單片機(jī)(Single-Chip Microcomputer)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。

單片機(jī)又稱單片微控制器，它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。相當(dāng)于一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)，和計(jì)算機(jī)相比，單片機(jī)只缺少了I/O設(shè)備。概括的講：一塊芯片就成了一臺計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。

單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。

從二十世紀(jì)九十年代開始，單片機(jī)技術(shù)就已經(jīng)發(fā)展起來，隨著時(shí)代的進(jìn)步與科技的發(fā)展，目前該技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用日漸成熟，單片機(jī)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，人們越來越重視單片機(jī)在智能電子技術(shù)方面的開發(fā)和應(yīng)用，單片機(jī)的發(fā)展進(jìn)入到新的時(shí)期，無論是自動(dòng)測量還是智能儀表的實(shí)踐，都能看到單片機(jī)技術(shù)的身影。當(dāng)前工業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，電子行業(yè)屬于新興產(chǎn)業(yè)，工業(yè)生產(chǎn)中人們將電子信息技術(shù)成功運(yùn)用，讓電子信息技術(shù)與單片機(jī)技術(shù)相融合，有效提高了單片機(jī)應(yīng)用效果。作為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)分支，單片機(jī)技術(shù)在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用，豐富了電子產(chǎn)品的功能，也為智能化電子設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用提供了新的出路，實(shí)現(xiàn)了智能化電子設(shè)備的創(chuàng)新與發(fā)展。

單片機(jī)也被稱為單片微控器，屬于一種集成式電路芯片。在單片機(jī)中主要包含CPU、只讀存儲器ROM和隨機(jī)存儲器RAM等，多樣化數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)能夠讓單片機(jī)完成各項(xiàng)復(fù)雜的運(yùn)算，無論是對運(yùn)算符號進(jìn)行控制，還是對系統(tǒng)下達(dá)運(yùn)算指令都能通過單片機(jī)完成。 由此可見，單片機(jī)憑借著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)和計(jì)算功能可以在智能電子設(shè)備中充分應(yīng)用。簡單地說，單片機(jī)就是一塊芯片，這塊芯片組成了一個(gè)系統(tǒng)，通過集成電路技術(shù)的應(yīng)用，將數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理能力集成到芯片中，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的高速化處理。

單片機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的3大步驟

總體規(guī)劃

軟件所要完成的任務(wù)已在總體設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定，在具體軟件設(shè)計(jì)時(shí)，要結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步明確軟件所承擔(dān)的一個(gè)個(gè)任務(wù)細(xì)節(jié)，確定具體實(shí)施的方法，合理分配資源。

1程序設(shè)計(jì)技術(shù)

合理的軟件結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)軟件的基礎(chǔ)。在程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)培養(yǎng)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)風(fēng)格，各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化。一般有以下兩種設(shè)計(jì)方法。

a.模塊程序設(shè)計(jì)

模塊程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)應(yīng)用中常用的一種程序設(shè)計(jì)技術(shù)。它是把一個(gè)較長的程序分解為若干個(gè)功能相對獨(dú)立的較小的程序模塊，各個(gè)程序模塊分別設(shè)計(jì)、編程和調(diào)試，最后由各個(gè)調(diào)試好的模塊組成一個(gè)大的程序。

優(yōu)點(diǎn)是單個(gè)功能明確的程序模塊的設(shè)計(jì)和調(diào)試比較方便，容易完成，一個(gè)模塊可以為多個(gè)程序所共享。其缺點(diǎn)是各個(gè)模塊的連接有時(shí)有一定難度。

b.自頂向下的程序設(shè)計(jì)

自頂向下程序設(shè)計(jì)時(shí)，先從主程序開始設(shè)計(jì)，從屬程序或子程序用符號來代替。主程序編好后再編制各從屬程序和子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

優(yōu)點(diǎn)是比較符合于人們的日常思維，設(shè)計(jì)、調(diào)試和連接同時(shí)按一個(gè)線索進(jìn)行，程序錯(cuò)誤可以較早的發(fā)現(xiàn)。缺點(diǎn)是上一級的程序錯(cuò)誤將對整個(gè)程序產(chǎn)生影響，一處修改可能引起對整個(gè)程序的全面修改。

2程序設(shè)計(jì)

在選擇好軟件結(jié)構(gòu)和所采用的程序設(shè)計(jì)技術(shù)后，便可著手進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)任務(wù)轉(zhuǎn)化為具體的程序。

a.建立數(shù)學(xué)模型

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，描述出各輸入變量和各輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，此過程即為建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型隨系統(tǒng)任務(wù)的不同而不同，其正確度是系統(tǒng)性能好壞的決定性因素之一。

b.繪制程序流程圖

通常在編寫程序之前先繪制程序流程圖，以提高軟件設(shè)計(jì)的總體效率。程序流程圖以簡明直觀的方式對任務(wù)進(jìn)行描述，并很容易由此編寫出程序，故對初學(xué)者來說尤為適用。

在設(shè)計(jì)過程中，先畫出簡單的功能性流程圖(粗框圖)，然后對功能流程圖進(jìn)行細(xì)化和具體化，對存儲器、寄存器、標(biāo)志位等工作單元作具體的分配和說明，將功能流程圖中每一個(gè)粗框的操作轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的存儲器單元、工作寄存器或I/O口的操作，從而給出詳細(xì)的程序流程圖(細(xì)框圖)。

c.程序的編制

在完成程序流程圖設(shè)計(jì)以后，便可以編寫程序。程序設(shè)計(jì)語言對程序設(shè)計(jì)的影響較大。匯編語言是最為常用的單片機(jī)程序語言，用匯編語言編寫程序代碼精簡，直接面向硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，速度快，但進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)，編寫難度將大大增加，不易閱讀和調(diào)試。在有大量數(shù)據(jù)運(yùn)算時(shí)可采用C語言(如MCS-51的C51)或PL/M語言。

編寫程序時(shí)，應(yīng)注意系統(tǒng)硬件資源的合理分配與使用，子程序的入/出口參數(shù)的設(shè)置與傳遞。采用合理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制算法，以滿足系統(tǒng)要求的精度。

在存儲空間分配時(shí)，應(yīng)將使用頻率最高的數(shù)據(jù)緩沖器設(shè)在內(nèi)部RAM;標(biāo)志應(yīng)設(shè)置在片內(nèi)RAM位操作區(qū)(20H～2FH)中;指定用戶堆棧區(qū)，棧區(qū)的大小應(yīng)留有余量;余下部分作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

在編寫程序過程中，根據(jù)流程圖逐條用符號指令來描述，即得匯編語言源程序。應(yīng)按MCS-51匯編語言的標(biāo)準(zhǔn)符號和格式書寫，在完成系統(tǒng)功能的同時(shí)應(yīng)注意保證設(shè)計(jì)的可靠性，如數(shù)字濾波、軟件陷阱、保護(hù)等。必要時(shí)可作若干功能性注釋，提高程序的可讀性。

3程序設(shè)計(jì)

各程序模塊編輯之后，需進(jìn)行匯編或編譯、調(diào)試，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)要求后，將各程序模塊按照軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求連接起來，即為軟件裝配，從而完成軟件設(shè)計(jì)。在軟件裝配時(shí)，應(yīng)注意軟件接口。

單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮哪些問題?

(1)存儲器擴(kuò)展：容量需求，在選擇單片機(jī)時(shí)就考慮到單片機(jī)的內(nèi)部存儲器資源，如能滿足要求就不需要進(jìn)行擴(kuò)展，在必須擴(kuò)展時(shí)注意存儲器的類型、容量和接口，一般盡量留有余地，并且盡可能減少芯片的數(shù)量。選擇合適的方法、ROM和RAM的形式，RAM是否要進(jìn)行掉電保護(hù)等。

(2)I/O接口的擴(kuò)展：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)在擴(kuò)展I/O接口時(shí)應(yīng)從體積、價(jià)格、負(fù)載能力、功能等幾個(gè)方面考慮。應(yīng)根據(jù)外部需要擴(kuò)展電路的數(shù)量和所選單片機(jī)的內(nèi)部資源(空閑地址線的數(shù)量)選擇合適的地址譯碼方法。

(3)輸入通道的設(shè)計(jì)：輸入通道設(shè)計(jì)包括開關(guān)量和模擬輸入通道的設(shè)計(jì)。開關(guān)量要考慮接口形式、電壓等級、隔離方式、擴(kuò)展接口等。模擬量通道的設(shè)計(jì)要與信號檢測環(huán)節(jié)(傳感器、信號處理電路等)結(jié)合起來，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)對速度、精度和價(jià)格等要求來選擇，同時(shí)還需要和傳感器等設(shè)備的性能相匹配，要考慮傳感器類型、傳輸信號的形式(電流還是電壓)、線性化、補(bǔ)償、光電隔離、信號處理方式等，還應(yīng)考慮A/D轉(zhuǎn)換器的選擇(轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、結(jié)構(gòu)、功耗等)及相關(guān)電路、擴(kuò)展接口，有時(shí)還涉及軟件的設(shè)計(jì)。高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器價(jià)格十分昂貴，因而應(yīng)盡量降低對A/D轉(zhuǎn)換器的要求，能用軟件實(shí)現(xiàn)的功能盡量用軟件來實(shí)現(xiàn)。

(4)輸出通道的設(shè)計(jì)：輸出通道設(shè)計(jì)包括開關(guān)量和模擬量輸出通道的設(shè)計(jì)。開關(guān)量要考慮功率、控制方式(繼電器、可控硅、三極管等)。模擬量輸出要考慮D/A轉(zhuǎn)換器的選擇(轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度、結(jié)構(gòu)、功耗等)、輸出信號的形式(電流還是電壓)、隔離方式、擴(kuò)展接口等。

(5)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)：人機(jī)界面的設(shè)計(jì)包括輸入鍵盤、開關(guān)、撥碼盤、啟/停操作、復(fù)位、顯示器、打印、指示、報(bào)警等。輸入鍵盤、開關(guān)、撥碼盤應(yīng)考慮類型、個(gè)數(shù)、參數(shù)及相關(guān)處理(如按鍵的去抖處理)。啟/停、復(fù)位操作要考慮方式(自動(dòng)、手動(dòng))及其切換。顯示器要考慮類型(LED，LCD)、顯示信息的種類、倍數(shù)等。此外還要考慮各種人機(jī)界面的擴(kuò)展接口。

(6)通信電路的設(shè)計(jì)：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)往往作為現(xiàn)場測控設(shè)備，常與上位機(jī)或同位機(jī)構(gòu)成測控網(wǎng)絡(luò)，需要其有數(shù)據(jù)通信的能力，通常設(shè)計(jì)為RS-232C、RS-485、紅外收發(fā)等通信標(biāo)準(zhǔn)。

(7)印刷電路板的設(shè)計(jì)與制作：電路原理圖和印刷電路板的設(shè)計(jì)常采用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，如Protel，OrCAD等。設(shè)計(jì)印刷電路板需要有很多的技巧和經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)好印刷電路板圖后應(yīng)送到專業(yè)化制作廠家生產(chǎn)，在生產(chǎn)出來的印刷電路板上安裝好元件，則完成硬件設(shè)計(jì)和制作。

(8)負(fù)載容限的考慮：單片機(jī)總線的負(fù)載能力是有限的。如MCS-51的P0口的負(fù)載能力為4mA，最多驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL電路，P1～P3口的負(fù)載能力為2mA，最多驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL電路。若外接負(fù)載較多，則應(yīng)采取總線驅(qū)動(dòng)的方法提高系統(tǒng)的負(fù)載容限。常用驅(qū)動(dòng)器有：單向驅(qū)動(dòng)器74LS244，雙向驅(qū)動(dòng)器74LS245等。

(9)信號邏輯電平兼容性的考慮：在所設(shè)計(jì)的電路中，可能兼有TTL和CMOS器件，也有非標(biāo)準(zhǔn)的信號電平，要設(shè)計(jì)相應(yīng)的電平兼容和轉(zhuǎn)換電路。當(dāng)有RS-232，RS-485接口時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)電平兼容和轉(zhuǎn)換。常用的集成電路有MAX232，MAX485等。

(10)電源系統(tǒng)的配置：單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一定需要電源，要考慮電源的組數(shù)、輸出功率、抗干擾。要熟悉常用三端穩(wěn)壓器(78хх系列、79хх系列)、精密電源(AD580，MC1403，CJ313/336/385，W431)的應(yīng)用。

(11)抗干擾的實(shí)施：采取必要的抗干擾措施是保證單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的重要環(huán)節(jié)。它包括芯片、器件選擇、去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。

單片機(jī)設(shè)計(jì)舉例

對于新手來說，學(xué)習(xí)制作單片機(jī)為核心的繼電器驅(qū)動(dòng)板，可以鍛煉自己的知識應(yīng)用能力、動(dòng)手能力等，作為一名電子愛好者，想了解這方面的技術(shù)并動(dòng)手制作一塊繼電器驅(qū)動(dòng)板：

1)首先，選擇單片機(jī)核心處理器，單片機(jī)的種類很多，有51單片機(jī)、PIC單片機(jī)、MSP430單片機(jī)、STM32單片機(jī)、AVR單片機(jī)以及飛思卡爾單片機(jī)等，最好選擇自己比較熟悉的單片機(jī)平臺，開發(fā)環(huán)境、軟件編程等較熟悉，使用起來更得心應(yīng)手，單片機(jī)選型需要注意的有以下幾點(diǎn)：內(nèi)存，flash容量的大小必須大于代碼量;速度，也就是時(shí)鐘頻率;外設(shè)需求，I/O口的數(shù)量，ADC、SPI、SCI、USB等;工作電壓等。

2)繼電器選型，繼電器的種類也非常多，有底座安裝接線的，也有焊接于印制板的，要是用于工程設(shè)計(jì)，取決于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、負(fù)載電流、工作電壓等。

3)繼電器驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)電流很弱，無法直接驅(qū)動(dòng)繼電器，需通過外圍電路增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，一般使用光耦、三極管、場效應(yīng)管等，下圖為本人設(shè)計(jì)的繼電器驅(qū)動(dòng)電路，使用光耦接單片機(jī)I/O口，隔離供電可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和繼電器之間隔離，使用PNP三極管當(dāng)電子開關(guān)控制繼電器的正極電源，三極管的選型需根據(jù)繼電器的工作電壓和電流而定，對于阻值R2/R3的選擇，需根據(jù)三極管的IC電流、放大倍數(shù)β以及VCC的大小進(jìn)行計(jì)算，使三極管開通時(shí)處于飽和狀態(tài)。

注意：繼電器旁的二極管D1不能少，D1的作用是反向續(xù)流，抑制浪涌。

通過以上的講解，是否對單片機(jī)設(shè)計(jì)有了大概的了解呢？在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，還是需要多學(xué)，多看，多練，相信你一定會成為高手的！

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