淺談單片機應用與研究

曹思裕　王強

摘 要：單片機硬件系統是實現某個項目或工程所需要的所有的硬件電氣連接線路，系統擴展方法與單片機所選的系列（如51系列、AVR系列、8086系列等）有關。不同系列的單片機，其內部接口、總線設置是不同的，故硬件系統的設計也是不盡相同的。硬件系統的設計包括單片機基本系統設計、系統擴展、交互設備配置、信號采集配置四個基本方面。

關鍵詞：單片機硬件系統 系統擴展 信號采集

1單片機的基本設計

單片機的基本設計包括單片機的選型和單片機最小系統設計。對單片機進行選型時就應當考慮所需要的功能資源，以及如何使用與擴展等問題。大部分情況下單片機本身的I/O口、定時器/計數器、中斷系統等資源不能滿足應用系統的需要，但它們畢竟可靠有效的核心資源，應當充分利用它們。片外存儲器建議盡量選用大容量的芯片。單片機最小系統需要在單片機系統結構上添加常用的擴展電路，如晶振電路、復位電路等，這些電路和單片機的組合就構成了單片機最小系統。

2單片機系統擴展

雖然單片機是個高度的集成芯片，芯片內部具備I/O口、ROM程序存儲器、RAM數據存儲器和定時器、計數器，但還是需要對其進行擴展來完善單片機系統。擴展部分設計可以分為存儲器擴展和接口擴展。單片機系統擴展有兩種方法：一是選擇購買現成的專用功能模板或接口板，如各種開關量接口板、A/D轉換接口板、步進電機控制板、繼電器轉換接口板、CRT顯示板、通訊板等，這些模板可以通過總線直接與單片機系統接口連接，通過購置這些接口可以大大縮短系統的開發周期，但是由于購買來的，成本較高；二是根據系統的實際需求，選用合適的芯片進行設計，這種方式降低了設計的成本，但是同時增加了設計的周期。所有單片機應用系統硬件設計的時候，可根據實際需要設計系統擴展電路。

3交互設備配置

交互設備主要是指單片機和人之間的通訊，常用的設備有鍵盤、顯示器、打印機等。例如鍵盤可以完成人對機的控制，顯示器可以告訴人此時機器的工作狀態等。在這些設備的配置過程中，大部分的系統是要求配置專用控制面板的，同時它的組成材料、形狀和鍵位分布等都不能隨意設計，要從操作方便、安全可靠等方面統一安排。具體包括如下四點：

3.1若干個數字鍵。以便對系統進行參數修改或對系統參數進行設置。

3.2若干個命令鍵。以便使用者向系統輸入各種控制命令。

3.3設置指示燈。以便使用者對系統的運行狀態進行監管。

3.4設置必要的聲、光報警。如蜂鳴器、報警燈等，以便操作作者主要和處理。

4信號采集配置

測控對象的工作狀態或者其他信息通過傳感器等一系列電路傳人單片機，單片機的控制命令通過數模轉換等電路傳給執行機構，由執行機構調節被測控對象的工作狀態。這兩組電路的配置決定了系統的測量精度和控制性能，它們的設計可分兩步進行。

4.1數字量輸入、輸出電路的設計。這部分是指數字信號的接收和執行，這里重點考慮開關的防抖問題、電平的兼容問題、干擾問題和輸出的驅動問題。

4.2模擬量輸入、輸出通道的設計。這部分主要是指模擬信號的接收和執行，對于模擬量輸入通道而言，這這里主要考慮傳感器、信號轉換器、放大器、采樣保持器、A/D轉換器等的設計與選擇。同時也要考慮模擬信號的電平轉換、信號的隔離和濾波等具體問題。在模擬量輸出中，主要考慮D/A轉換器、模擬量放大器、光電隔離的設計與選擇問題。

硬件系統設計時的主要事項：

4.2.1盡量使硬件系統標準化、模塊化：盡可能選擇典型電路，并符合單片機的常規用法。這樣有利于系統的調試、修改、維護和以后的擴展。

4.2.2保證系統的可靠性和抗干擾能力：對元器件進行選擇、去耦濾波、合理布線、通道隔離等。

4.2.3留有適當的功能余量：系統擴展和配置是不要只顧眼前，在充分滿足系統功能要求的前提下，為二次開發留有余地。

4.2.4留有適當的性能余量：電源功率要高于系統最大功耗的一倍以上，電路驅動負載不能接近驅動能力的極限值，A/D和D/A的轉換精度也要高于任務書所規定的指標等。

4.2.5在設計過程中，還有考慮應用系統各部分的驅動能力。如果驅動能力弱，系統可能工作不可靠甚至無法工作，而這種情況是很難解決的，必須通過相應的驅動電路來解決，所以在設計的過程中應該高度重視。

4.2.6相關器件的性能匹配：單片機晶振頻率較高時，應選擇存儲器速度較高的存儲器芯片；以CMOS型單片機構成低功率系統時，系統中所有芯片都應選擇低功率產品。

4.2.7傳感器選擇：主要考慮所需的量程范圍、線性度、穩定性、信號輸出形式等因素。

5結束語

單片機控制系統的可靠性是系統安全可靠運行的基本保證，是系統開發中的重要環節。 實踐證明，在認真分析控制系統的工作環境、 性能要求的前提下，在硬件方面合理選擇單片機和元器件，合理地設計印刷電路板， 合理設計電源、 輸入輸出通道控制電路等主動安全設計， 并結合應用電壓監測與復位、 硬件看門狗復位等輔助芯片的被動安全設計應用， 能夠抑制絕大部分的噪聲， 而且由于采用了被動安全設計， 使得即使控制系統發生了失常，

也能夠確保系統快速地恢復到正常運行狀態， 提高了單片機控制系統的可靠性。

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