在应用系统研制中，软件设计的工作量最大，也是较困难的任务，在了解了软件要实现的全部功能以后，应对系统进行定义。也就是在软件设计前，把软件承担的任务（结合硬件结构）明确表示出来，具体有以下三点：
    1.）定义各输入/输出口的功能，确定信息交换方式、与系统接口方式、接口地址、读取和输出方式等。
    2.）在程序存储器和数据存储器区域中，合理分配存储空间（包括系统主程序、常数表格、数据暂存区域、堆栈区域、程序入口地址等）。
    3.）对面板控制开关、按键等输入量以及显示、打印等输出量也必须给予定义，作为编程的依据。
    另外，还需对软件结构进行设计，合理的软件结构是设计单片机应用系统的基础，它能使CPU有条不紊地对各个相对独立的任务进行处理：对于简单的实时控制系统，通常用中断方法分配CPU的时间，制定哪些任务由主程序完成，哪些任务由中断服务程序完成，并指定各个中断源的优先级；对于复杂的实时控制系统，应采用实时的多任务操作系统，这种系统要求对多个对象同时进行实时控制，要求对各个对象的实时信息以足够快的速度进行处理并做出快速的响应。这就要求提高系统的实时性、并行性。为达到这个目的，实时多任务操作系统应具备任务调度、实时控制、输入输出和中断控制、系统调用、多个任务并行等功能。
    模块化程序设计是单片机应用系统软件设计中最常用的方法。这种设计方法是把一个完整的程序分成若干个功能相对独立的较小的程序块，各个程序模块分别进行设计和调试，最后将调试好的程序模块连接起来。
    模块设计的优点是单个程序模块设计和调试比较方便，容易完成，一个模块可以被多个任务功用。缺点是对各模块程序连接时有一定困难，对一般简单的任务不必模块化。

    根据对系统的定义及软件的结构，依据硬件选定的原则准确选定CPU。

    1.）建立数学模型
    根据问题的定义，描述出各个输入变量和各个输出变量之间的数学关系，称为建立数学模型。数学模型是随系统任务的不同而不同的。在有些系统中，从模拟输入通道得到的温度、压力、电压、电流等现场信息与该信号对应的实际值往往存在非线性关系，这时则需要进行非线性补偿。进行非线性补偿常用的方法有：查表法、插值法、曲线拟合等方法。
    其中的查表法就是将事先计算或测得的数据按一定的顺序制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或中间结果，查出最终所需的结果。查表法是一种非数值计算方法，可以进行数据补偿、计算、转换等工作，具有程序简单、执行速度快等优点。MCS-51系列单片机具有两条专门的查表指令“MOVC A，@A+PC”和“MOVC A，@A+DPTR”，因此查程序的设计比较简单。
    2.）绘制程序流程图
    通常进行程序设计前，先根据系统功能及操作过程列出程序的简单功能流程图，再对该图进行扩充和具体化，即对存储器、寄存器、标志位等工作单元作具体的分配和说明。把功能流程图中每一部分转变成具体的存储单元、寄存器和I/O口的操作，从而绘制出详细的程序流程图。
    3.）编写程序
    在完成程序图设计以后，首先应对片内RAM区进行具体分配，制定各模块使用的寄存器，分配标志位（20H-2FH的为寻址区），再估算子程序、中断以及程序中栈操作指令的使用情况，留出堆栈区，最后剩下部分作为数据缓冲区，在此基础上便可以编写程序。单片机应用程序一般采用汇编语言，编写完成后用机器语言或手工汇编成MCS-51单片机的机器码，经调试正常运行后，再固化到EPROM中，完成系统软件的设计。

    程序调试是利用开发工具进行在线仿真调试，在程序调试的过程中也有可能发现硬件的故障。对于一般的运算程序可以直接在计算机上利用软件进行仿真运行，其优点是：变量给定灵活、运算结果查询方便、便于观察程序执行方向。有些程序也可以采用开发机进行调试，调试的方法有很多种，列如：单步运行：一次只执行一条指令，在每步后，又返回监控调试状态；连续运行：可以从程序任意一条地址处启动，然后全速运行；断点运行：用户可以在程序任一处设置断点，当程序执行到断点时，控制返回到监控调试状态。
    程序的调试可以一个模块一个模块地进行，一个子程序一个子程序地调试，最后连起来总调。利用开发工具提供的单步运行和设置断点运行方式，通过检查应用系统的CPU现场、RAM的内容和I/O口的状态，检查程序执行的结果是否正确，观察应用系统I/O设备的状态变化是否正常，从而可以发现程序中的死循环错误、机器码错误以及转移地址的错误，也可以发现待测系统中软件算法错误及硬件设计错误。在调试过程中不断地调整修改应用系统的硬件和软件，直到其正确为止。访真调试正常以后，还应将软件固化到EPROM中，进行脱机试运行，只有脱机运行正确才能确定系统研制成功。