智能化电子产品中单片机技术的应用研究

关键词：智能化；单片机；技术优势；应用场景

中图法分类号：TP368 文献标识码：A

随着芯片技术的不断提升，综合芯片在智能化电子产品中的应用越来越普遍。此应用模式使得智能化设备向着中心化算力需求进行演进，一方面可以支撑智能化设备实现更高的功能效率：另一方面存在能耗增高、成本增加、稳定性降低等问题。基于此，本文重点探讨智能化电子产品中单片机的具体应用，旨在中心处理器与单片机的联合应用上提供必要的参考。

1智能化设备中单片机应用的优势

计算机技术的不断完善，智能设备功能日益强大，但是同样带来了成本提高、稳定性下降、能耗增加的问题，如传统2G手机在500毫安电池容量下往往能够待机7天左右，而智能手机即使使用5000毫安电池也往往只能够坚持一天。与此同时，不同场景下对于智能设备的功能需求并不相同，往往存在大量的“低端”或单一的智能需求，这为单片机持续在智能设备中发挥不可替代的作用创造了机会。从这一角度分析，单片机在智能化设备中的应用至少具有如下3方面优势。

1.1成本优势

中央处理器由于生产工艺复杂、提供的算力强大等特征，成本一直很难实现有效的控制。以低端处理器5800为例，其工业采购的售价在100元左右，基于此进行的智能化设备开发成本往往相对较高，并不适宜于大规模推广与布置。与之相比，单片机的成本相对较低，最便宜的单片机成本甚至不足1元，这为单片机的大规模应用提供了可能，厂商能够利用更低的成本实现最多产品的智能化改造，用户也能够用低廉的成本实现生活场景的智能化体系构建。

1.2稳定优势

中央处理器由于算力强大，进而对于系统稳定性的要求相对较高，除了自身生产工艺而造成的应用局限外，对于外部环境也较为敏感，如振动、温度、撞击、空气湿度、电压等均能够影响中央处理器的使用寿命与计算精度。而随着智能化应用场景的不断扩展，中央处理器的稳定性指标受到了严重的挑战，如在车载环境下，长期的颠簸状态容易造成中央处理器的“死机”甚至产生安全事故。单片机由于工艺相对简单，容错率较高，对于外部环境的敏感性相对较差，进而在大范围使用后依旧可以保持较高的稳定性。

1.3开发门槛低

单片机作为一种成熟技术，无论是在开发、烤制还是在后续的功能扩展上均累积了大量的实践经验，这些经验使得基于单片机的智能化设备开发门槛相对较低，企业能够在投入更少的研发成本上推出全新的智能化产品，并促进市场产品迭代，也客观上提高了企业研发与应用的积极性。与此同时，单片机后续的检测与维修门槛也相对较低，利用单片机进行智能化设备的研发能够卷入更多的就业人员，形成更大规模的市场良性循环。

2智能化设备中单片机技术应用场景

2.1单片机在家庭智能化设备中的应用

智能家电中通过集成单片机实现的智能解决方案对于家庭、室内等特殊场合的使用有着很好的优势。在实际的设计中，将模块结构与微处理器相结合，利用微处理器进行功能设计与实现，使得电子器件脱离了常规的局限，能够形成与人的互动以及在参数设置下的自动化运行，相较于其他设计方式，其可以降低系统的使用难度，简化内部线路，利用较低的成本实现复杂设计函数在一个集中的线路运行的目的，从商业开发的角度上也降低了研发的门槛，使得产品推陈出新与迭代的速率明显加快，适应了当下的市场竞争环境。

2.2单片机在车载智能化设备中的应用

车辆智能设备越来越多的在车辆设计中得到使用，其中较为复杂的功能，如导航等需要利用车载计算机来完成，但对于部分单一功能的实现，如车载空调的控制、倒车影像、倒视镜自动折叠等功能依旧有单片机的用武之地。系统利用微处理器实现了车载智能装置的多种基本功能，如全球定位导航、低级别辅助驾驶、主动安全监测等。通过汽车上的感应器，可以采集周围环境的数据，并把数据集中到ECU的计算机或者CPU上。相对于常规的设计，它更适合于苛刻的工作环境，并且能够在低功率的情况下保持完全的工作性能。这种由单片机与车载计算机进行联合配合应用的方式是大部分车企在车载智能化设备中的主要实现思路。一方面能够利用单片机提高整体智能设备的稳定性：另一方面还能够将功能由中心發布到不同的单片机前端，实现了能源及算力资源的高效调配。

2.3单片机在语音交互中的应用

语音交互已经成为智能化设备的“标配”，系统需要通过对人语言的识别与使用者进行交流或者执行相关的指令。从具体的技术流程上来看，语音交互包括3个基本流程，其一是对语音进行数字语言的转化；其二是对数字语言进行识别与判断；其三是对语音指令进行执行。其中，数字语言的逻辑判断以及内容分析属于高阶层的函数运算，在当前的技术条件下需要构建神经网络来进行实现，故而需要CPU的算力支撑。但第一流程与第三流程则可以采用单片机来进行分布实现。利用单片机进行智能语音的布线，可以节省经费，提升系统的反应速度，以达到预期的目的。单片机采用基本的波形编码技术，可以实现语音采集、信息整合和内容识别等基本功能。当系统收到相应的数据时，系统会进行数据的压缩，然后按照事先准备好的编码，对各种功能界面进行联合运算，从而达到目的（见图1）。

2.4单片机在医学智能化设备中的应用

利用智能组态的单片机对医疗设备的具体功能进行实现，能够形成高稳定性和高扩展性的比较性优势，进而可以广泛应用于各种智能系统，如医学电子器件，血液检测部件、生命体征监控部件等。在具体的配置过程中，为确保系统性能稳定，必须把MCU技术和装备配置的目的结合起来，根据系统的功能要求编制相应的软件。比如，在智能医用灭菌系统或生命信号监控装置的应用中，采用MCU方案，必须根据实际情况，对相应的线路和程序进行功能的规划，以保证系统的工作顺利进行，达到预期的配置目的。通过对有关的智能应用进行科学的规划，可以充分发挥单片机的稳定性与扩展性能，并通过多组单片机的联合控制实现多维度数据的实时现实，在成本与运行效率上为医疗活动提供最佳方案。

3智能化设备单片机技术的应用逻辑与实践——以教室智能照明为例

在智能照明系统中，单片机用于人体检测、继电器开关、通信等具体功能控制，中心处理器则提供信息的综合运算与指令发布，具体的技术应用包括如下几个方面。

3.1功能需求

教室照明系统需要按照教室的实际用光需求对其进行功能设计，并达到调节室内舒适度、节约能源的根本目的。基于核心目的，教师智能照明系统有如下几方面具体需求。

人员检测功能：智能设备要对教室内的人员活动进行实时检测，当未检测到人员活动时应认为教室处于空置状态，需要对照明、通风以及风扇系統进行及时断电。同时，按区域将教室内的人员活动区域进行划分，实现按区域提供照明及风扇的功能，以实现对能源的节约。

光线调节功能：光线调节除了对空置教室的光线进行关闭，还应该按照光线的需求对室内光强度进行检测，当夏季白天室内光强度较高时，应该关闭照明电源，并空置窗帘系统对室内光强度进行降低。当夜间或室外自然光强度不足时应该按区域开启照明设备对室内光进行补充，从而使得室内光强度满足学生的学习需求，并提高教室的舒适程度。

室温检测及调节功能：室内温度主要通过通风与风扇系统来进行调节。智能化设备要分区域对室内温度进行检测，并根据检测结果提供风扇的启停策略，按照教室的总体温度情况启动通风换气设备，以实现室内空气与温度的控制。

3.2系统架构

此智能化设备体系结构主要包括单片机、传感检测及其他基本组件，其中基本结构与具体的功能相关，包括灯光检测、人体检测、温度检测等（见图2）。在此基础结构的设计中，要着重于其基本的相关性和装置的可实施性。在正常操作期间，要求按照对应的感应标记进行切换操作，并且每个标记信息应该与照明产物或者场景中其他种类的组件相联系。在读人基本标识的基础资料之后，由内嵌的单片机按照软件逻辑编制下一步的行动计划，以达到继电器的自动切换并实现对其他外部结构单元的有效控制，最终实现高效执行作业的目的。此电子装置为高校的自习室等室内环境而设计，它要求在人员分配或通过时，会有一个自动的切换并持续供电一定时间以保障在有人活动情况下的照明，并且使用热释电的身体检测模块来检测房间里有无学生。用BISS单片机对这些数据进行加工，并将其送至对应的模块进行辨识和判定，并利用光敏电阻器进行信息对比，从而达到智能化的集成加工目的。另外，为了防止白天打开多余的照明设备，单片机还需要通过对室内照明强度的检测来对是否进行额外照明进行判断与控制。

3.3软件设计

在实际操作中，要把教室分成若干个基本的空间单元，并在单元内部设置照明和温控装置。因为教室内的温度和光强的一致性相对较好，内部空间结构单一，可以将教室作为一个总体进行同态布局，这样就可以把它放在一个单独的单片机上。

在系统的软件设计中，应确定灯光信号和风扇信号的可变参数，并根据各空间单元的变化来确定灯光和风扇设备是否开关。在软件智能运行的状态下，要根据空间单元的工作环境，采用单片机进行定时检测。当人数为0时，照明和温控装置会被关闭。当发现有人的行为时，可以通过连接相关装置来控制照明和室内温度，从而达到智慧管理的目的。经过实际的设计和配置，证实了这种单片机在恒定目标控制中能够实现智慧化的基本功能。但是，若需进行多教室的协同，或根据人体与环境的互动关系进行大范围计算与判断，则需在单片机之外附带综合芯片进行智能化运算并输出固定参数以供单片机进行执行。此方式不仅可以探测到人体的运动和光线状况，而且可以按照现场的具体情况，有效地对其进行调节，从而节省能源，提升教室舒适度。同时，该方案将单片机与传感器以及未来可能增加的综合芯片进行了有效联合，对外只保留了一个继电器切换的插孔，无论是在安装方面还是在后续的运行过程中均表现出方便快捷、制作成本低廉、配置经济等特征，可以应用于大学的教室以及家庭的室内场景等。

4结束语

本研究主要分为3个方面，其一是以中央处理器为对比对象，分析了在智能化设备中应用单片机技术的比较性优势，发现其在成本、稳定性及研发成本上具有一定的优点；其二是在家庭应用、车载应用、医疗应用以及语音应用等4个方面展示了单片机技术在智能化设备中的主要应用场景：其三是以室智能照明为例，系统探讨了此设备从功能需求到系统架构与软件实现过程中的具体应用方式，旨在为后续工作提供一定的参考。

作者简介：

董英姿（1982—），本科，工程师，研究方向：电子信息技术。