智能化電子產(chǎn)品中單片機技術(shù)的應(yīng)用研究

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

中圖法分類號：TP368 文獻標識碼：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行演進，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?；诖耍疚闹攸c探討智能化電子產(chǎn)品中單片機的具體應(yīng)用，旨在中心處理器與單片機的聯(lián)合應(yīng)用上提供必要的參考。

1智能化設(shè)備中單片機應(yīng)用的優(yōu)勢

計算機技術(shù)的不斷完善，智能設(shè)備功能日益強大，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手機在500毫安電池容量下往往能夠待機7天左右，而智能手機即使使用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)造了機會。從這一角度分析，單片機在智能化設(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，單片機的成本相對較低，最便宜的單片機成本甚至不足1元，這為單片機的大規(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大，進而對于系統(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)用場景的不斷擴展，中央處理器的穩(wěn)定性指標受到了嚴重的挑戰(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”甚至產(chǎn)生安全事故。單片機由于工藝相對簡單，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，單片機后續(xù)的檢測與維修門檻也相對較低，利用單片機進行智能化設(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)備中單片機技術(shù)應(yīng)用場景

2.1單片機在家庭智能化設(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)了當下的市場競爭環(huán)境。

2.2單片機在車載智能化設(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，如導航等需要利用車載計算機來完成，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。這種由單片機與車載計算機進行聯(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)布到不同的單片機前端，實現(xiàn)了能源及算力資源的高效調(diào)配。

2.3單片機在語音交互中的應(yīng)用

語音交互已經(jīng)成為智能化設(shè)備的“標配”，系統(tǒng)需要通過對人語言的識別與使用者進行交流或者執(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，其一是對語音進行數(shù)字語言的轉(zhuǎn)化；其二是對數(shù)字語言進行識別與判斷；其三是對語音指令進行執(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)運算，在當前的技術(shù)條件下需要構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進行實現(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來進行分布實現(xiàn)。利用單片機進行智能語音的布線，可以節(jié)省經(jīng)費，提升系統(tǒng)的反應(yīng)速度，以達到預(yù)期的目的。單片機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。當系統(tǒng)收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會進行數(shù)據(jù)的壓縮，然后按照事先準備好的編碼，對各種功能界面進行聯(lián)合運算，從而達到目的（見圖1）。

2.4單片機在醫(yī)學智能化設(shè)備中的應(yīng)用

利用智能組態(tài)的單片機對醫(yī)療設(shè)備的具體功能進行實現(xiàn)，能夠形成高穩(wěn)定性和高擴展性的比較性優(yōu)勢，進而可以廣泛應(yīng)用于各種智能系統(tǒng)，如醫(yī)學電子器件，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)的線路和程序進行功能的規(guī)劃，以保證系統(tǒng)的工作順利進行，達到預(yù)期的配置目的。通過對有關(guān)的智能應(yīng)用進行科學的規(guī)劃，可以充分發(fā)揮單片機的穩(wěn)定性與擴展性能，并通過多組單片機的聯(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行功能設(shè)計，并達到調(diào)節(jié)室內(nèi)舒適度、節(jié)約能源的根本目的。基于核心目的，教師智能照明系統(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)的人員活動進行實時檢測，當未檢測到人員活動時應(yīng)認為教室處于空置狀態(tài)，需要對照明、通風以及風扇系統(tǒng)進行及時斷電。同時，按區(qū)域?qū)⒔淌覂?nèi)的人員活動區(qū)域進行劃分，實現(xiàn)按區(qū)域提供照明及風扇的功能，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行關(guān)閉，還應(yīng)該按照光線的需求對室內(nèi)光強度進行檢測，當夏季白天室內(nèi)光強度較高時，應(yīng)該關(guān)閉照明電源，并空置窗簾系統(tǒng)對室內(nèi)光強度進行降低。當夜間或室外自然光強度不足時應(yīng)該按區(qū)域開啟照明設(shè)備對室內(nèi)光進行補充，從而使得室內(nèi)光強度滿足學生的學習需求，并提高教室的舒適程度。

室溫檢測及調(diào)節(jié)功能：室內(nèi)溫度主要通過通風與風扇系統(tǒng)來進行調(diào)節(jié)。智能化設(shè)備要分區(qū)域?qū)κ覂?nèi)溫度進行檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果提供風扇的啟停策略，按照教室的總體溫度情況啟動通風換氣設(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、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)標記進行切換操作，并且每個標記信息應(yīng)該與照明產(chǎn)物或者場景中其他種類的組件相聯(lián)系。在讀人基本標識的基礎(chǔ)資料之后，由內(nèi)嵌的單片機按照軟件邏輯編制下一步的行動計劃，以達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生。用BISS單片機對這些數(shù)據(jù)進行加工，并將其送至對應(yīng)的模塊進行辨識和判定，并利用光敏電阻器進行信息對比，從而達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，單片機還需要通過對室內(nèi)照明強度的檢測來對是否進行額外照明進行判斷與控制。

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行同態(tài)布局，這樣就可以把它放在一個單獨的單片機上。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，應(yīng)確定燈光信號和風扇信號的可變參數(shù)，并根據(jù)各空間單元的變化來確定燈光和風扇設(shè)備是否開關(guān)。在軟件智能運行的狀態(tài)下，要根據(jù)空間單元的工作環(huán)境，采用單片機進行定時檢測。當人數(shù)為0時，照明和溫控裝置會被關(guān)閉。當發(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，證實了這種單片機在恒定目標控制中能夠?qū)崿F(xiàn)智慧化的基本功能。但是，若需進行多教室的協(xié)同，或根據(jù)人體與環(huán)境的互動關(guān)系進行大范圍計算與判斷，則需在單片機之外附帶綜合芯片進行智能化運算并輸出固定參數(shù)以供單片機進行執(zhí)行。此方式不僅可以探測到人體的運動和光線狀況，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，該方案將單片機與傳感器以及未來可能增加的綜合芯片進行了有效聯(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)的運行過程中均表現(xiàn)出方便快捷、制作成本低廉、配置經(jīng)濟等特征，可以應(yīng)用于大學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)。