其中最为典型的仍当属Intel公司的MCS-51系列单片机，它具有功能强大、兼容性强、软硬件资料丰富的优点。国内也以此系列的单片机应用最为广泛。直到现在，MCS-51系列单片机仍不失为单片机中的主流机型。

1.1.3 单片机的应用

单片机具有功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，而且其性价比高，很多单片机芯片甚至只需几元钱就能买到，再加上少量的外围元件，就可以构成一个功能优越的计算机智能控制系统，因此单片机广泛地应用于各行各业，其主要的应用领域如下。

1.工业自动化控制

单片机可以用于构成各种工业控制系统、自适应控制系统、数据采集系统等。如数控机床、工厂流水线的智能化管理、电梯控制、化工控制系统、智能大厦管理系统、与计算机联网构成二级控制系统等。

2.智能仪器仪表

采用单片机控制可使仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。结合不同类型的传感器，利用单片机的软件编程技术进行误差修正、线性化的处理等，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、角度、硬度、压力等物理量的精确测量。

3.智能化家用电器

目前，家用电器已普遍采用单片机控制代替传统的电子线路控制，如智能冰箱、智能电饭煲、智能洗衣机、空调、微波炉、视听音响设备、大屏幕显示系统等。单片机将使人们的生活更加方便舒适，丰富多彩。

4.办公自动化

单片机可以使办公设备功能更加丰富，使用更方便。如PC机、考勤机、复印机、传真机、手机、楼宇自动通信呼叫系统、无线电对讲机等。

除此之外，单片机还应用于玩具、医疗器械、汽车电子、航空航天系统甚至尖端武器等。

单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计方法和设计思想，以前由硬件电路实现的大部分控制功能，现在都可以利用单片机通过软件控制加以实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术正在不断地发展完善。