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单片机是经历长期开发与应用的嵌入式系统电子设备，与计算机相比，它具有许多显著的特点。这是我为大家整理的单片机科技论文，仅供参考!

单片机在现代科技中的应用与前景

[摘 要]单片机是经历长期开发与应用的嵌入式系统电子设备，与计算机相比，它具有许多显著的特点。当前，单片机在现代科技应用的领域越来越广泛，并在家用电器、工业控制领域、医疗器械、仪器仪表等方面取得了良好的应用效果。在未来，单片机的更新换代仍然不会停止，它会向更加智能化，自动化，抗干扰能力强，集成度高，实用性好等方面的发展。

[关键词]单片机;现代科技;应用与前景

中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1009-914X(2014)20-0054-02

随着现代科技的不断发展，嵌入式技术的开发及其应用在现代科技中的应用显得越来越重要。在嵌入式技术发展的趋势下，单片微型计算机(简称“单片机”)应运而生，并随着时代要求的发展不断地更新换代。到20世纪70年代前半期，单片机己经发展为嵌入式系统最为突出的典型代表之一，英特尔公司更将其命名为“嵌入式微控制器”。 单片机的产生极大程度上推动着整个现代科技应用及其功能的发展，并在许多实际应用领域都取得了显著的成效，受到社会各界的关广泛关注，其应用技术发展的越来越成熟，具体实践应用到各个领域，开发技术也越来越智能化。本文以单片机的发展及其特点为逻辑起点，对单片机的应用性及其前景进行说明与分析。

一、单片机的发展及其特点

单片机又称“单片微型计算机”，是典型的嵌入式微控制器(Microcontroller Unit)，“它并不是落实某一个具体的逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上，其功能类似于一台最小系统的微型的计算机。具体来说，单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成”[1]。

单片机产生于20世纪70年代，经历了三个发展阶段(SCM、MCU、SOC)。初期的SCM单片机基本上都是4、8位的。其中，INTEL的8051是初期单片机最具典型意义的。此后在INTEL 8051的基础上开发并应用了MCS51系列MCU系统。 由于MCS51系列MCU系统的单片机系统直到现在还在广泛使用，单片机伴随这科学技术的发展逐步开发出16位系统。但由于16位单片机的性价比不够理想，因此并未得到很广泛的应用。90年代后，随着电子产品市场的进一步繁荣发展，单片机的开发与应用得到了显著的提升。特别是INTEL i960系列与ARM系列在社会上的实践应用，32位单片机逐步地取代16位单片机的在嵌入式技术中的领先地位，并且在市场上取得了两好的效益。

与计算机相比，单片机的特点主要表现在如下几个方面：首先，单片机使用简单便捷，可实现体系布局的模块化;其次，单片机耐用时间长，有较高的耐用性;再次，单片机的处理能力强，运行速度较快;此外，单片机还具备低电压、低功耗、控制功能与环境适应能力强的特点;最后，单片机体系完备，集成了计数器、串行口、并行口、CPU、RAM与ROM等应用组件。

二、单片机在现代科技中的应用

单片机具备许多优良的特点，广泛的应在诸多领域，例如家用电器、工业控制领域、医疗器械、仪器仪表等方面，当前单片机己经得到广泛的使用，并产生了良好的应用效果。具体来说，单片机在现代科技中的应用主要体现在以下几个方面：

(一)在家用电器领域中的应用?

随着时代的发展，追求更高、更好的生活品质，对家用电器的功能需求也逐年提高，这就迫使家用电器的不断升级与改造。单片机可以满足这种需求，通过安装单片机，实现整个家用电器的智能化控制，识别相关的信息，选择合适的用户满意信息，使得家用电器在引入单片机后很好的提高了性能，更新换代的速度也得到了提升，提高了企业的竞争力，单片机应用的前景越来越广泛。例如在电视机上采用单片机技术可以使得足不出户的进行大型智能游戏的控制，选择频道方式更加便捷;微波炉可以实现食物的自动选择加热时间以及温度;洗衣机自动根据衣服材质、赃物程度，自动选择洗涤剂的用量、强度、时间等。

(二)在工业控制领域的应用

在工业领域，随着自动化的发展，尤其是在特殊环境下的，例如核工业、粉尘工业、电力高压行业等方面，对人的危害性比较大，危险性高的行业，大部分采用的是自动化操作。在此领域，单片机从此兴起，并随着应用的更加广泛在工业化控制管理，通过单片机的数据采集与过程控制手段，实现了工业化有效的智能控制管理工作，例如报警系统、流水线作业系统、自动喷漆系统等，都得到了很好的应用，随着时代的发展，其应用领域会更加广泛。

(三)在医疗器械领域的应用

现代社会，医疗条件与技术不断提升，自身的身体健康越来越受到关注然而在现有的条件下，消毒条件、住院条件，检测手段、医疗手段等都存在着诸多问题，直接影响着看病的好坏，影响着每个人的身体健康。随之而来的是现在单片机的应用在医疗器械领域，由于自身的特点与有时，可以进行多种疾病的分析，提高设备检测的准确性与可靠性，提高了诊断下药的准确性，保证了身体健康，医疗设备结构更加合理化、智能化、自动化，例如在超声波检测、呼吸系统、分析仪器等。

(四)在仪器仪表领域的应用

现在仪器仪表的生产的好坏，直接代表着一个国家的制造水平。在仪器仪表领域不断的向着智能化方向发展，单片机的作用在此领域尤其体现到其优点，具有重要的意义单片机集成度高，可靠性高、小巧，应用在仪器仪表上使得整个行业得到了很大的改变，随着单片机的集成到仪器仪表中，使得自身的设备向着数字化，智能化发展，其各方面包括处理功能测试功能，控制功能等都得到了很大的提升。例如在航空的仪器仪表中采用单片机技术，保证了仪器的可靠性、准确性，集成性高，事故率降低，提升了航天航空电子系统的智能化与自动化树皮，信息传递有效的进行。

三、单片机在现代科技中的发展前景

随着科学技术的日新月异，单片机推陈出新的速度也愈来愈快。伴随着新的CPU的加入，多位的单片机共同开发与发展是整个发展的方向。很长一段时间，单片集成电路技术在8位机发展的主要方向，随着网络通信技术的发展，16位机、32位机、64位机成为未来的发展方向。单片机的运行也会愈来愈快，防磨损能力也随之提升，具有很好的低噪声、可靠性高的优点。现在单片机为了提高抗干扰性采用EFT技术，使得单片机受外界的干扰性小，系统的时钟信号得到了很好的保证，可靠性得到了提高;布线及其驱动技术应用在单片机上降低了噪声，不至于对单片机内部的电路信号进行干扰。单片机还应用OPT技能，较之掩膜技术有着生产周期短，风险小特点，采用裸片技术或者贴面技术，实现了OPT芯片的接触不良的问题，使得得到了广泛的应用。

随着电子信息技术的发展与应用领域的逐步广泛，单片机向更加智能化，自动化，抗干扰能力强，集成度高，实用性好等方面的发展。同时，芯片的设计也愈发复杂，单片机的功能更加齐全，保有良好的耐用性、可延伸性，单片机的设计与开发、应用的前景十分广泛，领域更加宽广，智能化程度更高。

单片机在目前的发展形势下，还表现出以下趋势：首先，可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。 其次，所集成的部件越来越多。最后，功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。

结语

总之，在第二十一世纪，计算机技术、智能电子技术的发展，在现代社会中发挥着举足轻重的作用，嵌入式系统是电子技术的重要组成部分，其中单片机又是嵌入式系统最具典型的代表，具有强大的发展潜力。单片机技术提高了控制领域的效率以及可靠性，实现了工业的自动化，智能化，未来的工业化发展中将随着科技的不断进步而发展。

[1] 李璞，郭敏. 单片机的应用与发展[J]. 中国校外教育 2010年S1期

单片机应用技术探究

摘要：近几年单片机得到了飞速的发展，单片机最明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中。目前大量的嵌入式系统均采用单片机，本文分析了单片机的形成及发展过程以及当前的技术进展，同时分析了影响单片机系统可靠性的原因，并论述提高单片机可靠性的措施。

关键词：单片机;可靠性技术;发展趋势

中图分类号： C35 文献标识码： A

引言

单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。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 。

一 、单片机的应用场合

1.1智能仪器仪表。单片机用于各种仪器仪表，一方面提高了仪器仪表的使用功能和精度，使仪器仪表智能化，同时还简化了仪器仪表的硬件结构，从而可以方便地完成仪器仪表产品的升级换代。如各种智能电气测量仪表、智能传感器等。

1.2机电一体化产品。机电一体化产品是集机械技术、微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的各种机电产品。单片机在机电一体化产品的开发中可以发挥巨大的作用。典型产品如机器人、数控机床、自动包装机、点钞机、医疗设备、打印机、传真机、复印机等。

1.3实时工业控制。单片机还可以用于各种物理量的采集与控制。电流、电压、温度、液位、流量等物理参数的采集和控制均可以利用单片机方便地实现。在这类系统中，利用单片机作为系统控制器，可以根据被控对象的不同特征采用不同的智能算法，实现期望的控制指标，从而提高生产效率和产品质量。典型应用如电机转速控制、温度控制、自动生产线等。

1.4家用电器。家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。另外，在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子还有分布式系统的前端模块等等。

二、分析单片机可靠性限制原因及应对措施

目前，大量的嵌入式系统均采用了单片机，并且这样的应用正在更进一步扩展;但是多年以来人们一直为单片机系统的可靠性问题所困惑。在一些要求高可靠性的控制系统中，这往往成为限制其应用的主要原因。

1.单片机系统的失效分析

一个单片机系统的可靠性是其自身软硬件与其所处工作环境综合作用的结果，因此系统的可靠性也应从这两个方面去分析与设计。对于系统自身而言，能不能在保证系统各项功能实现的同时，对系统自身运行过程中出现的各种干扰信号及直接来自于系统外部的干扰信号进行有效的抑制，是决定系统可靠性的关键。有缺陷的系统往往只从逻辑上去保证系统功能的实现，而对于系统运行过程中可能出现的潜在的问题考虑欠缺，采取的措施不足，在干扰信号真正袭来的时候，系统就可能会陷入困境。

2. 提高可靠性的措施

2.1减少引起系统不可靠或影响系统可靠的外界因素：

1) EFT (Electrical Fast Transient)技术。EFT技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，如果使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和RC滤波电路时， 就可以消除这些毛否则令其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。

2) 低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上、左下的两对对称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，而且在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。现在为了适应各种应用的需要，很多单片机采用"跳变沿软化技术"，从而消除大电流瞬变时产生的噪声。

3) 采用低频时钟。高频外时钟是噪声源之一，不仅能对单片机应用系统产生干扰，而且还会对外界电路产生干扰，令电磁兼容性不能满足要求。对于要求可靠性较高的系统，低频外时钟有利于降低系统的噪声。在一些单片机中采用内部锁相环技术，则在外部时钟较低时，也能产生较高的内部总线速度，从而保证了速度又降低了噪声。

三、单片机的发展趋势

1单片机技术的发展前景及趋势

由于通用型IC的仿冒现象比较严重，因此定制化IC将是未来单片机发展的主要方向。此外，尽管16位、32位单片机市场有所增加，但8位在未来三五年内仍将占主流，只是成长幅度会趋缓。从应用角度讲，盛扬看好消费类电子和家电产品，尤其是中小型家电产品，它属于比较成熟的单片机应用领域;其次是高端领域的车用产品。目前，盛扬已针对汽车周边领域推出系列产品，主要用于汽车防盗、车载电子、信息娱乐、胎压监测、里程表的面板等。

单片机拥有良好的应用前景，但厂商之间的竞争愈演愈烈。因此，对本土企业而言，要想脱颖而出，质量一定要好，同时还要注重产品的环保和可靠性，因为家电和汽车等产品对安全性的要求越来越高;其次，充分发挥本土厂商在特定应用领域的性价比优势。不过，这种性价比必须建立在性能过关、可靠度过关的基础上。

制作工艺CMO化。更小的光刻工艺提高了集成度，从而使芯片更小、成本更低、工作电压更低、功耗更低。CPU的改进。同时，采用双CPU结构，增加数据总线的宽度，提高数据处理的速度和能力;采用流水线结构，提高处理和运算速度，以适应实时控制和处理的需要。增大存储容量，片内EPROM的E2PROM化，程序的保密化，提高并行口驱动能力，以减少外围驱动芯片，增加外围?I/O?口的逻辑功能和控制的灵活性。最后，以串行方式为主的外围扩展;外围电路的内装化;和互联网连接已是一种明显的走向，可靠性及应用水平越来越高。

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 Password)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。

4、结语

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。

参考文献

[1] 张志良; 单片机原理与控制技术; 北京,机械工业出版社,2008

[2] 李广第，朱月秀，王秀山.单片机基础.北京：北京航空航天大学出版社，2002.

[3] 胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：清华大学出版社，2002.

集成电路芯片封装技术浅谈 自从美国Intel公司1971年设计制造出4位微处a理器芯片以来，在20多年时间内，CPU从Intel4004、80286、80386、80486发展到Pentium和PentiumⅡ，数位从4位、8位、16位、32位发展到64位;主频从几兆到今天的400MHz以上，接近GHz;CPU芯片里集成的晶体管数由2000个跃升到500万个以上;半导体制造技术的规模由SSI、MSI、LSI、VLSI达到 ULSI。封装的输入/输出（I/O）引脚从几十根，逐渐增加到几百根，下世纪初可能达2千根。这一切真是一个翻天覆地的变化。 对于CPU，读者已经很熟悉了，286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ、Celeron、K6、K6-2 ……相信您可以如数家珍似地列出一长串。但谈到CPU和其他大规模集成电路的封装，知道的人未必很多。所谓封装是指安装半导体集成电路芯片用的外壳，它不仅起着安放、固定、密封、保护芯片和增强电热性能的作用，而且还是沟通芯片内部世界与外部电路的桥梁--芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印制板上的导线与其他器件建立连接。因此，封装对CPU和其他LSI集成电路都起着重要的作用。新一代CPU的出现常常伴随着新的封装形式的使用。 芯片的封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，适用频率越来越高，耐温性能越来越好，引脚数增多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，使用更加方便等等。 下面将对具体的封装形式作详细说明。 一、DIP封装 70年代流行的是双列直插封装，简称DIP(Dual In-line Package)。DIP封装结构具有以下特点: 1.适合PCB的穿孔安装; 2.比TO型封装(图1)易于对PCB布线; 3.操作方便。 DIP封装结构形式有:多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线框架式DIP(含玻璃陶瓷封接式，塑料包封结构式，陶瓷低熔玻璃封装式)，如图2所示。 衡量一个芯片封装技术先进与否的重要指标是芯片面积与封装面积之比，这个比值越接近1越好。以采用40根I/O引脚塑料包封双列直插式封装(PDIP)的CPU为例，其芯片面积/封装面积=3×3/15.24×50=1：86,离1相差很远。不难看出，这种封装尺寸远比芯片大，说明封装效率很低，占去了很多有效安装面积。 Intel公司这期间的CPU如8086、80286都采用PDIP封装。 二、芯片载体封装 80年代出现了芯片载体封装，其中有陶瓷无引线芯片载体LCCC(Leadless Ceramic Chip Carrier)、塑料有引线芯片载体PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)、小尺寸封装SOP(Small Outline Package)、塑料四边引出扁平封装PQFP(Plastic Quad Flat Package)，封装结构形式如图3、图4和图5所示。 以0.5mm焊区中心距，208根I/O引脚的QFP封装的CPU为例，外形尺寸28×28mm，芯片尺寸10×10mm，则芯片面积/封装面积=10×10/28×28=1：7.8，由此可见QFP比DIP的封装尺寸大大减小。QFP的特点是: 1.适合用SMT表面安装技术在PCB上安装布线; 2.封装外形尺寸小，寄生参数减小，适合高频应用; 3.操作方便; 4.可靠性高。 在这期间，Intel公司的CPU，如Intel 80386就采用塑料四边引出扁平封装PQFP。 三、BGA封装 90年代随着集成技术的进步、设备的改进和深亚微米技术的使用，LSI、VLSI、ULSI相继出现，硅单芯片集成度不断提高，对集成电路封装要求更加严格，I/O引脚数急剧增加，功耗也随之增大。为满足发展的需要，在原有封装品种基础上，又增添了新的品种--球栅阵列封装，简称BGA(Ball Grid Array Package)。如图6所示。 BGA一出现便成为CPU、南北桥等VLSI芯片的高密度、高性能、多功能及高I/O引脚封装的最佳选择。其特点有: 1.I/O引脚数虽然增多，但引脚间距远大于QFP，从而提高了组装成品率; 2.虽然它的功耗增加，但BGA能用可控塌陷芯片法焊接，简称C4焊接，从而可以改善它的电热性能: 3.厚度比QFP减少1/2以上，重量减轻3/4以上; 4.寄生参数减小，信号传输延迟小，使用频率大大提高; 5.组装可用共面焊接，可靠性高; 6.BGA封装仍与QFP、PGA一样，占用基板面积过大; Intel公司对这种集成度很高(单芯片里达300万只以上晶体管)，功耗很大的CPU芯片，如Pentium、Pentium Pro、Pentium Ⅱ采用陶瓷针栅阵列封装CPGA和陶瓷球栅阵列封装CBGA，并在外壳上安装微型排风扇散热，从而达到电路的稳定可靠工作。 四、面向未来的新的封装技术 BGA封装比QFP先进，更比PGA好，但它的芯片面积/封装面积的比值仍很低。 Tessera公司在BGA基础上做了改进，研制出另一种称为μBGA的封装技术，按0.5mm焊区中心距，芯片面积/封装面积的比为1:4，比BGA前进了一大步。 1994年9月日本三菱电气研究出一种芯片面积/封装面积=1:1.1的封装结构，其封装外形尺寸只比裸芯片大一点点。也就是说，单个IC芯片有多大，封装尺寸就有多大，从而诞生了一种新的封装形式，命名为芯片尺寸封装，简称CSP(Chip Size Package或Chip Scale Package)。CSP封装具有以下特点: 1.满足了LSI芯片引出脚不断增加的需要; 2.解决了IC裸芯片不能进行交流参数测试和老化筛选的问题; 3.封装面积缩小到BGA的1/4至1/10，延迟时间缩小到极短。 曾有人想，当单芯片一时还达不到多种芯片的集成度时，能否将高集成度、高性能、高可靠的CSP芯片(用LSI或IC)和专用集成电路芯片(ASIC)在高密度多层互联基板上用表面安装技术(SMT)组装成为多种多样电子组件、子系统或系统。由这种想法产生出多芯片组件MCM(Multi Chip Model)。它将对现代化的计算机、自动化、通讯业等领域产生重大影响。MCM的特点有: 1.封装延迟时间缩小，易于实现组件高速化; 2.缩小整机/组件封装尺寸和重量，一般体积减小1/4，重量减轻1/3; 3.可靠性大大提高。 随着LSI设计技术和工艺的进步及深亚微米技术和微细化缩小芯片尺寸等技术的使用，人们产生了将多个LSI芯片组装在一个精密多层布线的外壳内形成MCM产品的想法。进一步又产生另一种想法:把多种芯片的电路集成在一个大圆片上，从而又导致了封装由单个小芯片级转向硅圆片级(wafer level)封装的变革，由此引出系统级芯片SOC(System On Chip)和电脑级芯片PCOC(PC On Chip)。 随着CPU和其他ULSI电路的进步，集成电路的封装形式也将有相应的发展，而封装形式的进步又将反过来促成芯片技术向前发展。