学习单元一 单片机在哪里

想一想家里用的空调（如图1-1所示），它有哪些功能呢？完成这些功能的各功能模块是如何相互联系、相互影响呢？

不难想象，空调中有一些电路板，电路板上有电阻、电容、二极管、三极管、集成电路（俗称IC，即英文名Integrated Circuit的缩写）等电子元件，由这些电子元件组合成的若干功能模块实现了这台空调的功能。其中几个主要的功能模块如下：

温度检测功能模块：内含温度传感器及其他电子元件，用来检测室内温度。

制冷功能模块：由储液罐、压缩机、冷凝器等制冷设备和其他电子元件构成，完成制冷功能。

遥控器接收功能模块：接收遥控器发送的命令，如设定室内温度等命令。

显示功能模块：用LED指示灯指示空调的工作状态，用LED数码管或液晶显示器显示设定的室内温度等信息。

这些功能模块之间相互联系、相互影响。如遥控器接收功能模块接收用户发出的制冷命令，同时还接收用户发出的设置制冷温度命令，显示功能模块指示空调的状态和用户设定的制冷温度。温度检测功能模块检测室内温度，如果室内温度高于用户设置的制冷温度，则制冷功能模块工作，从空调出气口吹出冷气以降低室内温度。当室内温度达到用户设定的制冷温度，则制冷功能模块停止工作，空调不再释放冷气，室内温度在自然条件下会缓慢升高，经过一段时间，当室内温度缓慢升高到高于用户设置的制冷温度时，制冷功能模块重新开始工作，从空调出气口又吹出冷气以降低室内温度。当室内温度达到用户设定的制冷温度时，制冷功能模块又一次停止工作，室内温度在自然条件下又开始缓慢升高，如此循环下去，室内温度始终保持在与用户设定的制冷温度相当。问题是，各功能模块之间是如何协调工作的呢？它们是怎祥互相联系在一起实现空调的制冷功能呢？

在人的身上，也有类似的“功能模块”，它们相互联系、相互影响。例如，人的任何一种行为都是由人的眼睛、脚和手等身体的各部位配合完成。当你走上前、弯下腰、伸出手从地上拾起物品仔细端详的时候，这里的“功能模块”有人的眼睛、腰、腿、脚和手等，它们之间具有相互联系、相互影响、相互控制的关系。在这个关系的背后，全靠人的大脑控制着身体各个功能模块协调工作。与人类似，空调中也有一个“大脑”，这就是单片机。也就是说，空调中的各个功能模块都由单片机协调工作。人的大脑之所以能够控制身体各个“功能模块”协调工作，是因为人有思想，即大脑的思维能力。空调中的单片机也具有与人相似的“思维判断能力”，这就是程序。人的思维能力是人的本能，与生俱来。单片机的“思维判断能力”—程序，与电脑中的Windows操作系统和各种游戏软件类似，是产品设计工程师根据人们的工作生活需要事先设计好并以某种方法“赋予”单片机。下面我们通过对空调系统构造和工作过程的介绍来看单片机这颗“大脑”在空调中究竟发挥着什么样的作用。

图1-1是一台双制式空调系统构造图。在空调面板上有3个指示灯和2个数码管，3个指示灯分别指示空调的3种工作状态：制热、制冷和除湿，2个数码管显示用户设定的室内温度。在空调遥控器操作面板上有9个主要的功能按键，从上到下分别为：“模式”、“风速”、“睡眠”、“扫风”、温度“+℃”、温度“-℃”、“定时开”、“定时关”和“开/关”，各按键及其功能描述如图1-2所示。这些功能按键的不同组合能实现对空调不同的功能进行操作。

先大致看一下图1-3所示空调系统功能模块示意图，以便对空调的功能模块有所了解。图中的单片机方框代表空调系统的“大脑”——单片机，在它的四周分布着9个功能模块，各功能模块通过信号线分别与单片机相连，箭头的方向代表单片机与外围各功能模块之间信号的传递方向：箭头指向单片机，表示单片机可接收或检测外部功能模块输出的信号，“感知”外部信息；箭头指向单片机外部的功能模块，表示单片机可输出信号到外部功能模块，控制外部功能模块工作。例如，单片机通过接收温度检测模块的信号来“感受”室内温度；通过遥控器接收模块接收遥控器各功能按键信号；单片机发出信号分别控制指示灯、数码管、室内风机、室外风机、制冷模块、制热模块和除湿模块。

下面结合空调系统功能模块示意图、空调系统构造图和遥控器操作面板及按键功能示意图，将这个空调的主要工作过程描述如下：

（1）插上空调电源插头，开启空调电源，单片机得到电源开始工作，按下遥控器“开/关”按键，空调中的各个功能模块在单片机的控制下启动后开始工作，指示灯和数码管被点亮。单片机就像人的大脑能向空调其他功能模块发出不同的指令，而其他功能模块会严格执行单片机的指令。例如，在空调关机状态下，按遥控器“开/关”按键后，单片机就接收到遥控器发出的开机信号，控制各个模块进行开机操作，进入正常运行状态；单片机能“记住”设定的温度值，并通过显示模块将空调的当前工作状态和设定温度显示出来。

（2）按下遥控器“模式”按键，选择“制冷状态”，“制冷”指示灯被点亮。这是因为当按下“模式”按键，单片机“意识”到用户正在设置空调的工作模式。由于空调有6种工作模式：自动模式、制冷状态、除湿状态、送风状态、制热状态和睡眠状态，而“模式”按键只有一个，所以用户每按一次“模式”按键，单片机就自动依次选取一种工作模式，并控制对应的指示灯发光。单片机能“记住”用户最后一次的选择，例如“制冷状态”。

（3）将空调的工作模式设置到“制冷状态”后，在遥控器上每按一次“-℃”按键，数码管显示用户设定的温度下降一度；反之，每按一次“+℃”按键，数码管显示用户设定的温度上升一度。这是因为单片机“识别”出“-℃”或“+℃”按键信号后，就对所“记住”的设定温度值做减法运算或加法运算，并通过数码管显示出来。可见，单片机还具有像大脑一样的“运算”功能。

（4）在“制冷状态”，如果室内温度高于用户设定的温度，则压缩机启动，制冷系统在室外机的冷凝器上散热，在室内机组的蒸发器上释放冷量，室内风机从空调出气口送出冷气，室外风机送出热气；在“制热状态”，如果室内温度低于用户设定的温度，则电磁四通阀动作，改变制冷剂循环的流向，在室外机组的“冷凝器”上产生冷气，在室内机组的“蒸发器”上产生热量，此后室内风机送出热气，室外风机送出冷气。这是因为单片机通过温度传感器“感知”室内温度的高低，并将室内温度与用户设定的温度进行比较。当空调工作在“制冷状态”时，如果室内温度高于用户设定的温度，则单片机向压缩机等制冷功能模块下达工作指令，制冷功能模块启动制冷，与此同时，单片机还向室内风机和室外风机下达工作指令，室内风机放出冷气，室外风机送出热气。当空调工作在“制热状态”时，如果室内温度低于用户设定的温度，则单片机下达指令“控制”电磁四通阀等制热功能模块启动制热，同时，单片机还下达指令“命令”室内风机和室外风机开始工作，室内风机放出热气，室外风机送出冷气。可见，单片机不仅具有计算功能，还可以像大脑一样比较数的大小。单片机不断将“感知”到的室内温度与“存储”的用户设定温度进行比较，并根据事先“记忆”的空调工作模式判断是启动还是关闭制冷功能模块、制热功能模块、室内风机和室外风机，由此将室内温度始终保持在与用户设定的温度相当。可见，单片机具有像大脑一样的“逻辑运算和判断能力”。

（5）在空调开/关机状态下，按遥控器“定时关”/“定时开”，数码管从0开始显示用户设定的关/开机时间。每按一次键，定时关/开机时间增加0.5小时，关/开机时间在0～24小时内循环。当定时时间到，空调会自动关/开机。这是因为当按下关/开机键，单片机“意识”到用户正在设置空调的关/开机时间，通过“计算”用户按键的次数确定关/开机时间，并将关/开机时间“存储”下来。紧接着，单片机开始“计时”，当关/开机时间到，单片机停止“计时”，并向空调电源控制电路下达关/开机命令，以此实现关/开机。可见，单片机的“计时”功能还可以用来测量时间。

通过前面对一台双制式空调系统工作过程的分析，我们能初步体会到单片机这颗“大脑”在空调中扮演的角色和如下几个主要功能：

（1）控制外部器件：单片机通过输出合适的信号可控制指示灯、数码管、电机等外部器件。

（2）接收外部信号，感受外部器件：单片机通过接收来自温度传感器、按键、开关等外部器件的输入信号来感受外部器件的状态。

（3）运算功能和存储功能：单片机可进行算术运算和逻辑运算，并可存储运算结果。

（4）计数和计时功能：单片机既可以计数，也可以计时。

（5）分析与判断能力：单片机可以借助温度传感器等外部器件自动检测室内温度，并将室内温度与用户设定的温度进行比较，从而“决定”启动制冷还是制热功能。单片机的分析与判断能力就像人的大脑一样具有“思维”能力。

综上所述，单片机是一个集控制和处理能力、运算和存储功能、计数和计时功能等于一身的器件。单片机是单片微型计算机（英文名称“Single Chip Microcomputer”）的简称，它是把计算机中的中央处理器CPU（Central Processing Unit）、存储器（memory）、定时器/计数器（Timer/Counter）、I/O（Input/Output）接口电路等主要功能部件集成在一块小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。

单片机应用于家用电器、办公自动化、航空航天、智能仪表、工业测控等几乎各个领域。随着单片机技术的发展，高性能单片机在芯片内集成了许多面对测控对象的接口电路，如A/D转换器、D/A转换器、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。因单片机控制能力很强，常称它是微控制器MCU（Micro Controller Unit）。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。