浅谈单片机应用与研究

曹思裕　王强

摘 要：单片机硬件系统是实现某个项目或工程所需要的所有的硬件电气连接线路，系统扩展方法与单片机所选的系列（如51系列、AVR系列、8086系列等）有关。不同系列的单片机，其内部接口、总线设置是不同的，故硬件系统的设计也是不尽相同的。硬件系统的设计包括单片机基本系统设计、系统扩展、交互设备配置、信号采集配置四个基本方面。

关键词：单片机硬件系统 系统扩展 信号采集

1单片机的基本设计

单片机的基本设计包括单片机的选型和单片机最小系统设计。对单片机进行选型时就应当考虑所需要的功能资源，以及如何使用与扩展等问题。大部分情况下单片机本身的I/O口、定时器/计数器、中断系统等资源不能满足应用系统的需要，但它们毕竟可靠有效的核心资源，应当充分利用它们。片外存储器建议尽量选用大容量的芯片。单片机最小系统需要在单片机系统结构上添加常用的扩展电路，如晶振电路、复位电路等，这些电路和单片机的组合就构成了单片机最小系统。

2单片机系统扩展

虽然单片机是个高度的集成芯片，芯片内部具备I/O口、ROM程序存储器、RAM数据存储器和定时器、计数器，但还是需要对其进行扩展来完善单片机系统。扩展部分设计可以分为存储器扩展和接口扩展。单片机系统扩展有两种方法：一是选择购买现成的专用功能模板或接口板，如各种开关量接口板、A/D转换接口板、步进电机控制板、继电器转换接口板、CRT显示板、通讯板等，这些模板可以通过总线直接与单片机系统接口连接，通过购置这些接口可以大大缩短系统的开发周期，但是由于购买来的，成本较高；二是根据系统的实际需求，选用合适的芯片进行设计，这种方式降低了设计的成本，但是同时增加了设计的周期。所有单片机应用系统硬件设计的时候，可根据实际需要设计系统扩展电路。

3交互设备配置

交互设备主要是指单片机和人之间的通讯，常用的设备有键盘、显示器、打印机等。例如键盘可以完成人对机的控制，显示器可以告诉人此时机器的工作状态等。在这些设备的配置过程中，大部分的系统是要求配置专用控制面板的，同时它的组成材料、形状和键位分布等都不能随意设计，要从操作方便、安全可靠等方面统一安排。具体包括如下四点：

3.1若干个数字键。以便对系统进行参数修改或对系统参数进行设置。

3.2若干个命令键。以便使用者向系统输入各种控制命令。

3.3设置指示灯。以便使用者对系统的运行状态进行监管。

3.4设置必要的声、光报警。如蜂鸣器、报警灯等，以便操作作者主要和处理。

4信号采集配置

测控对象的工作状态或者其他信息通过传感器等一系列电路传人单片机，单片机的控制命令通过数模转换等电路传给执行机构，由执行机构调节被测控对象的工作状态。这两组电路的配置决定了系统的测量精度和控制性能，它们的设计可分两步进行。

4.1数字量输入、输出电路的设计。这部分是指数字信号的接收和执行，这里重点考虑开关的防抖问题、电平的兼容问题、干扰问题和输出的驱动问题。

4.2模拟量输入、输出通道的设计。这部分主要是指模拟信号的接收和执行，对于模拟量输入通道而言，这这里主要考虑传感器、信号转换器、放大器、采样保持器、A/D转换器等的设计与选择。同时也要考虑模拟信号的电平转换、信号的隔离和滤波等具体问题。在模拟量输出中，主要考虑D/A转换器、模拟量放大器、光电隔离的设计与选择问题。

硬件系统设计时的主要事项：

4.2.1尽量使硬件系统标准化、模块化：尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。这样有利于系统的调试、修改、维护和以后的扩展。

4.2.2保证系统的可靠性和抗干扰能力：对元器件进行选择、去耦滤波、合理布线、通道隔离等。

4.2.3留有适当的功能余量：系统扩展和配置是不要只顾眼前，在充分满足系统功能要求的前提下，为二次开发留有余地。

4.2.4留有適当的性能余量：电源功率要高于系统最大功耗的一倍以上，电路驱动负载不能接近驱动能力的极限值，A/D和D/A的转换精度也要高于任务书所规定的指标等。

4.2.5在设计过程中，还有考虑应用系统各部分的驱动能力。如果驱动能力弱，系统可能工作不可靠甚至无法工作，而这种情况是很难解决的，必须通过相应的驱动电路来解决，所以在设计的过程中应该高度重视。

4.2.6相关器件的性能匹配：单片机晶振频率较高时，应选择存储器速度较高的存储器芯片；以CMOS型单片机构成低功率系统时，系统中所有芯片都应选择低功率产品。

4.2.7传感器选择：主要考虑所需的量程范围、线性度、稳定性、信号输出形式等因素。

5结束语

单片机控制系统的可靠性是系统安全可靠运行的基本保证，是系统开发中的重要环节。 实践证明，在认真分析控制系统的工作环境、 性能要求的前提下，在硬件方面合理选择单片机和元器件，合理地设计印刷电路板， 合理设计电源、 输入输出通道控制电路等主动安全设计， 并结合应用电压监测与复位、 硬件看门狗复位等辅助芯片的被动安全设计应用， 能够抑制绝大部分的噪声， 而且由于采用了被动安全设计， 使得即使控制系统发生了失常，

也能够确保系统快速地恢复到正常运行状态， 提高了单片机控制系统的可靠性。

参考文献：

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