李建華 王清輝 陳晶晶

(龍巖學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，福建 龍巖 364000)

0 前言

目前我國(guó)現(xiàn)代化的建設(shè)已經(jīng)取得了初步的成績(jī)，人們的生活水平提高了，隨之而來(lái)的是人們對(duì)電器產(chǎn)品的要求增加了。以往的陳舊功能難以滿足人們的生活需要，必要的創(chuàng)新和發(fā)展是電器發(fā)展的必然方向。為了滿足變化的市場(chǎng)需求，使用單片機(jī)這種體積較小，而且性能又十分優(yōu)越的部件替換那些陳舊的，沒有創(chuàng)新前途的部件是一種非?？尚械霓k法。因此，單片機(jī)技術(shù)在現(xiàn)代電器中得到了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在智能的控制設(shè)備備受人們的親睞，一切電器走向智能化是電氣發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1 單片機(jī)概述

單片機(jī)的全稱叫做單片微控制器，它不僅僅是一個(gè)小型的部件，而是一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)濃縮后的集成部件，擁有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整功能，因此它能夠被用于電器的智能控制中。在單片機(jī)的研究領(lǐng)域中因特爾公司作為老牌計(jì)算機(jī)公司，有著領(lǐng)軍的實(shí)力。在20世紀(jì)70年代由因特爾公司的工程師霍夫成功制作出世界上第一臺(tái)微處理器，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得了重大的突破，開創(chuàng)了微處理器時(shí)代。隨后一些實(shí)力雄厚的電子技術(shù)公司開始深入研究單片機(jī)的智能控制技術(shù)。單片機(jī)嵌入技術(shù)發(fā)展并開始逐漸應(yīng)用于自動(dòng)控制設(shè)備[2]。直到20世紀(jì)80年代單片機(jī)技術(shù)才開始流入國(guó)內(nèi)，從這時(shí)開始國(guó)內(nèi)的單片機(jī)技術(shù)才逐漸發(fā)展起來(lái)。由于我國(guó)對(duì)于單片機(jī)領(lǐng)域研究時(shí)間落后于世界強(qiáng)國(guó)，技術(shù)上難以和世界先進(jìn)技術(shù)相比，因此我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)還處于緩慢的發(fā)展期[3]。到目前為止，我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)取得了一些成就，但更多的是需要這方面的人才來(lái)參與加強(qiáng)單片機(jī)技術(shù)的研究與創(chuàng)新，追趕世界的腳步。我國(guó)目前的單片機(jī)使用量已經(jīng)呈現(xiàn)逐年飛速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但是相對(duì)于世界單片機(jī)使用量來(lái)說(shuō)卻僅僅占了1%，可想而知在單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域國(guó)內(nèi)有著較大的可開發(fā)空間，這也從側(cè)面反應(yīng)我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)發(fā)展比較落后。因此未來(lái)我國(guó)單片機(jī)的發(fā)展前景十分廣闊，培養(yǎng)新型人才，加強(qiáng)單片機(jī)的創(chuàng)新研究和應(yīng)用研究是我國(guó)單片機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。

2 單片機(jī)的分類和結(jié)構(gòu)

單片機(jī)是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展后的必然產(chǎn)物，根據(jù)目前單片機(jī)應(yīng)用的角度不同，單片機(jī)主要可以分為以下幾種不同的類型：首先是通用型和專用型，顧名思義就是能夠在電器中通用的單片機(jī)和專門為某一種產(chǎn)品而研制的單片機(jī)，當(dāng)然前者的應(yīng)用更為廣泛，而后者的功能更具有針對(duì)性；其次就是總線型和非總線型單片機(jī)，這主要是根據(jù)單片機(jī)是否提供并行的總線來(lái)進(jìn)行分類，有的單片機(jī)串口較多，需要擴(kuò)展外圍的部件，因此被歸為總線型單片機(jī)[5]。另外一些非總線型單片機(jī)已經(jīng)通過(guò)集成將必要的線路聚合成一個(gè)整體模塊，無(wú)需再對(duì)總線進(jìn)行擴(kuò)展，也更加簡(jiǎn)潔和方便；最后一類就是控制型和家電型單片機(jī)，這一類單片機(jī)主要是根據(jù)其應(yīng)用的范圍來(lái)劃分的。控制型單片機(jī)一般性能強(qiáng)勁，運(yùn)算能力突出，造價(jià)也比較高，而家用型單片機(jī)則多為體積十分小巧，接口集成度比較高，對(duì)于某種電器專用性比較強(qiáng)的單片機(jī)。

單片機(jī)的結(jié)構(gòu)與計(jì)算機(jī)相似，主要包括運(yùn)算器、控制器和主要寄存器。其中運(yùn)算器是單片機(jī)的核心部件，主要通過(guò)累加器和數(shù)據(jù)寄存器獲取數(shù)據(jù)后進(jìn)行各種常規(guī)運(yùn)算和邏輯性運(yùn)算。而控制器顧名思義就是單片機(jī)發(fā)布命令的中央部件，通過(guò)接受運(yùn)算器數(shù)據(jù)有做出相應(yīng)的調(diào)整和發(fā)出操作命令，保證單片機(jī)正常運(yùn)行[6]。主要寄存器也是單片機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它包括寄存數(shù)據(jù)和操作命令的所有寄存部件，無(wú)論是在運(yùn)算還是控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，都需要主要寄存器的配合。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)看似簡(jiǎn)單，其中包含的各個(gè)小部件卻精密無(wú)比，通過(guò)小巧的單片機(jī)我們能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的功能，十分方便和實(shí)用。

3 單片機(jī)在現(xiàn)代電器中的應(yīng)用

在以前的電子技術(shù)領(lǐng)域，人們采用將復(fù)雜的電路壓縮進(jìn)電器中，來(lái)保證電器的正常運(yùn)行和工作，但是這樣生產(chǎn)的電器體積大，攜帶不方便，成本也高，生產(chǎn)過(guò)程中需要注意的工藝也比較難以掌握，而且在使用過(guò)程中隨著部件的逐漸老化，電器中控制系統(tǒng)開始逐漸失靈。單片機(jī)的出現(xiàn)解決了這些問(wèn)題，由于單片機(jī)本身就是一個(gè)微型電腦，體積也比較小，因此我們只需要將單片機(jī)嵌入電器的控制部件中就能夠智能的對(duì)電器功能進(jìn)行控制，十分方便，而且不需要復(fù)雜且體積龐大的電路做基礎(chǔ)[7]。只需要幾條基礎(chǔ)的電路和編寫完全的程序就能夠完成電器的制作。這樣不僅成本大大降低，制作技術(shù)要求也降低了，使用壽命也增加了。總的來(lái)說(shuō)，單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，一般為集成的模塊，使用時(shí)方便快捷，運(yùn)算速度和處理速度快，工作時(shí)間長(zhǎng)，使用壽命也比較長(zhǎng)，消耗電能相對(duì)較少，有很強(qiáng)的適應(yīng)性這都是它的突出優(yōu)勢(shì)。目前我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)主要應(yīng)用于電腦、通訊產(chǎn)品、家用電器、車輛制造等現(xiàn)代電器制造方面，適用范圍正在逐年擴(kuò)大，使用量也不斷增加。單片機(jī)的使用不僅促進(jìn)了我國(guó)電器制造行業(yè)的發(fā)展，也方便了我們的生活，大量單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)讓我們嘗到了智能控制的甜頭，在生活節(jié)奏逐漸加快的城市中，智能控制的電器是人們解決生活問(wèn)題的首要選[8]擇。

我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)雖然落后于世界的發(fā)達(dá)國(guó)家，但是近幾年來(lái)也取得了很大的進(jìn)步，發(fā)展速度很快，到目前為止我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用到社會(huì)生活與生產(chǎn)的各個(gè)方面中。無(wú)論是交通工具的儀表控制還是通訊工具的數(shù)據(jù)傳送以及工業(yè)生產(chǎn)的控制系統(tǒng)都有單片機(jī)的身影出現(xiàn)?？偟膩?lái)說(shuō)單片機(jī)應(yīng)用的領(lǐng)域主要可以歸為一下幾類：（1）儀器儀表類，單片機(jī)在儀器儀表中的使用減小了儀器儀表的體積，而單片機(jī)適應(yīng)各種環(huán)境的能力也為儀器儀表正常工作提供了保障。使用單片機(jī)之后的儀器和儀表不僅能夠正常的顯示待測(cè)的數(shù)據(jù)還能夠智能調(diào)整和提示并進(jìn)行分析，實(shí)用效果十分良好[9]。（2）工業(yè)控制系統(tǒng)類，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要控制復(fù)雜而精密的生產(chǎn)設(shè)備，單片機(jī)以其體積小巧，運(yùn)算功能強(qiáng)大使得設(shè)備的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)控制得以實(shí)現(xiàn)。使用單片機(jī)之后，工廠的流水生產(chǎn)線能夠通過(guò)單片機(jī)的智能調(diào)控進(jìn)行自主生產(chǎn)，出現(xiàn)狀況時(shí)也會(huì)得到智能報(bào)警并停止運(yùn)行。這樣大大節(jié)省了工廠的生產(chǎn)成本，增加了流水線的生產(chǎn)質(zhì)量。當(dāng)然這也需要我們預(yù)先設(shè)定好相關(guān)的程序，然后才能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)想的效果。（3）

家用電器類，這一類是我們所熟知的，無(wú)論是智能控溫的電飯鍋、冷凍保鮮的電冰箱、全自動(dòng)洗衣機(jī)以及家庭影院等等，單片機(jī)應(yīng)用于我們生活電器的方方面面[10]。沒有它的智能控制，一不注意米飯會(huì)糊掉，衣服會(huì)洗破，肉類蔬菜保鮮難等等這些都會(huì)影響我們正常的生活。（4）網(wǎng)絡(luò)和通信類，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)走進(jìn)了千家萬(wàn)戶，手機(jī)、電話是每個(gè)人的必備通訊手段，單片機(jī)的應(yīng)用方便我們的溝通，方便了信息的流通。如果突然沒有了這些手段，那生活將是無(wú)法想象的災(zāi)難。（5）汽車電子類，汽車使我們出行的必備工具之一，汽車內(nèi)定許多元件都需要單片機(jī)的智能控制，簡(jiǎn)單如GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，復(fù)雜如自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)都是單片機(jī)應(yīng)用的實(shí)例。一輛汽車的正常運(yùn)行需要多種且多個(gè)單片機(jī)相互協(xié)調(diào)運(yùn)作，可見單片機(jī)的重要性[11]。

4 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例分析

人們生活水平提高了，物質(zhì)要求也就增加了，無(wú)論是在炎熱的夏季還是在寒冷的冬季人們都需要一個(gè)舒適的生活環(huán)境，這都少不了空調(diào)的身影。作為一件能夠自動(dòng)調(diào)控室內(nèi)溫度的家用電器，空調(diào)控制也是單片機(jī)應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例。

自動(dòng)智能控溫空調(diào)的工作原理是比較簡(jiǎn)單的，它主要的單片機(jī)控制包括控制室內(nèi)溫度的單片機(jī)系統(tǒng)和測(cè)量室外溫度的單片機(jī)控制系統(tǒng)。我們主要以室內(nèi)為例，一般是先由使用者設(shè)置合適的溫度，空調(diào)的傳感器能夠感應(yīng)室內(nèi)溫度，然后將溫度數(shù)據(jù)傳遞到室內(nèi)控制部分微電腦，微電腦中的單片機(jī)通過(guò)與設(shè)定溫度比較和運(yùn)算后下達(dá)制冷或制熱的命令，同時(shí)將溫度顯示到顯示器上。壓縮機(jī)得到命令后執(zhí)行加熱或制冷的操作，達(dá)到制冷或制熱的效果。其中制冷過(guò)程主要是通過(guò)壓縮機(jī)將處于低壓狀態(tài)的制冷機(jī)內(nèi)空氣壓縮后成為高壓制冷蒸汽，然后將其通過(guò)冷凝器產(chǎn)生大量低溫，然后通過(guò)風(fēng)扇將低溫氣體吹入室內(nèi)，同時(shí)將帶走的熱量流出室外，然后通過(guò)制冷機(jī)形態(tài)變化將熱量排出。如此進(jìn)行循環(huán)的空氣熱量移動(dòng)達(dá)到降溫的目的。制熱則與制冷相反，將整個(gè)過(guò)程反轉(zhuǎn)就能達(dá)到目的。至于室外的溫控系統(tǒng)則與室內(nèi)相似，主要是多了溫度交換器，吸氣、排氣口溫度傳感器等幾個(gè)硬件設(shè)備，工作原理不變，起到主要控制作用的仍是單片機(jī)控制系統(tǒng)。

圖1 空調(diào)制冷制熱工作原理示意圖

空調(diào)的單片機(jī)智能控制技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并取得一些成就，但是在太陽(yáng)能熱水器上單片機(jī)的應(yīng)用還不夠完善。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的太陽(yáng)能熱水器大部分缺少自動(dòng)控制溫度的功能，使用時(shí)需要我們自己再進(jìn)行加熱或增加涼水來(lái)調(diào)整溫度，十分不方便。如果將單片機(jī)應(yīng)用到太陽(yáng)能熱水器中，研究一款可以自動(dòng)調(diào)控溫度的控制器，可以為人們的生活帶來(lái)便利，也會(huì)增加太陽(yáng)能熱水器的市場(chǎng)[12]。

圖2 太陽(yáng)能熱水器智能溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

從硬件上來(lái)看我們需要的輸入設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集器、輸入鍵盤、顯示器、單片機(jī)處理器、加熱器、加水閥控制器以及報(bào)警系統(tǒng)等等（如圖2所示）。其中單片機(jī)處理器我們采用89c51單片機(jī)，89c51單片機(jī)是目前比較常用的一種即是通用型又是總線型的單片機(jī)，它采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，內(nèi)部具有中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器以及多種I/O口和中斷系統(tǒng)還擁有定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能，在工控領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

圖3 溫度顯示系統(tǒng)及水位指示系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

圖4 水位選擇、鍵盤及各接口電路的設(shè)計(jì)

溫度顯示系統(tǒng)及水位指示系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)則如圖3、圖4所示進(jìn)行設(shè)計(jì)，顯示電路通過(guò)2個(gè)共陽(yáng)型LED數(shù)碼液晶管動(dòng)態(tài)顯示水溫?cái)?shù)值，其中使用到的兩個(gè)三極管均為PNP型，7個(gè)I/O端口均用作輸出段碼，其中2個(gè)I/O端口輸出顯示溫度設(shè)定值和實(shí)際溫度測(cè)量值。使用用六個(gè)發(fā)光二極管作為10%、30%、50%、70%、90%、100%六個(gè)水位檔的指示燈，由89C51 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)水位采集系統(tǒng)提供的水位數(shù)據(jù)，在水位低于10 %時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，同時(shí)加熱系統(tǒng)停止運(yùn)行；反之，當(dāng)水位高于 90%時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，同時(shí)加水電磁閥關(guān)閉，停止加水。加水量可以根據(jù)手動(dòng)設(shè)定加水至任何一個(gè)檔位，也可以自動(dòng)加水至100%。當(dāng)水溫低于3 ℃時(shí)，為了防止硬件系統(tǒng)凍傷可以實(shí)施防護(hù)性自動(dòng)電加熱，加熱至20-25 ℃，如果進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置則加熱至設(shè)定的溫度，設(shè)定溫度的數(shù)值范圍為25℃至65℃。兩個(gè)LED能夠?qū)崟r(shí)顯示水位和溫度以及設(shè)定水位及設(shè)定溫度。

從軟件上來(lái)說(shuō)，程序編輯過(guò)程全部程序采用89C51匯編語(yǔ)言編寫，由主程序、鍵盤服務(wù)程序、水溫水位采樣計(jì)算程序、水位調(diào)節(jié)程序、顯示程序、報(bào)警程序等模塊組成。程序中應(yīng)考慮加入了防死機(jī)及抗干擾措施。水溫水位采樣計(jì)算程序可以在RAM中開辟出水溫水位各10個(gè)數(shù)據(jù)的暫存區(qū)，采用分別連續(xù)10次采樣后進(jìn)行去極值平均濾波的數(shù)字濾波算法，增加計(jì)算的準(zhǔn)確性[14]。

智能溫控系統(tǒng)的具體工作流程是：首先使用者需要將溫度數(shù)值（如45℃）和水位數(shù)值（如90%）通過(guò)輸入鍵盤輸入到單片機(jī)控制系統(tǒng)中，再由數(shù)據(jù)采集器實(shí)時(shí)采集水溫和水位數(shù)據(jù)，將水溫顯示在顯示器上，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)與設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較后發(fā)布加熱或者加水的命令，控制加熱器或加水閥控制器工作，同時(shí)在顯示器上顯示水位和水溫[13]。通過(guò)水溫采集器對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，單片機(jī)可以隨時(shí)處理溫度信息做出快速判斷，從而使太陽(yáng)能熱水器的溫度達(dá)到使用者設(shè)定的溫度。當(dāng)然，這也僅僅是我個(gè)人的一點(diǎn)小的設(shè)想，具體細(xì)節(jié)也沒有所說(shuō)的如此簡(jiǎn)單，有待以后深入研究。

從上面兩個(gè)實(shí)例我們可以看出單片機(jī)對(duì)我們生活已經(jīng)產(chǎn)生了重要的影響，它的智能控制和小巧體積使我們?cè)趹?yīng)用時(shí)得到了很大的便利，為我們的生產(chǎn)生活提供了便利。我們必須學(xué)會(huì)使用它，學(xué)會(huì)編寫單片機(jī)的計(jì)算機(jī)程序，才能夠?yàn)槲覈?guó)單片機(jī)研究的發(fā)展做出貢獻(xiàn)[15]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，我國(guó)國(guó)民生活水品逐年提高，家用電器普遍進(jìn)入普通家庭，人們對(duì)于電器功能的要求也逐漸開始變得多種多樣，智能型的控制系統(tǒng)是人們所追捧的對(duì)象，電器產(chǎn)品的智能化也是電器行業(yè)發(fā)展的必然。使用單片機(jī)進(jìn)行智能控制已經(jīng)是必不可少的電器技術(shù)。而如今人們已經(jīng)開始對(duì)單片機(jī)有了更多要求，促使國(guó)內(nèi)單片機(jī)技術(shù)開始飛速發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)單片機(jī)市場(chǎng)前景十分可觀，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用潛力還需要繼續(xù)挖掘，當(dāng)然我國(guó)的單片機(jī)技術(shù)還不夠成熟，需要向世界靠攏，培養(yǎng)新的綜合型單片機(jī)技術(shù)人才，創(chuàng)新現(xiàn)有的單片機(jī)技術(shù)，促進(jìn)我國(guó)單片機(jī)技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展是我國(guó)單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的未來(lái)方向。

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