1.3 單片機應用系統設計舉例

單片機系統可以劃分為以下3種類型。

1. 單片機學習系統

單片機學習系統，如學校實驗室中的單片機綜合實驗儀以及市場上的各種單片機實驗開發模板等。這些系統一般都由專業的教學儀器廠家或公司設計并生產，為單片機學習者提供一個硬件的調試平臺，學習者可以直接進行程序的調試。這類產品都具有一定的通用性，所有的模塊都采用開放式設計，由學習者主導相關模塊的連接和程序的編寫、調試及功能驗證等環節。

2. 單片機最小系統

單片機最小系統是指單片機愛好者利用廉價的多孔板（也稱洞洞板）自行設計、安裝的一個簡易單片機小系統。它具有結構簡單、安裝容易和可擴展性好的特點。學習者首先要規劃電路，購買、選擇元件，然后進行元件在板上的布局、焊接、連線，最后在板子上調試各種程序。這是一種比較系統全面的實踐環節，會給實踐者帶來單片機設計的樂趣。

3. 單片機應用系統

單片機應用系統也稱為嵌入式系統。這是單片機在面向實際工程應用時，由工程師親自設計、安裝并完成調試的應用系統。這種系統一般是面向1個具體的設備、具體的要求，有針對性地實現某一特定的任務，如智能電冰箱、洗衣機的控制系統。這種系統是針對1個具體的任務，沒有通用性。從系統的電路設計、PCB的布局到程序的編寫都需要由工程師獨立完成。這就要求工程師要具備以下3種基本的技能：一是要有扎實的單片機系統設計基礎；二是要掌握PCB的設計工具軟件（如Altium Designer）以及熟練的程序設計和調試能力。

對于初學者來說，如果有條件，可以購買單片機的學習板或DIY“單片機最小系統”，一個單片機硬件系統是學習單片機非常必要的實踐平臺。

1.3.1 自制的單片機最小系統實例

利用1個多孔板來搭建、焊接單片機最小系統，是許多初學者夢寐以求的事情，但對于一些沒有實際經驗的初學者往往會感到不知所措。這里介紹一些由學生制作的作品，供參考。

制作最小系統，首先要設計出正確的電路（本書的第6章描述的PIC18F452單片機的最小系統設計電路可供參考），還要有較好的焊接技能（避免焊點“虛焊”），但這些又是可以在實踐中逐步學習和提高的。對于比較復雜的系統，還需要使用專用的電路板（PCB）設計軟件，設計出元件排列整齊、性能可靠的單片機系統。

單片機最小系統包括了電源電路、單片機插座、單片機的外接晶體和復位電路等，另外還至少要有一組8位LED以便于與I/O端口連接，以驗證I/O端口功能。單片機最小系統是初學單片機時最好的也是廉價的學習平臺。隨著學習的不斷深入，最小系統板上的電路會不斷豐富和完善。圖1.3.1、圖1.3.2所示是兩個利用多孔板設計的“單片機最小系統板”的實例。

兩個系統板的區別在于導線的連接方法不同。前者的導線是在系統板的元件面上布局，這樣焊接面就顯得干凈、整齊，便于線路的檢測和故障的查找；后者的系統板采用的是在焊接面上布局導線，此種方案的優點是系統板的元件面整齊、漂亮，沒有多余的導線，缺點是焊接面導線多，導線與焊盤相互疊壓，如果出現故障，不利于查找故障點。

1.3.2 采用專用軟件設計的單片機應用系統

利用專用軟件設計（包含原理圖設計及PCB的布局），這種方法要求設計者熟練地掌握一種PCB的設計軟件，從原理圖到PCB一氣呵成。此方法的優點是系統設計準確，PCB的工藝水平高、質量好，這也是工程應用中必須采用的方法。

圖1.3.3所示是采用專用軟件設計的（雙面PCB）單片機學習板。用專用軟件設計的PCB具有元件緊湊、整齊，導線布局合理、可靠，組裝方便快捷、不易出錯等優點。常用的軟件有Altium Designer等。當設計工作完成后，需要將PCB的文件（file.pcb）發送到專業的PCB加工廠家進行板材的加工即可。

當然初學者可以嘗試利用專用軟件設計、制作比較簡單的單層PCB。自己動手，利用轉印技術將PCB圖轉印到覆銅板上，再使用特定的液體進行腐蝕、清洗后鉆孔，即可完成單面的PCB板的制作。有關PCB的設計軟件就不在這里贅述了。圖1.3.4所示是學生制作的單片機最小系統的單面PCB。

圖1.3.5所示是大學生設計的一個嵌入式系統實例，即利用單片機實現的智能小車控制系統。單片機與超聲波傳感器、電機驅動等模塊連接，實現小車的“行走”和“超聲波避障”等控制。系統采用電池供電。

圖1.3.6所示是一款消費類的嵌入式系統實例智能充電器的應用設計。系統具有多參數采集顯示、充/放電多模式選擇等功能。利用單片機對系統進行全面的控制和管理。如電池電壓的檢測、電池溫度的監控，以及充電曲線控制等。與普通充電器相比，安全可靠，極大地提高了充電電池的使用壽命。