基于单片机的螺旋藻生长棚智能控制.doc

编号： 0714232

毕 业 设 计

（ 2011 届本科）

题 目： 基于单片机的螺旋藻智能生长大棚
测控系统设计
系（部）院： 物理与机电工程学院
专 业： 电气工程及其自动化
作 者 姓名： XXXX
指 导 教师： XXXXX 职称 讲师
完 成 日期： XXXXX 年 5 月 15 日

二○一 X年五月
河西学院本科生毕业论文（设计）诚信声明

本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文,是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议,除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：
二○一 一年 五 月 十 五 河西学院本科生毕业论文任务书
论 文 题 目
基于单片机的螺旋藻智能生长棚测控系统的设计
作 者 姓 名
杨生林
所属系、专业、年级
机电工程系电气工程及其自动化专业07级
指导教师姓名、职称
王宗刚 讲师
任务下达日期
2010年1月5日
一、 论文（设计）的主要内容

本课题运用STC89C52单片机、DS18B20温度传感器、继电器和M4QA045电机、数码管显示模块等器件，设计了温度报警电路、M4QA045电机驱动电路、电热器驱动电路，实现了螺旋藻培养大棚中温度、PH值自动控制与报警系统，解决了温室大棚人工控制测试的温度及湿度误差大，且费时费力、效率低等问题，促进了农作物的生长，从而提高温室大棚的产量，带来很好的经济效益和社会效益。
设计的主要内容包括:
1、毕业设计任务书（1000字左右）
2、毕业设计开题报告（2000字左右）
3、毕业设计说明书（10000字左右）
1、 温度测量：要有温度测量电路
2、 被测量为模拟信号
3、 温度显示：按要求适时显示温室的温度值
4、 温度控制
5、PH值的测量
6、PH值的显示

二. 论文（设计）的基本要求
将单片机应用到现代农业当中来以实现农业生产的自动化，本文围绕螺旋藻生长所需的温度条件和PH值进行了设计，要求以单片机为基础完成螺旋藻生长环境的智能测控系统，并阐明它的构成，系统的基本原理、硬件组成及相应的软件设计。
在设计中讲清楚各个模块和器件的工作原理，以及培养液的PH测量方法，独立完成整个系统的硬件设计和软件设计，要求设计的系统能够实现自动化、控制准确、测量精度高、性能良好、对提高螺旋藻的生产效益有着积极的推进作用。
三.论文（设计）进度安排
阶段
论文（设计）各阶段名称
起止日期
1
熟悉设计任务书
2010年1月5日～2010年1月10日
2
开题报告
2010年3月6日～2010年3月10日
3
中期进展情况检查
2010年3月10日～2010年3月20日
4
完成论文初稿
2010年04月30日前
5
完成论文第二稿
2010年05月10日前
6
论文定稿打印（做到论文内容、字数、格式符合学校要求）
2010年5月11日～2010年5月18日
7
论文答辩
2010年5月29日
四、 需收集和阅读的资料及参考文献（指导教师指定）
[1]张会玲 张涛依 单片机测控技术在设施农业中的应用 《农业网络信息》 2005年第11期
[2]蔡振江主编. 单片机原理及应用.电子工业出版社
[3]郭天祥编著. 51单片机C语言教程----入门、提高、开发、拓展全攻略.电子工业出版社
[4]杜如彬，柯象恒．液位检测技术．北京原子能出版社，2001
[5]李鸿．用单片机控制手机收发短信息．电子技术应用，2002
[6]马潮．嵌入式GSM 短信息接口的软硬件设计．单片机与嵌入式系统应用，2002 (7)
[7] 刘必虎. 中小规模集成电路的原理与应用[M]. 上海：上海科技出版社，2000
[8] 沙占友. 集成化智能传感器原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2004
[9] 刘迎春. 现代新型传感器原理与应用[M]. 北京:国防工业出版社，1998
[10] 单成祥.传感器的理论与设计基础及其应用[M]. 北京：国防工业出版社，1999
[11] 吴秋峰.自动化系统计算机网络[M].北京：机械工业出版社，2001
[12] 沙占友. 智能传感器系统设计与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005
[13]胡汉才主编. 单片机原理及其接口技术 第二版[M]. 清华大学出版社，2004.2
[14] 白英彩. 微型计算机常用芯片手册[M]. 上海：上海科技出版社，2000
[15] 谢宜仁. 单片机实用技术问答[M]. 北京：人民邮电出版社，2005
[16]胡寿松主编《自动控制原理》；

教研室意见

负责人签名：
年 月 日
系（部）意见

负责人签名：
年 月 日

河西学院本科毕业论文（设计）开题报告
论 文 题 目
基于单片机的螺旋藻智能生长棚测控系统的设计
作 者 姓 名
杨生林
所属系、专业、年级
机电系 电气工程及其自动化专业 07级
指导教师姓名、职称
张晓峰 教授
王宗刚 讲师
预计字数
2000
开题日期
2011-3-19
选题的根据：1、本选题的理论、实际意义
螺旋藻有着众多不可代替的优越性。首先，螺旋藻含有很高的蛋白质。其次，其中维生素及矿物质含量也极为丰富。再次螺旋藻有着很好的食疗功效和药理作用。总之，螺旋藻仅有着很多食疗功效，药理作用，而且也因为有着全面而又均衡的营养流行于世界，成为最佳的健康保养食品。
但是世界天然能够自然生长螺旋藻的只有三大湖泊，两个湖已接近干枯。此外国内各地区的螺旋藻都是人工养殖的，而且生产的质量也参差不齐。而对螺旋藻生长环境，既其生长条件的研究，及在其培养过程中各种生长条件的测量和控制是提高其质量的关键所在，因此对其智能生长棚的测控系统进行设计有重大的现实意义。
2、述有关本选题的研究动态和自己的见解
随着大规模集成电路的发展，将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入输出（Ｉ/Ｏ）接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。组成芯片级的微型计算机称为单片微型计算机，简称为单片机。
自1971年美国Intel公司制造推出第一块4位处理器以来 ，在短短的20余年间，单片机及技术已发展成为计算技术中一个非常有活力的分支。其发展迅猛，到目前为止，大致可以以下几个阶段：
1、4位单片机
2、8位单片机
3、16位单片机
4、32位单片机
如今因为单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，所以在众多领域得到广泛的应用。同时在农业方面也有的一定的应用。
主要内容及其主要的研究方法：
一、 课题研究的内容
（一）研究的主要内容
螺旋藻生长条件的要求：
1、PH为8.3—10.3
2温度范围24℃---35℃
（二）课题设计内容：
1、 温度测量：要有温度测量电路
2、 被测量为模拟信号
3、 温度显示：按要求适时显示温室的温度值
4、 温度控制
5、PH值的测量
6、PH值的显示
二、研究的方法与技术路线
系统主要包括单片机控制模块，温度测量模块，培养液PH值测量模块，显示部分，报警部分及制冷器和加热器的驱动模块等几大部分。系统总体框架如图1所示。

显示部分
A/D转换
报警部分
培养液PH只检测电路
单片机
温度测量
制冷和加热部分
图1

完成期限和采取的主要措施：
1、完成期限：2010.12.03－2011.06.4。
2、主要措施：研究的方法与步骤
2011年3月15号以前：对单片机的相关知识进行学习，同时搜集相关资料进行学习和阅读。
2011年3月15号---2011年4月15号：对课题的硬件电路进行设计与计算。
2011年4月16号---2011年5月20号：进行对应电路的软件设计与调试。
2011年5月21号—6月1号：准备答辩。
2011年6月2号以后：答辩。
主要参考资料：
[1]张会玲 张涛依 单片机测控技术在设施农业中的应用 《农业网络信息》 2005年第11期
[2]蔡振江主编. 单片机原理及应用.电子工业出版社
[3]郭天祥编著. 51单片机C语言教程----入门、提高、开发、拓展全攻略.电子工业出版社
[4]杜如彬，柯象恒．液位检测技术．北京原子能出版社，2001
[5]李鸿．用单片机控制手机收发短信息．电子技术应用，2002
[7] 刘必虎. 中小规模集成电路的原理与应用[M]. 上海：上海科技出版社，2000
指导教师意见：

签 名：

年 月 日
教研室意见

负责人签名：
年 月 日
系（部） 意 见

负责人签名：
年 月 日

目录
摘要 1
Abstract 2
第一章 绪论 3
1.1 技术背景 3
1.2 选题目的和意义 4
第二章 控制系统总体介绍 5
2.1 硬件总体结构 5
2.2本次设计的内容和功能概述 6
2.2.1设计的功能介绍 6
2.2.2系统设计的内容及实现原理 6
2.3 设计原则 6
第三章 硬件电路的设计 7
3.1 单片机概述 7
3.1.1 计算机的发展概况 7
3.1.2 单片机的发展概况 8
3.1.3 单片机的发展趋势 9
3.1.4 单片机的特点及其应用 10
3.1.5 常用单片机机型介绍 12
3.1.6 STC89C52单片机的引脚说明 13
3.2 STC89C52单片机最小系统电路设计 15
3.2.1 电路原理图及具体电路分析 15
3.3 显示部分电路设计 16
3.3.1 LED显示结构与原理 17
3.3.2 74HC573锁存器 19
3.3.3 显示部分电路接线原理图 21
3.4 温度测量部分设计 21
3.4.1 DS18B20传感器介绍 22
3.5 温度控制部分设计 28
3.6 培养液PH值测量部分的设计 30
3.6.1 培养液PH值信号放大电路设计 30
3.6.2 培养液PH值测量原理 30
3.7 数模转换部分的设计 31
3.8 系统报警模块设计 34
3.9 报警复位键的设计 35
3.10 PH值校准按键的设计 35
3.11报警发光二极管的设计 35
第四章系统软件部分设计 36
4.1 Keil C 软件概述 36
4.2 系统程序流程图 38
第五章 程序调试过程中出现的问题 39
参考文献 40
设计总结 41
致谢 42
附录1 程序清单 43
附录2 外文资料及翻译 53

10

摘要
本课题运用STC89C52单片机、DS18B20温度传感器、继电器和M4QA045电机、数码管显示模块等器件，设计了温度报警电路、M4QA045电机驱动电路、电热器驱动电路，实现了螺旋藻培养大棚中温度、PH值自动控制与报警系统，解决了温室大棚人工控制测试的温度及湿度误差大，且费时费力、效率低等问题，促进了农作物的生长，从而提高温室大棚的产量，带来很好的经济效益和社会效益。
关键词：STC89C52单片机 DS18B20温度传感器 继电器 M4QA045电机 大棚自动控制与报警系统

Abstract
This topic STC89C52 single-chip, using the temperature sensor DS18B20, relays and M4QA045 motor, digital tube display module devices such as the temperature alarm circuit design, M4QA045 motor driver circuit, drive circuit, electric heaters, realizing the shelter spirulina train automatic control of temperature, PH value with alarm system, solve the trellis artificially controlled test of greenhouse temperature and humidity error of big, and time-consuming, low efficiency of the problems, and promote the growth of crops, so as to improve the production of greenhouse canopy, bring good economic benefits and social benefits.
Keywords: STC89C52 single-chip microcomputer temperature sensor DS18B20 trellis automatic control M4QA045 motor relay with alarm system

第一章 绪论
1.1 技术背景
近年来，温室种植在世界范围内被广泛应用，温室自动化设备也随着温室种植的推广逐渐发展起来，传统温室种植不仅生产率低下，而且无法突破室外气候环境的影响。目前，在温室内环境控制和育苗过程中，都已有相应的自动化设备问
随着大规模集成电路的发展，可以将CPU、RAM、ROM、定时器/计数器以及输入输出（Ｉ/Ｏ）接口电路等主要计算机部件集成在一块集成电路芯片上。这样所组成的芯片级的微型计算机称为单片微型计算机，简称为单片机。
自1971年美国Intel公司制造推出第一块4位处理器以来 ，在短短的20余年间，单片机及技术已发展成为计算技术中一个非常有活力的分支，拥有自己的技术特征、规范、发展道路和应用环境。其发展迅猛，到目前为止，大致可以以下几个阶段：
(1)4位单片机
(2)8位单片机
(3)16位单片机
(4)32位单片机
如今因为单片机具有体积小、重量轻、价格便宜、功耗低、控制功能强及运算速度快等特点，所以在国民建设、军事及家用电器等领域均得到广泛的应用。尤其在工业领域已得到迅速发展，主要有测控系统、智能仪表及机电一体化装备等，同时在农业方面也有的一些初步的应用，尤其在温室大棚的控制方面被作为核心器件而应用。
中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对检测数据分析，结合作物生长规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大作用。大棚内的温度、湿度等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施已经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理的调节大棚内各个物理参数，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质的重要环节。
1.2 选题目的和意义
螺旋藻是一类低等植物，属于蓝藻门，颤藻科。它们与细菌一样，细胞内没有真正的细胞核，所以又称蓝细菌。蓝藻的细胞结构原始，且非常简单，是地球上最早出现的光合生物,在这个星球上已生存了35亿年。它生长于水体中，在显微镜下可见其形态为螺旋丝状，故而得名。

螺旋藻还有很高的蛋白质。
近几十年来，科学家发现螺旋藻是人类迄今为止所发现的最优秀的纯天然蛋白质食品源，蛋白质含量高达60～70%，相当于小麦的6倍，猪肉的4倍，鱼肉的3倍，鸡蛋的5倍，干酪的2.7倍，且消化吸收率高达95%以上。
其次，其中维生素及矿物质含量也极为丰富。
包括维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、维生素E、维生素K等，并含锌、铁、钾、钙、镁、磷、硒、碘等微量元素，其生物锌、铁比例基本与人体生理需要一致，最容易被人体吸收，能快速改善小孩厌食症，提高食欲。其类胡萝卜素含量是胡萝卜的15倍，维生素B12含量是猪肝的4倍，铁含量是菠菜的23倍，是铁含量最丰富的食物。
再次螺旋藻有着很好的食疗功效和药理作用。
螺旋藻中含有大量的γ-亚麻酸，这是一种人体必需的不饱和脂肪酸，是健脑益智、清除血脂、调节血压、降低胆固醇的理想物质。螺旋藻中的螺旋藻多糖具有抗辐射损伤和改善放、化疗引起的副反应作用，因此对肿瘤患者是食疗佳品。螺旋藻中叶绿素含量极为丰富，是普通蔬菜含量的10倍以上，对促进人体消化，中和血液中毒素及改善过敏体质，消除内脏炎症等都有积极作用。
螺旋藻还有日常保健 抗疲劳 抗衰老 抗辐射 治疗体质差　抵抗力差 营养不良瘦弱 等功效。
总之螺旋藻有着众多不可代替的优越性，它不仅有着很多食疗功效，药理作用，而且也因为有着全面而又均衡的营养流行于世界，成为最佳的健康保养食品，越来越受到人们的青睐和喜爱。
但是世界天然能够自然生长螺旋藻的只有三大湖泊，非洲的乍得湖、墨西哥的TEXCOCO湖、中国云南丽江程海海湖。经过多年宣传，现在知名度很高，但实际仅剩程海湖还在保持生产，另两个湖几乎干枯。因此丽江程海湖是中国唯一出产天然螺旋藻的地区，此外国内各地区的螺旋藻都是人工养殖的，而且生产的质量也参差不齐。而对螺旋藻生长环境，既其生长条件的研究，及在其培养过程中各种生长条件的测量和控制是提高其质量的关键所在，因此对其智能生长棚的测控系统进行设计有重大的现实意义。

第二章 控制系统总体介绍
2.1 硬件总体结构
大棚的控制系统上电后，用户首先进行对PH值检测部分的校核，单片机系统将用户校核的初值保存在EEPROM中。单片机进入主程序后，开始以查询的方式检测温湿度传感器DS18B20的温度状态，及不断读取ADC0804转换器的数据，并将相应的数值通过液晶显示器显示输出。当温度超出设定范围时，单片机将通过控制输出口使执行设备进行调节同时会发出报警，其总体框图如下。

显示部分
A/D转换
报警部分
培养液PH只检测电路
单片机
温度测量
制冷和加热部分
图2-1

由上图可以看出，本设计大致有七个部分组成，其中包括温度测量部分、制冷和加热部分、培养液PH值检测电路、A/D转换、报警、显示部分、再加上核心器件单片机。在本系统中主要用到的器件和电路有：STC89C52单片机、DS18B20温度传感器、玻璃电极、继电器和M4QA045电机、数码管显示模块等器件，设计了温度报警电路、信号放大电路、电热器驱动电路等。本设计除除硬件外还编写了对应于硬件电路的软件部分。
传统的温度测量方法是通过一定的测试仪器人工逐点进行检测，这种方法费时费力，效率低且测量误差大。本文设计的可控装置具有自动巡检测控的功能，并且对检测的数据进行显示、报警、调节等。

2.2本次设计的内容和功能概述
2.2.1设计的功能介绍
本文介绍了一种基于单片机为基础的螺旋藻生长环境的智能测控系统，并阐述了它的构成，系统的基本原理、硬件组成及相应的软件设计。
本次设计重点介绍了DS18B20型数字温度传感器的工作原理，以及培养液的PH测量方法，给出了以DS18B20和单片机为核心设计螺旋藻生长棚智能测控系统的硬件及软件设计，该系统智能化高、控制准确、测量精度高、性能良好、对提高螺旋藻的生产效益有着积极的推进作用。
2.2.2系统设计的内容及实现原理
（1）系统设计目标 用单片机对螺旋藻生长棚的温度及其培养液的PH值进行实时检测和控制，以解决在其培养过程中对温度的及时控制问题；用十进制数码显示实际温度值PH值，方便人工监视同时设计了报警电路；系统能自动调节温度，以保持设定的温度基本保持不变，达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为1摄氏度。在环境温度变化时，温度控制的静态误差小于等于0.5摄氏度。
（2）系统设计的出发点 在达到对温度的检测和控制的基础上，达到一定的测控精度，并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、性价比高、速度快、使用灵活、实现容易、便于扩充。
（3）设计原理 本设计采用STC89C52单片机应用系统来实现设计要求，因STC89C52在片内含8KB的EEPROM,不需要外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用STC89C52串口输出工作方式，使STC89C52的利用率大大提高，外部电路得以简化。STC89C52可直接对键盘进行扫描读数，可直接用串/并转换摸块74HC573驱动LED显示温度值。因其利用率高，负载重，后向电路只需加一块同向驱动器即可正常工作。在串行传输数据时，频率可达到1MHZ，对温度的显示完全达到控制精度要求。
2.3 设计原则
（1）实用性。本系统主要采用单片机自动控制螺旋藻生长棚内的温度和其培养液的PH值，使用对象是基层管理人员，具有管理方便、操作简单、维护及维修容易的特点。
（2）经济性。资金投入过大则管理单位难以承受，成本回收时间长；投入过小则无法实现所要求的功能。因此，本系统设计将在保证系统功能的基础上尽可能降低成本。
（3）科学性。本系统进行自动化管理的目的是采用先进技术和管理模式，解决在传统种植中的生产小率低、投入人力资源过多、温度和各参数测量不及时而造成不必要的损失等问题。因此，本系统在设计过程中，采用先进技术、管理模式和优良的设备，使系统既具有较高的可靠性、开放性和可扩充性，又具有操作简便、易于管理的特点。
第三章 硬件电路的设计
3.1 单片机概述
3.1.1 计算机的发展概况
（1）计算机的诞生
第一台计算机的诞生是由宾夕法尼亚大学莫奇利和埃克特领导的研究小组，
于1946年2 月14日研制成功的。它由17468个电子管、6万个电阻器、1万个电容器和6千个开关组成，重达30吨，占地160平方米，耗电174千 瓦，耗资45万美元。这台计算机每秒只能运行5千次加法运算，仅相当于一个电子数字积分计算机（ENIAC即"埃尼阿克"）。
第一台计算机诞生至今已过去50多年了，在这期间，计算机以惊人的速度发展着，首先是晶体管取代了电子管，继而是微电子技术的发展，使得计算机处理器和存贮器上的元件越做越小，数量越来越多，计算机的运算速度和存贮容量迅速增加。1994年12月，美国Intel公司宣布研制成功世界上最快的超级计算机，它每秒可进行3280亿次加法运算（是第一台电子计算机的6600万倍）。如果让人完成它一秒钟进行的运算量的话，需要一个人昼夜不停地计算一万多年。
当年的"埃尼阿克"和现在的计算机相比，还不如一些高级袖珍计算器，但它的诞生为人类开辟了一个崭新的信息时 代，使得人类社会发生了巨大的变化。
1996年2月14日，在世界上第一台电子计算机问世50周年之际，美国副总统戈尔再次启动了这台计算机，以纪念信息时代的到来。
（2）计算机的发展
1）第一代计算机（1946--1958)
电子管为基本电子器件；使用机器语言和汇编语言；主要应用于国防和科学计算；运算速度每秒几千次至几万次。
2）第二代计算机(1958--1964)
晶体管为主要器件；软件上出现了操作系统和算法语言；运算速度每秒几万次至几十万次。
3）第三代计算机(1964--1971)
普遍采用集成电路；体积缩小；运算速度每秒几十万次至几百万次。
4）第四代计算机(1971-- )
以大规模集成电路为主要器件；运算速度每秒几百万次至上亿次。
5）我国计算机发展历史
从1953年开始研究，到1958年研制出了我国第一台计算机
在1982年我国研制出了运算速度1亿次的银河I、II型等小型系列机。在不久的未来，第五代计算机可能会应用于生物技术、纳米技术和量子技术等先进技术。
（3）计算机的分类
电子计算机从总体上说可分为两大类：电子模拟计算机和电子数字计算机；电子模拟计算机由于精度的理解能力都有限，所以应用范围小。电子数字计算机则与模拟计算机不同，它是以近似于人类的“思维过程”来进行工作的，目前已得到了广泛的普及与应用。
3.1.2 单片机的发展概况
单片机是一种集成在电路芯片，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/计时器等功能（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计算机系统。
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。
将8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段
（1）第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS – 48为代表。MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola 、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。
（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS – 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS –51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。
1）完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。
2）CPU外围功能单元的集中管理模式。
3）体现工控特性的位地址空间及位操作方式。
4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。
（3）第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS – 51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路路功能，强化了智能控制的特征。
（4）第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。（资料来源于网络）
3.1.3 单片机的发展趋势
单片机发展极为迅速,当前世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位等,但它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。
　　现在可以说单片机是百花齐放的时期,世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机,从8位、16位到32位,数不胜数,应有尽有,它们各具特色,互成互补,为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程,可以预示单片机的发展趋势 。
（1）低功耗CMOS化
　　MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW,而现在的单片机普遍都在100mW左右,随着对单片机功耗要求越来越低,现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低,但由于其物理特征决定其工作速度不够高,而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点,这些特征,更适合于在要求低功耗,电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。
（2）微型单片化
　　现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口,中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上,增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上,这样单片机包含的单元电路就更多,功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做,制造出具有自己特色的单片机芯片。 此外,现在的产品普遍要求体积小、重量轻,这就要求单片机除了功能强和功耗低外,还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式,其中SMD(表面封装)越来越受欢迎,使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。
（3）主流与多品种共存
　　现在虽然单片机的品种繁多,各具特色,但仍以80C51为核心的单片机占主流,兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品,ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头,中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增,与其低价质优的优势,占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品,日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内,这种情形将得以延续,将不存在某个单片机一统天下的垄断局面,走的是依存互补,相辅相成、共同发展的道路。
（4）大容量、高性能
　 以往单片机内的ROM为1KB～4KB,RAM 为64～128B。但在需要复杂控制的场合,该存储容量是不够的,必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求,须运用新的工艺,使片内存储器大容量化。目前,单片机内ROM 最大可达64KB,RAM 最大为2KB。另外单片机进一步改变CPU的性能,加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集(RISC)结构和流水线技术,可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS(Million Instruction Per Seconds,即兆指令每秒),并加强了位处理、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度,可以使用软件模拟其I/O 功能,由此引入了虚拟外设的新概念。
（5）串行扩展技术
　　在很长一段时间里,通用型单片机通过三总线结构扩展外围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位OTP(One Time Programble)及各种特殊类型片内程序存储器的发展,加之处围接口不断进入片内,推动了单片机“单片”应用结构的发展。特别是I2C、SPI 等串行总线的引入,可以使单片机的引脚设计得更少,单片机系统结构更加简化及规范化。
　　单片机改变了我们生活,纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机, 单片机有着广阔的应用前景。
3.1.4 单片机的特点及其应用
（1）单片机的特点
从结构上看，不但与通用微型计算机一样，是一个有效的数据处理机，而且是一个功能强大的过程控制机。从某种意义上讲，一块单片机就有一台微型计算机的功能，只要加上所需的输入/输出设备就可以构成一个完整的系统，从而满足各应用领域的需要。他是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。主要特点如下：
种类多，型号全。很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。
提高性能，扩大容量，性能价格比高。集成度已经达到300万个晶体管以上，总线速度达到数十微妙到几百纳秒，指令执行周期已经达到几微妙到数十纳秒，以往片外XRAM现已在物理上存入片内，ROM容量已经扩充达32K，64K，128K以致更大的空间。价格从几百到几元不等。