走进跃迁 单片机的工作原理与典型应用分析

单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成。那么单片机是如何工作的呢？原理是什么？大家一起来看看

单片机工作原理

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。

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。

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。

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、电饭煲以及各种视听设备等。

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。

综上所述，单片机的工作过程实质上就是执行指令的过程，而执行指令可以分为三部分：取指令，译码分析指令和执行指令。随着时期的发展与高新科技的发展趋势，现阶段该技术性的实践活动运用日趋成熟期，单片机设计被运用于各行各业。

单片机原理和应用

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。

单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。

硬件特性

1、主流单片机包括CPU、4KB容量的RAM、128 KB容量的ROM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口、ADC/DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化;

3、单片机可靠性高，可工作到10^6 ~10^7小时无故障;

4、处理功能强，速度快。

5、低电压，低功耗，便于生产便携式产品

6、控制功能强

7、环境适应能力强。

单片机原理

单片机主要由运算器、控制器和寄存器三大部分构成。其中，运算器由算术逻辑单元(ALU)、累加器、寄存器等构成，首先累加器和寄存器向ALU输入两个8位源数据，其次ALU完成源数据的逻辑运算，最后将运算结果存入寄存器中;控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等构成，是一个下达命令的“组织”，用于协调整个系统各部分之间的运作;寄存器主要有累加器A、数据寄存器DR、指令寄存器IR、指令译码器ID、程序计数器PC、地址寄存器AR等。

在微处理器内部运算器、控制器、寄存器之间是相互连接的，由控制器向各部分发布操作命令，运算器接到命令后进行相应运算，并将运算后结果存入相应的寄存器中。

单片机现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。单片机具体在各个领域的应用如下：

1)在仪器仪表领域，一旦采用单片机对其进行控制，便使得仪器仪表变得数字化、智能化、微型化，且其功能更加强大;

2)在家用电器领域，已广泛实现了家用电器的单片机控制，如电饭煲、电冰箱、空调、彩电、音响等等;

3)在网络通信领域，手机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统等等都已实现了单片机控制，且单片机普遍具备通信接口，使得通信设备可以方便地与计算机之间进行数据通信;

4)在工业控制领域，可以使用单片机构成多种多样的控制系统，如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统、与计算机联网构成二级控制系统等;

5)在医疗设备领域，单片机也极大的实现了它的价值，已广泛应用于各种分析仪、监护仪、病床呼叫系统、医用呼吸机等医疗设备中;

6)在模块化系统中，可利用单片机实现特定功能，进行模块化应用，而不要求操作人员了解其内部结构，这样做大大地缩小了体积、简化了电路，也降低了损坏率、错误率;

7)在汽车电子领域，单片机已广泛应用于发动机控制器、GPS导航系统、ABS防抱死系统、制动系统中;

8)除上述应用外，单片机在工商、金融、教育、物流等领域都或多或少的发挥了其本身的作用

相关问答

单片机原理及应用是一门涵盖微处理器、嵌入式系统、电子电路理论和软件编程等多个领域的综合性学科。主要学习单片机的基本结构、内部寄存器、编程语言和应用...

USART接口的使用是非常重要的,通过该接口,可以使单片机与PC机之间交换信息,虽然RS232通信并不先进,但是对于接口的学习是非常重要的。正确使用USART接口,需...

单片机控制电路的方法是在线式就是现场控制,需要的是有较强的抗干扰能力,较低的成本,这也是和离线式计算机,单片机是指芯片本身,而单片机系统是为实现某一个...

单片机技术在铁路信号中的应用具有以下结论:1.提高信号的可靠性:单片机可以提供高度可靠的控制和监测功能,能够及时检测信号故障,并采取相应的措施进行修复...

[最佳回答]要模拟电子和数字电子基础,设计汇编语言程序设计和C语言程序设计.单片机应用很广泛的,从玩具到家电到航空航天都有用到.要模拟电子和数字电子基础,...

[最佳回答]我这学期刚学单片机,ADDCA,R3;A+R3+CY的值放入A,也就是把A,R3的十六进制转化成8421码后再加上CY的值,最后把结果还要转化成十六进制就可以啦.所...

好好学,多理解,多实践,不会挂科的,单片机注重实践,多去实验室操作,慢慢就学会了,单片机还很好玩。当时我们学的这本书主要是汇编语言,虽然汇编语言由于...好...

空调的室内风机电机是反馈试调速电机,控制那3根线是连接单片机的,是转速信号,一般是霍尔原件,供电是连接电源,用可控硅调速。原理是这样的:电机启动后单...

1、单片机就是指那一片含有CPU的芯片。2、由单片机再加上一些外围电路比如D/A、A/D或内存或程序扩展,叫单片机系统。3、单片机开发就是指采用单片机(包括硬...

基于单片机的电梯控制系统,其原理实现并不难,通过采集按键选择停留的楼层,单片机系统结合楼层信息,控制电动机转动,控制电梯停留在相应的楼层。电梯控制系统...