1.3 单片机应用系统设计举例

单片机系统可以划分为以下3种类型。

1. 单片机学习系统

单片机学习系统，如学校实验室中的单片机综合实验仪以及市场上的各种单片机实验开发模板等。这些系统一般都由专业的教学仪器厂家或公司设计并生产，为单片机学习者提供一个硬件的调试平台，学习者可以直接进行程序的调试。这类产品都具有一定的通用性，所有的模块都采用开放式设计，由学习者主导相关模块的连接和程序的编写、调试及功能验证等环节。

2. 单片机最小系统

单片机最小系统是指单片机爱好者利用廉价的多孔板（也称洞洞板）自行设计、安装的一个简易单片机小系统。它具有结构简单、安装容易和可扩展性好的特点。学习者首先要规划电路，购买、选择元件，然后进行元件在板上的布局、焊接、连线，最后在板子上调试各种程序。这是一种比较系统全面的实践环节，会给实践者带来单片机设计的乐趣。

3. 单片机应用系统

单片机应用系统也称为嵌入式系统。这是单片机在面向实际工程应用时，由工程师亲自设计、安装并完成调试的应用系统。这种系统一般是面向1个具体的设备、具体的要求，有针对性地实现某一特定的任务，如智能电冰箱、洗衣机的控制系统。这种系统是针对1个具体的任务，没有通用性。从系统的电路设计、PCB的布局到程序的编写都需要由工程师独立完成。这就要求工程师要具备以下3种基本的技能：一是要有扎实的单片机系统设计基础；二是要掌握PCB的设计工具软件（如Altium Designer）以及熟练的程序设计和调试能力。

对于初学者来说，如果有条件，可以购买单片机的学习板或DIY“单片机最小系统”，一个单片机硬件系统是学习单片机非常必要的实践平台。

1.3.1 自制的单片机最小系统实例

利用1个多孔板来搭建、焊接单片机最小系统，是许多初学者梦寐以求的事情，但对于一些没有实际经验的初学者往往会感到不知所措。这里介绍一些由学生制作的作品，供参考。

制作最小系统，首先要设计出正确的电路（本书的第6章描述的PIC18F452单片机的最小系统设计电路可供参考），还要有较好的焊接技能（避免焊点“虚焊”），但这些又是可以在实践中逐步学习和提高的。对于比较复杂的系统，还需要使用专用的电路板（PCB）设计软件，设计出元件排列整齐、性能可靠的单片机系统。

单片机最小系统包括了电源电路、单片机插座、单片机的外接晶体和复位电路等，另外还至少要有一组8位LED以便于与I/O端口连接，以验证I/O端口功能。单片机最小系统是初学单片机时最好的也是廉价的学习平台。随着学习的不断深入，最小系统板上的电路会不断丰富和完善。图1.3.1、图1.3.2所示是两个利用多孔板设计的“单片机最小系统板”的实例。

两个系统板的区别在于导线的连接方法不同。前者的导线是在系统板的元件面上布局，这样焊接面就显得干净、整齐，便于线路的检测和故障的查找；后者的系统板采用的是在焊接面上布局导线，此种方案的优点是系统板的元件面整齐、漂亮，没有多余的导线，缺点是焊接面导线多，导线与焊盘相互叠压，如果出现故障，不利于查找故障点。

1.3.2 采用专用软件设计的单片机应用系统

利用专用软件设计（包含原理图设计及PCB的布局），这种方法要求设计者熟练地掌握一种PCB的设计软件，从原理图到PCB一气呵成。此方法的优点是系统设计准确，PCB的工艺水平高、质量好，这也是工程应用中必须采用的方法。

图1.3.3所示是采用专用软件设计的（双面PCB）单片机学习板。用专用软件设计的PCB具有元件紧凑、整齐，导线布局合理、可靠，组装方便快捷、不易出错等优点。常用的软件有Altium Designer等。当设计工作完成后，需要将PCB的文件（file.pcb）发送到专业的PCB加工厂家进行板材的加工即可。

当然初学者可以尝试利用专用软件设计、制作比较简单的单层PCB。自己动手，利用转印技术将PCB图转印到覆铜板上，再使用特定的液体进行腐蚀、清洗后钻孔，即可完成单面的PCB板的制作。有关PCB的设计软件就不在这里赘述了。图1.3.4所示是学生制作的单片机最小系统的单面PCB。

图1.3.5所示是大学生设计的一个嵌入式系统实例，即利用单片机实现的智能小车控制系统。单片机与超声波传感器、电机驱动等模块连接，实现小车的“行走”和“超声波避障”等控制。系统采用电池供电。

图1.3.6所示是一款消费类的嵌入式系统实例智能充电器的应用设计。系统具有多参数采集显示、充/放电多模式选择等功能。利用单片机对系统进行全面的控制和管理。如电池电压的检测、电池温度的监控，以及充电曲线控制等。与普通充电器相比，安全可靠，极大地提高了充电电池的使用寿命。