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

中圖法分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)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(shí)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(wèn)題。基于此，本文重點(diǎn)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(shì)

計(jì)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(lái)了成本提高、穩(wěn)定性下降、能耗增加的問(wèn)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(jiān)持一天。與此同時(shí)，不同場(chǎng)景下對(duì)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(huì)。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(shì)。

1.1成本優(yōu)勢(shì)

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(shí)現(xiàn)有效的控制。以低端處理器5800為例，其工業(yè)采購(gòu)的售價(jià)在100元左右，基于此進(jìn)行的智能化設(shè)備開(kāi)發(fā)成本往往相對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)生活場(chǎng)景的智能化體系構(gòu)建。

1.2穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)

中央處理器由于算力強(qiáng)大，進(jìn)而對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求相對(duì)較高，除了自身生產(chǎn)工藝而造成的應(yīng)用局限外，對(duì)于外部環(huán)境也較為敏感，如振動(dòng)、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(jì)算精度。而隨著智能化應(yīng)用場(chǎng)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(zhǎng)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(duì)簡(jiǎn)單，容錯(cuò)率較高，對(duì)于外部環(huán)境的敏感性相對(duì)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(kāi)發(fā)門檻低

單片機(jī)作為一種成熟技術(shù)，無(wú)論是在開(kāi)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)使得基于單片機(jī)的智能化設(shè)備開(kāi)發(fā)門檻相對(duì)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(chǎng)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(shí)，單片機(jī)后續(xù)的檢測(cè)與維修門檻也相對(duì)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(chǎng)良性循環(huán)。

2智能化設(shè)備中單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)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(guò)集成單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能解決方案對(duì)于家庭、室內(nèi)等特殊場(chǎng)合的使用有著很好的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際的設(shè)計(jì)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(jì)與實(shí)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(dòng)以及在參數(shù)設(shè)置下的自動(dòng)化運(yùn)行，相較于其他設(shè)計(jì)方式，其可以降低系統(tǒng)的使用難度，簡(jiǎn)化內(nèi)部線路，利用較低的成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)函數(shù)在一個(gè)集中的線路運(yùn)行的目的，從商業(yè)開(kāi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(lái)越多的在車輛設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)來(lái)完成，但對(duì)于部分單一功能的實(shí)現(xiàn)，如車載空調(diào)的控制、倒車影像、倒視鏡自動(dòng)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(shí)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(jí)別輔助駕駛、主動(dòng)安全監(jiān)測(cè)等。通過(guò)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(jì)算機(jī)或者CPU上。相對(duì)于常規(guī)的設(shè)計(jì)，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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)了能源及算力資源的高效調(diào)配。

2.3單片機(jī)在語(yǔ)音交互中的應(yīng)用

語(yǔ)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(guò)對(duì)人語(yǔ)言的識(shí)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(lái)看，語(yǔ)音交互包括3個(gè)基本流程，其一是對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)言的轉(zhuǎn)化；其二是對(duì)數(shù)字語(yǔ)言進(jìn)行識(shí)別與判斷；其三是對(duì)語(yǔ)音指令進(jìn)行執(zhí)行。其中，數(shù)字語(yǔ)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(lái)進(jìn)行實(shí)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(lái)進(jìn)行分布實(shí)現(xiàn)。利用單片機(jī)進(jìn)行智能語(yǔ)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(shí)現(xiàn)語(yǔ)音采集、信息整合和內(nèi)容識(shí)別等基本功能。當(dāng)系統(tǒng)收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的壓縮，然后按照事先準(zhǔn)備好的編碼，對(duì)各種功能界面進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)算，從而達(dá)到目的（見(jiàn)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(duì)醫(yī)療設(shè)備的具體功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，能夠形成高穩(wěn)定性和高擴(kuò)展性的比較性優(yōu)勢(shì)，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(cè)部件、生命體征監(jiān)控部件等。在具體的配置過(guò)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(lái)，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(hào)監(jiān)控裝置的應(yīng)用中，采用MCU方案，必須根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)多組單片機(jī)的聯(lián)合控制實(shí)現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)現(xiàn)實(shí)，在成本與運(yùn)行效率上為醫(yī)療活動(dòng)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(shí)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(cè)、繼電器開(kāi)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(gè)方面。

3.1功能需求

教室照明系統(tǒng)需要按照教室的實(shí)際用光需求對(duì)其進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，并達(dá)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(cè)功能：智能設(shè)備要對(duì)教室內(nèi)的人員活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)未檢測(cè)到人員活動(dòng)時(shí)應(yīng)認(rèn)為教室處于空置狀態(tài)，需要對(duì)照明、通風(fēng)以及風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)斷電。同時(shí)，按區(qū)域?qū)⒔淌覂?nèi)的人員活動(dòng)區(qū)域進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)按區(qū)域提供照明及風(fēng)扇的功能，以實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的節(jié)約。

光線調(diào)節(jié)功能：光線調(diào)節(jié)除了對(duì)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(duì)室內(nèi)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)夏季白天室內(nèi)光強(qiáng)度較高時(shí)，應(yīng)該關(guān)閉照明電源，并空置窗簾系統(tǒng)對(duì)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(shí)應(yīng)該按區(qū)域開(kāi)啟照明設(shè)備對(duì)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(cè)及調(diào)節(jié)功能：室內(nèi)溫度主要通過(guò)通風(fēng)與風(fēng)扇系統(tǒng)來(lái)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(cè)，并根據(jù)檢測(cè)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(dòng)通風(fēng)換氣設(shè)備，以實(shí)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(cè)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(cè)、人體檢測(cè)、溫度檢測(cè)等（見(jiàn)圖2）。在此基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，要著重于其基本的相關(guān)性和裝置的可實(shí)施性。在正常操作期間，要求按照對(duì)應(yīng)的感應(yīng)標(biāo)記進(jìn)行切換操作，并且每個(gè)標(biāo)記信息應(yīng)該與照明產(chǎn)物或者場(chǎng)景中其他種類的組件相聯(lián)系。在讀人基本標(biāo)識(shí)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(dòng)計(jì)劃，以達(dá)到繼電器的自動(dòng)切換并實(shí)現(xiàn)對(duì)其他外部結(jié)構(gòu)單元的有效控制，最終實(shí)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(jì)，它要求在人員分配或通過(guò)時(shí)，會(huì)有一個(gè)自動(dòng)的切換并持續(xù)供電一定時(shí)間以保障在有人活動(dòng)情況下的照明，并且使用熱釋電的身體檢測(cè)模塊來(lái)檢測(cè)房間里有無(wú)學(xué)生。用BISS單片機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行加工，并將其送至對(duì)應(yīng)的模塊進(jìn)行辨識(shí)和判定，并利用光敏電阻器進(jìn)行信息對(duì)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(kāi)多余的照明設(shè)備，單片機(jī)還需要通過(guò)對(duì)室內(nèi)照明強(qiáng)度的檢測(cè)來(lái)對(duì)是否進(jìn)行額外照明進(jìn)行判斷與控制。

3.3軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際操作中，要把教室分成若干個(gè)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?yàn)榻淌覂?nèi)的溫度和光強(qiáng)的一致性相對(duì)較好，內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)單一，可以將教室作為一個(gè)總體進(jìn)行同態(tài)布局，這樣就可以把它放在一個(gè)單獨(dú)的單片機(jī)上。

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，應(yīng)確定燈光信號(hào)和風(fēng)扇信號(hào)的可變參數(shù)，并根據(jù)各空間單元的變化來(lái)確定燈光和風(fēng)扇設(shè)備是否開(kāi)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(shí)檢測(cè)。當(dāng)人數(shù)為0時(shí)，照明和溫控裝置會(huì)被關(guān)閉。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有人的行為時(shí)，可以通過(guò)連接相關(guān)裝置來(lái)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(guò)實(shí)際的設(shè)計(jì)和配置，證實(shí)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(dòng)關(guān)系進(jìn)行大范圍計(jì)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(cè)到人體的運(yùn)動(dòng)和光線狀況，而且可以按照現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，有效地對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而節(jié)省能源，提升教室舒適度。同時(shí)，該方案將單片機(jī)與傳感器以及未來(lái)可能增加的綜合芯片進(jìn)行了有效聯(lián)合，對(duì)外只保留了一個(gè)繼電器切換的插孔，無(wú)論是在安裝方面還是在后續(xù)的運(yùn)行過(guò)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(chǎng)景等。

4結(jié)束語(yǔ)

本研究主要分為3個(gè)方面，其一是以中央處理器為對(duì)比對(duì)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(shì)，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(diǎn)；其二是在家庭應(yīng)用、車載應(yīng)用、醫(yī)療應(yīng)用以及語(yǔ)音應(yīng)用等4個(gè)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)過(guò)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(jiǎn)介：

董英姿（1982—），本科，工程師，研究方向：電子信息技術(shù)。