智能化電子產品中單片機技術的應用研究

關鍵詞：智能化；單片機；技術優勢；應用場景

中圖法分類號：TP368 文獻標識碼：A

隨著芯片技術的不斷提升，綜合芯片在智能化電子產品中的應用越來越普遍。此應用模式使得智能化設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備實現更高的功能效率：另一方面存在能耗增高、成本增加、穩定性降低等問題。基于此，本文重點探討智能化電子產品中單片機的具體應用，旨在中心處理器與單片機的聯合應用上提供必要的參考。

1智能化設備中單片機應用的優勢

計算機技術的不斷完善，智能設備功能日益強大，但是同樣帶來了成本提高、穩定性下降、能耗增加的問題，如傳統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，這為單片機持續在智能設備中發揮不可替代的作用創造了機會。從這一角度分析，單片機在智能化設備中的應用至少具有如下3方面優勢。

1.1成本優勢

中央處理器由于生產工藝復雜、提供的算力強大等特征，成本一直很難實現有效的控制。以低端處理器5800為例，其工業采購的售價在100元左右，基于此進行的智能化設備開發成本往往相對較高，并不適宜于大規模推廣與布置。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，這為單片機的大規模應用提供了可能，廠商能夠利用更低的成本實現最多產品的智能化改造，用戶也能夠用低廉的成本實現生活場景的智能化體系構建。

1.2穩定優勢

中央處理器由于算力強大，進而對于系統穩定性的要求相對較高，除了自身生產工藝而造成的應用局限外，對于外部環境也較為敏感，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。而隨著智能化應用場景的不斷擴展，中央處理器的穩定性指標受到了嚴重的挑戰，如在車載環境下，長期的顛簸狀態容易造成中央處理器的“死機”甚至產生安全事故。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定性。

1.3開發門檻低

單片機作為一種成熟技術，無論是在開發、烤制還是在后續的功能擴展上均累積了大量的實踐經驗，這些經驗使得基于單片機的智能化設備開發門檻相對較低，企業能夠在投入更少的研發成本上推出全新的智能化產品，并促進市場產品迭代，也客觀上提高了企業研發與應用的積極性。與此同時，單片機后續的檢測與維修門檻也相對較低，利用單片機進行智能化設備的研發能夠卷入更多的就業人員，形成更大規模的市場良性循環。

2智能化設備中單片機技術應用場景

2.1單片機在家庭智能化設備中的應用

智能家電中通過集成單片機實現的智能解決方案對于家庭、室內等特殊場合的使用有著很好的優勢。在實際的設計中，將模塊結構與微處理器相結合，利用微處理器進行功能設計與實現，使得電子器件脫離了常規的局限，能夠形成與人的互動以及在參數設置下的自動化運行，相較于其他設計方式，其可以降低系統的使用難度，簡化內部線路，利用較低的成本實現復雜設計函數在一個集中的線路運行的目的，從商業開發的角度上也降低了研發的門檻，使得產品推陳出新與迭代的速率明顯加快，適應了當下的市場競爭環境。

2.2單片機在車載智能化設備中的應用

車輛智能設備越來越多的在車輛設計中得到使用，其中較為復雜的功能，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，如車載空調的控制、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。系統利用微處理器實現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、主動安全監測等。通過汽車上的感應器，可以采集周圍環境的數據，并把數據集中到ECU的計算機或者CPU上。相對于常規的設計，它更適合于苛刻的工作環境，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合配合應用的方式是大部分車企在車載智能化設備中的主要實現思路。一方面能夠利用單片機提高整體智能設備的穩定性：另一方面還能夠將功能由中心發布到不同的單片機前端，實現了能源及算力資源的高效調配。

2.3單片機在語音交互中的應用

語音交互已經成為智能化設備的“標配”，系統需要通過對人語言的識別與使用者進行交流或者執行相關的指令。從具體的技術流程上來看，語音交互包括3個基本流程，其一是對語音進行數字語言的轉化；其二是對數字語言進行識別與判斷；其三是對語音指令進行執行。其中，數字語言的邏輯判斷以及內容分析屬于高階層的函數運算，在當前的技術條件下需要構建神經網絡來進行實現，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。利用單片機進行智能語音的布線，可以節省經費，提升系統的反應速度，以達到預期的目的。單片機采用基本的波形編碼技術，可以實現語音采集、信息整合和內容識別等基本功能。當系統收到相應的數據時，系統會進行數據的壓縮，然后按照事先準備好的編碼，對各種功能界面進行聯合運算，從而達到目的（見圖1）。

2.4單片機在醫學智能化設備中的應用

利用智能組態的單片機對醫療設備的具體功能進行實現，能夠形成高穩定性和高擴展性的比較性優勢，進而可以廣泛應用于各種智能系統，如醫學電子器件，血液檢測部件、生命體征監控部件等。在具體的配置過程中，為確保系統性能穩定，必須把MCU技術和裝備配置的目的結合起來，根據系統的功能要求編制相應的軟件。比如，在智能醫用滅菌系統或生命信號監控裝置的應用中，采用MCU方案，必須根據實際情況，對相應的線路和程序進行功能的規劃，以保證系統的工作順利進行，達到預期的配置目的。通過對有關的智能應用進行科學的規劃，可以充分發揮單片機的穩定性與擴展性能，并通過多組單片機的聯合控制實現多維度數據的實時現實，在成本與運行效率上為醫療活動提供最佳方案。

3智能化設備單片機技術的應用邏輯與實踐——以教室智能照明為例

在智能照明系統中，單片機用于人體檢測、繼電器開關、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布，具體的技術應用包括如下幾個方面。

3.1功能需求

教室照明系統需要按照教室的實際用光需求對其進行功能設計，并達到調節室內舒適度、節約能源的根本目的。基于核心目的，教師智能照明系統有如下幾方面具體需求。

人員檢測功能：智能設備要對教室內的人員活動進行實時檢測，當未檢測到人員活動時應認為教室處于空置狀態，需要對照明、通風以及風扇系統進行及時斷電。同時，按區域將教室內的人員活動區域進行劃分，實現按區域提供照明及風扇的功能，以實現對能源的節約。

光線調節功能：光線調節除了對空置教室的光線進行關閉，還應該按照光線的需求對室內光強度進行檢測，當夏季白天室內光強度較高時，應該關閉照明電源，并空置窗簾系統對室內光強度進行降低。當夜間或室外自然光強度不足時應該按區域開啟照明設備對室內光進行補充，從而使得室內光強度滿足學生的學習需求，并提高教室的舒適程度。

室溫檢測及調節功能：室內溫度主要通過通風與風扇系統來進行調節。智能化設備要分區域對室內溫度進行檢測，并根據檢測結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備，以實現室內空氣與溫度的控制。

3.2系統架構

此智能化設備體系結構主要包括單片機、傳感檢測及其他基本組件，其中基本結構與具體的功能相關，包括燈光檢測、人體檢測、溫度檢測等（見圖2）。在此基礎結構的設計中，要著重于其基本的相關性和裝置的可實施性。在正常操作期間，要求按照對應的感應標記進行切換操作，并且每個標記信息應該與照明產物或者場景中其他種類的組件相聯系。在讀人基本標識的基礎資料之后，由內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對其他外部結構單元的有效控制，最終實現高效執行作業的目的。此電子裝置為高校的自習室等室內環境而設計，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單片機對這些數據進行加工，并將其送至對應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備，單片機還需要通過對室內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，并在單元內部設置照明和溫控裝置。因為教室內的溫度和光強的一致性相對較好，內部空間結構單一，可以將教室作為一個總體進行同態布局，這樣就可以把它放在一個單獨的單片機上。

在系統的軟件設計中，應確定燈光信號和風扇信號的可變參數，并根據各空間單元的變化來確定燈光和風扇設備是否開關。在軟件智能運行的狀態下，要根據空間單元的工作環境，采用單片機進行定時檢測。當人數為0時，照明和溫控裝置會被關閉。當發現有人的行為時，可以通過連接相關裝置來控制照明和室內溫度，從而達到智慧管理的目的。經過實際的設計和配置，證實了這種單片機在恒定目標控制中能夠實現智慧化的基本功能。但是，若需進行多教室的協同，或根據人體與環境的互動關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以供單片機進行執行。此方式不僅可以探測到人體的運動和光線狀況，而且可以按照現場的具體情況，有效地對其進行調節，從而節省能源，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的運行過程中均表現出方便快捷、制作成本低廉、配置經濟等特征，可以應用于大學的教室以及家庭的室內場景等。

4結束語

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，分析了在智能化設備中應用單片機技術的比較性優勢，發現其在成本、穩定性及研發成本上具有一定的優點；其二是在家庭應用、車載應用、醫療應用以及語音應用等4個方面展示了單片機技術在智能化設備中的主要應用場景：其三是以室智能照明為例，系統探討了此設備從功能需求到系統架構與軟件實現過程中的具體應用方式，旨在為后續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。