智能化電子產(chǎn)品中單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究

關(guān)鍵詞：智能化；單片機(jī)；技術(shù)優(yōu)勢；應(yīng)用場景

中圖法分類號：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著芯片技術(shù)的不斷提升，綜合芯片在智能化電子產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越普遍。此應(yīng)用模式使得智能化設(shè)備向著中心化算力需求進(jìn)行演進(jìn)，一方面可以支撐智能化設(shè)備實現(xiàn)更高的功能效率：另一方面存在能耗增高、成本增加、穩(wěn)定性降低等問題?；诖?，本文重點探討智能化電子產(chǎn)品中單片機(jī)的具體應(yīng)用，旨在中心處理器與單片機(jī)的聯(lián)合應(yīng)用上提供必要的參考。

1智能化設(shè)備中單片機(jī)應(yīng)用的優(yōu)勢

計算機(jī)技術(shù)的不斷完善，智能設(shè)備功能日益強(qiáng)大，但是同樣帶來了成本提高、穩(wěn)定性下降、能耗增加的問題，如傳統(tǒng)2G手機(jī)在500毫安電池容量下往往能夠待機(jī)7天左右，而智能手機(jī)即使使用5000毫安電池也往往只能夠堅持一天。與此同時，不同場景下對于智能設(shè)備的功能需求并不相同，往往存在大量的“低端”或單一的智能需求，這為單片機(jī)持續(xù)在智能設(shè)備中發(fā)揮不可替代的作用創(chuàng)造了機(jī)會。從這一角度分析，單片機(jī)在智能化設(shè)備中的應(yīng)用至少具有如下3方面優(yōu)勢。

1.1成本優(yōu)勢

中央處理器由于生產(chǎn)工藝復(fù)雜、提供的算力強(qiáng)大等特征，成本一直很難實現(xiàn)有效的控制。以低端處理器5800為例，其工業(yè)采購的售價在100元左右，基于此進(jìn)行的智能化設(shè)備開發(fā)成本往往相對較高，并不適宜于大規(guī)模推廣與布置。與之相比，單片機(jī)的成本相對較低，最便宜的單片機(jī)成本甚至不足1元，這為單片機(jī)的大規(guī)模應(yīng)用提供了可能，廠商能夠利用更低的成本實現(xiàn)最多產(chǎn)品的智能化改造，用戶也能夠用低廉的成本實現(xiàn)生活場景的智能化體系構(gòu)建。

1.2穩(wěn)定優(yōu)勢

中央處理器由于算力強(qiáng)大，進(jìn)而對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求相對較高，除了自身生產(chǎn)工藝而造成的應(yīng)用局限外，對于外部環(huán)境也較為敏感，如振動、溫度、撞擊、空氣濕度、電壓等均能夠影響中央處理器的使用壽命與計算精度。而隨著智能化應(yīng)用場景的不斷擴(kuò)展，中央處理器的穩(wěn)定性指標(biāo)受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，如在車載環(huán)境下，長期的顛簸狀態(tài)容易造成中央處理器的“死機(jī)”甚至產(chǎn)生安全事故。單片機(jī)由于工藝相對簡單，容錯率較高，對于外部環(huán)境的敏感性相對較差，進(jìn)而在大范圍使用后依舊可以保持較高的穩(wěn)定性。

1.3開發(fā)門檻低

單片機(jī)作為一種成熟技術(shù)，無論是在開發(fā)、烤制還是在后續(xù)的功能擴(kuò)展上均累積了大量的實踐經(jīng)驗，這些經(jīng)驗使得基于單片機(jī)的智能化設(shè)備開發(fā)門檻相對較低，企業(yè)能夠在投入更少的研發(fā)成本上推出全新的智能化產(chǎn)品，并促進(jìn)市場產(chǎn)品迭代，也客觀上提高了企業(yè)研發(fā)與應(yīng)用的積極性。與此同時，單片機(jī)后續(xù)的檢測與維修門檻也相對較低，利用單片機(jī)進(jìn)行智能化設(shè)備的研發(fā)能夠卷入更多的就業(yè)人員，形成更大規(guī)模的市場良性循環(huán)。

2智能化設(shè)備中單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用場景

2.1單片機(jī)在家庭智能化設(shè)備中的應(yīng)用

智能家電中通過集成單片機(jī)實現(xiàn)的智能解決方案對于家庭、室內(nèi)等特殊場合的使用有著很好的優(yōu)勢。在實際的設(shè)計中，將模塊結(jié)構(gòu)與微處理器相結(jié)合，利用微處理器進(jìn)行功能設(shè)計與實現(xiàn)，使得電子器件脫離了常規(guī)的局限，能夠形成與人的互動以及在參數(shù)設(shè)置下的自動化運(yùn)行，相較于其他設(shè)計方式，其可以降低系統(tǒng)的使用難度，簡化內(nèi)部線路，利用較低的成本實現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計函數(shù)在一個集中的線路運(yùn)行的目的，從商業(yè)開發(fā)的角度上也降低了研發(fā)的門檻，使得產(chǎn)品推陳出新與迭代的速率明顯加快，適應(yīng)了當(dāng)下的市場競爭環(huán)境。

2.2單片機(jī)在車載智能化設(shè)備中的應(yīng)用

車輛智能設(shè)備越來越多的在車輛設(shè)計中得到使用，其中較為復(fù)雜的功能，如導(dǎo)航等需要利用車載計算機(jī)來完成，但對于部分單一功能的實現(xiàn)，如車載空調(diào)的控制、倒車影像、倒視鏡自動折疊等功能依舊有單片機(jī)的用武之地。系統(tǒng)利用微處理器實現(xiàn)了車載智能裝置的多種基本功能，如全球定位導(dǎo)航、低級別輔助駕駛、主動安全監(jiān)測等。通過汽車上的感應(yīng)器，可以采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)集中到ECU的計算機(jī)或者CPU上。相對于常規(guī)的設(shè)計，它更適合于苛刻的工作環(huán)境，并且能夠在低功率的情況下保持完全的工作性能。這種由單片機(jī)與車載計算機(jī)進(jìn)行聯(lián)合配合應(yīng)用的方式是大部分車企在車載智能化設(shè)備中的主要實現(xiàn)思路。一方面能夠利用單片機(jī)提高整體智能設(shè)備的穩(wěn)定性：另一方面還能夠?qū)⒐δ苡芍行陌l(fā)布到不同的單片機(jī)前端，實現(xiàn)了能源及算力資源的高效調(diào)配。

2.3單片機(jī)在語音交互中的應(yīng)用

語音交互已經(jīng)成為智能化設(shè)備的“標(biāo)配”，系統(tǒng)需要通過對人語言的識別與使用者進(jìn)行交流或者執(zhí)行相關(guān)的指令。從具體的技術(shù)流程上來看，語音交互包括3個基本流程，其一是對語音進(jìn)行數(shù)字語言的轉(zhuǎn)化；其二是對數(shù)字語言進(jìn)行識別與判斷；其三是對語音指令進(jìn)行執(zhí)行。其中，數(shù)字語言的邏輯判斷以及內(nèi)容分析屬于高階層的函數(shù)運(yùn)算，在當(dāng)前的技術(shù)條件下需要構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行實現(xiàn)，故而需要CPU的算力支撐。但第一流程與第三流程則可以采用單片機(jī)來進(jìn)行分布實現(xiàn)。利用單片機(jī)進(jìn)行智能語音的布線，可以節(jié)省經(jīng)費(fèi)，提升系統(tǒng)的反應(yīng)速度，以達(dá)到預(yù)期的目的。單片機(jī)采用基本的波形編碼技術(shù)，可以實現(xiàn)語音采集、信息整合和內(nèi)容識別等基本功能。當(dāng)系統(tǒng)收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮，然后按照事先準(zhǔn)備好的編碼，對各種功能界面進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)算，從而達(dá)到目的（見圖1）。

2.4單片機(jī)在醫(yī)學(xué)智能化設(shè)備中的應(yīng)用

利用智能組態(tài)的單片機(jī)對醫(yī)療設(shè)備的具體功能進(jìn)行實現(xiàn)，能夠形成高穩(wěn)定性和高擴(kuò)展性的比較性優(yōu)勢，進(jìn)而可以廣泛應(yīng)用于各種智能系統(tǒng)，如醫(yī)學(xué)電子器件，血液檢測部件、生命體征監(jiān)控部件等。在具體的配置過程中，為確保系統(tǒng)性能穩(wěn)定，必須把MCU技術(shù)和裝備配置的目的結(jié)合起來，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求編制相應(yīng)的軟件。比如，在智能醫(yī)用滅菌系統(tǒng)或生命信號監(jiān)控裝置的應(yīng)用中，采用MCU方案，必須根據(jù)實際情況，對相應(yīng)的線路和程序進(jìn)行功能的規(guī)劃，以保證系統(tǒng)的工作順利進(jìn)行，達(dá)到預(yù)期的配置目的。通過對有關(guān)的智能應(yīng)用進(jìn)行科學(xué)的規(guī)劃，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性能，并通過多組單片機(jī)的聯(lián)合控制實現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)的實時現(xiàn)實，在成本與運(yùn)行效率上為醫(yī)療活動提供最佳方案。

3智能化設(shè)備單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用邏輯與實踐——以教室智能照明為例

在智能照明系統(tǒng)中，單片機(jī)用于人體檢測、繼電器開關(guān)、通信等具體功能控制，中心處理器則提供信息的綜合運(yùn)算與指令發(fā)布，具體的技術(shù)應(yīng)用包括如下幾個方面。

3.1功能需求

教室照明系統(tǒng)需要按照教室的實際用光需求對其進(jìn)行功能設(shè)計，并達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)舒適度、節(jié)約能源的根本目的?；诤诵哪康模處熤悄苷彰飨到y(tǒng)有如下幾方面具體需求。

人員檢測功能：智能設(shè)備要對教室內(nèi)的人員活動進(jìn)行實時檢測，當(dāng)未檢測到人員活動時應(yīng)認(rèn)為教室處于空置狀態(tài)，需要對照明、通風(fēng)以及風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行及時斷電。同時，按區(qū)域?qū)⒔淌覂?nèi)的人員活動區(qū)域進(jìn)行劃分，實現(xiàn)按區(qū)域提供照明及風(fēng)扇的功能，以實現(xiàn)對能源的節(jié)約。

光線調(diào)節(jié)功能：光線調(diào)節(jié)除了對空置教室的光線進(jìn)行關(guān)閉，還應(yīng)該按照光線的需求對室內(nèi)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測，當(dāng)夏季白天室內(nèi)光強(qiáng)度較高時，應(yīng)該關(guān)閉照明電源，并空置窗簾系統(tǒng)對室內(nèi)光強(qiáng)度進(jìn)行降低。當(dāng)夜間或室外自然光強(qiáng)度不足時應(yīng)該按區(qū)域開啟照明設(shè)備對室內(nèi)光進(jìn)行補(bǔ)充，從而使得室內(nèi)光強(qiáng)度滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，并提高教室的舒適程度。

室溫檢測及調(diào)節(jié)功能：室內(nèi)溫度主要通過通風(fēng)與風(fēng)扇系統(tǒng)來進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能化設(shè)備要分區(qū)域?qū)κ覂?nèi)溫度進(jìn)行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果提供風(fēng)扇的啟停策略，按照教室的總體溫度情況啟動通風(fēng)換氣設(shè)備，以實現(xiàn)室內(nèi)空氣與溫度的控制。

3.2系統(tǒng)架構(gòu)

此智能化設(shè)備體系結(jié)構(gòu)主要包括單片機(jī)、傳感檢測及其他基本組件，其中基本結(jié)構(gòu)與具體的功能相關(guān)，包括燈光檢測、人體檢測、溫度檢測等（見圖2）。在此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，要著重于其基本的相關(guān)性和裝置的可實施性。在正常操作期間，要求按照對應(yīng)的感應(yīng)標(biāo)記進(jìn)行切換操作，并且每個標(biāo)記信息應(yīng)該與照明產(chǎn)物或者場景中其他種類的組件相聯(lián)系。在讀人基本標(biāo)識的基礎(chǔ)資料之后，由內(nèi)嵌的單片機(jī)按照軟件邏輯編制下一步的行動計劃，以達(dá)到繼電器的自動切換并實現(xiàn)對其他外部結(jié)構(gòu)單元的有效控制，最終實現(xiàn)高效執(zhí)行作業(yè)的目的。此電子裝置為高校的自習(xí)室等室內(nèi)環(huán)境而設(shè)計，它要求在人員分配或通過時，會有一個自動的切換并持續(xù)供電一定時間以保障在有人活動情況下的照明，并且使用熱釋電的身體檢測模塊來檢測房間里有無學(xué)生。用BISS單片機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，并將其送至對應(yīng)的模塊進(jìn)行辨識和判定，并利用光敏電阻器進(jìn)行信息對比，從而達(dá)到智能化的集成加工目的。另外，為了防止白天打開多余的照明設(shè)備，單片機(jī)還需要通過對室內(nèi)照明強(qiáng)度的檢測來對是否進(jìn)行額外照明進(jìn)行判斷與控制。

3.3軟件設(shè)計

在實際操作中，要把教室分成若干個基本的空間單元，并在單元內(nèi)部設(shè)置照明和溫控裝置。因為教室內(nèi)的溫度和光強(qiáng)的一致性相對較好，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)單一，可以將教室作為一個總體進(jìn)行同態(tài)布局，這樣就可以把它放在一個單獨(dú)的單片機(jī)上。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，應(yīng)確定燈光信號和風(fēng)扇信號的可變參數(shù)，并根據(jù)各空間單元的變化來確定燈光和風(fēng)扇設(shè)備是否開關(guān)。在軟件智能運(yùn)行的狀態(tài)下，要根據(jù)空間單元的工作環(huán)境，采用單片機(jī)進(jìn)行定時檢測。當(dāng)人數(shù)為0時，照明和溫控裝置會被關(guān)閉。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人的行為時，可以通過連接相關(guān)裝置來控制照明和室內(nèi)溫度，從而達(dá)到智慧管理的目的。經(jīng)過實際的設(shè)計和配置，證實了這種單片機(jī)在恒定目標(biāo)控制中能夠?qū)崿F(xiàn)智慧化的基本功能。但是，若需進(jìn)行多教室的協(xié)同，或根據(jù)人體與環(huán)境的互動關(guān)系進(jìn)行大范圍計算與判斷，則需在單片機(jī)之外附帶綜合芯片進(jìn)行智能化運(yùn)算并輸出固定參數(shù)以供單片機(jī)進(jìn)行執(zhí)行。此方式不僅可以探測到人體的運(yùn)動和光線狀況，而且可以按照現(xiàn)場的具體情況，有效地對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而節(jié)省能源，提升教室舒適度。同時，該方案將單片機(jī)與傳感器以及未來可能增加的綜合芯片進(jìn)行了有效聯(lián)合，對外只保留了一個繼電器切換的插孔，無論是在安裝方面還是在后續(xù)的運(yùn)行過程中均表現(xiàn)出方便快捷、制作成本低廉、配置經(jīng)濟(jì)等特征，可以應(yīng)用于大學(xué)的教室以及家庭的室內(nèi)場景等。

4結(jié)束語

本研究主要分為3個方面，其一是以中央處理器為對比對象，分析了在智能化設(shè)備中應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)的比較性優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)其在成本、穩(wěn)定性及研發(fā)成本上具有一定的優(yōu)點；其二是在家庭應(yīng)用、車載應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用以及語音應(yīng)用等4個方面展示了單片機(jī)技術(shù)在智能化設(shè)備中的主要應(yīng)用場景：其三是以室智能照明為例，系統(tǒng)探討了此設(shè)備從功能需求到系統(tǒng)架構(gòu)與軟件實現(xiàn)過程中的具體應(yīng)用方式，旨在為后續(xù)工作提供一定的參考。

作者簡介：

董英姿（1982—），本科，工程師，研究方向：電子信息技術(shù)。