單片機技術在智能電子產品中的應用

孫衛萍

(江蘇省東臺中等專業學校，江蘇鹽城，224200)

1 單片機技術概述

單片機是使用數字處理、微電子技術和集成技術進行融合而成的控制器，其集成了微處理器、計數器模塊、數據存儲器、通信模塊、I/O 接口模塊，甚至是模數轉換模塊等。根據處理速度的不同，單片機分為4、8、16、32 和64 位，依此類推，通常，具有64 位及更高版本的單片機也叫ARM。位值越高，其處理速度就越高。

1.1 單片機技術優勢

其主要有如下優勢：（1）單片機種類非常多，適應性廣：近年來，隨著單片機的快速發展，單片機的品牌和種類逐漸增多，并受到了市場的認可，應用范圍涉及到我們日常生活中的方方面面。大到航空航天，小到玩具，到處都有單片機的應用。比如以德州儀器的單片機廣泛用于工業生產，此外不同類型的單片機可以適應不同的應用環境，適應性非常廣。（2）單片機使用壽命長：隨著科學技術的發展，MPU 的更新頻率越來越快，新產品每隔半年到一年就會推出，與此同時單片機的使用壽命也大大增加。例如：老式單片機雖然已經出現了15 年以上，但是仍然可以見到它的身影。此外，隨著芯片技術的不斷進步，單片機還可以升級換代，并在各個領域得到更好的使用。可以看出，單片機更加穩定，使用壽命更長。（3）運算速度快：單片機是可編程的微型處理器，因此其運算速度快。此外，為了使單片機更好的發揮作用，在保證其性能的同時應不斷降低其運行時的噪聲水平以及時鐘頻率，如80MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機就很好的滿足了這一條件。既保證了時鐘頻率的降低而又不影響其正常工作，并且大大提高了其工作速度。（4）低噪音和高可靠性：在由單片機組成的電子系統中，單片機系統的核心是工作噪聲幾乎為零。且隨著科學技術的進步，新的方法不斷出現并被廣泛使用，從而生產出更低噪音和高可靠性的產品，并大大提高了電路的抗干擾能力。（5）單片機集成了多個控制模塊，如MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機：該單片機芯片是8 位CMOS 微處理器，具有低壓高性能的特點，并且芯片集成了4KB 只讀閃存程序存儲器、128 字節數據存儲器(RAM)以及I/O 端口、定時器/計數器，通信端口等模塊。因此，AT89C51 可以完全滿足探照燈控制系統的CPU 性能和內存要求。因此，本設計使用AT89C51 芯片。圖1 為MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機最小化系統。

圖1 MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機最小化系統

1.2 單片機在智能電子產品中的應用基礎

隨著社會發展，各種電子產品的使用和操作產生的數據總量繼續增長。只有在操作過程中執行了復雜的計算后，才能保證產品的有效操作和合理使用。因此，需要優化和改善傳統電子產品的操作和管理方式。單片機技術的應用利用收集，計算和存儲數據的功能，該數據附著在電子產品上的集成電路芯片上，以計算短時間內電子產品運行期間產生的數據，并發布算術指令，以實現電子產品的智能，快速控制和高速數據處理等功能。簡而言之，通過單片機技術的應用，電子產品的智能得到了提高。此外，單片機技術在使用壽命和運行效率方面也具有明顯的優勢，具有更長的使用壽命和更快的計算速度。而且單片機技術以集成電路，高度集成的各種功能模塊以及在各種單片機和自動化系統中配置的輔助控制系統為核心。

2 單片機技術在智能電子產品中的實際應用

2.1 單片機在機電硬件節能控制中的應用

通過單片機技術控制的機電硬件在工作過程中，操作員不需要對單片機有足夠的了解，只需要對單片機編程有一點了解。開發過程不會花費很長時間，設計和調試過程中的技術要求也不是很高，這使工作變得更容易，從而顯著提高了整體質量和效率。另外，硬件配套設施可以適應不同的情況，系統配置的各種組合形成具有不同功能的控制系統，且維修非常方便，可以在運行過程中執行自我診斷，以便及時消除故障。另外，系統本身的故障率不是很高，因此系統在運行中具有巨大的優勢。主要有以下優勢：（1）編程簡單、可用性強：單片機技術中使用的編程方法是梯形圖。該編程方法使用編程語言來實現各種控制功能，而且梯形圖中的線路也相對清晰。技術人員和單片機用戶都可以自己閱讀用戶手冊或簡短的教程可以快速掌握梯形圖編程控制程序，這種簡單易用的編程方法可以滿足不同用戶的需求。（2）可靠性高，抗干擾能力強：基于單片機技術的當前應用和生產，大規模集成電路技術得到了廣泛的應用并且具有相當高的可靠性。單片機可以實現在線編程，使生產過程發生了很大的變化，因此被廣泛應用于小批量生產和控制各種工業生產。作為微處理器控制硬件，單片機在內部結構的設計和制造中使用了大量的抗干擾組件，例如軟繼電器，警戒時鐘等軟件和屏蔽、濾波器、隔離等硬件。當工業硬件發生故障時，警戒時鐘會及時響應異常信息，使員工能夠及時保護和維修故障硬件。（3）功能完善，適用范圍廣：在單片機內部安裝了各種硬件，以實現邏輯運算、數據處理、驅動程序通信、人機對話、自動記錄和檢測等功能。它把各種簡單和復雜的功能集成在一起，可以控制生產硬件、生產過程和生產線以及各種系統。（4）減少設計和施工工作量：從單片機控制器的角度來看，應用存儲邏輯將先前的連接邏輯覆蓋。顯著減少了外部硬件的布線，縮短了系統構建周期，降低了設計復雜性，并簡化了硬件和軟件維護。通過以上改進不僅可以減少硬件安裝工作量，而且可以減少后續使用期間的檢測。這項工作大大減輕了工作量。

2.2 與人類語言交互時單片機的開發和使用

隨著人工智能的發展，語言交互式的語音處理芯片開始出現，但是這些芯片通常缺乏合成能力，即不具有智能特性。一些相對簡單的芯片只能實現簡單的播放功能，遠沒有達到預期的效果，并且其應用范圍有限。在當前開發智能語音的過程中，一些科學研究人員已經使用單片機來改善智能電子產品自動語音同步功能，這使得單片機在人際語言交互開發中取得了重大突破。基本設計原則包括軟件和硬件設計兩個主要方面。

2.3 單片機在舞臺探照燈智能調光(PWM）設計中的應用

探照燈在舞臺上廣泛的應用，探照燈效果也越來越好，也使人們的生活更加美好。在現代舞臺中，探照燈光強、色彩以及探照燈區域的控制和移動具有很大的靈活性，需要隨著舞臺場景變換與氣氛不斷變化，體現出舞臺燈光的藝術效果，已成為演出表演不可或缺的部分，市場價值極高。以下以MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機為例介紹該應用。在該系統中，其調控控制系統主要是應用MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機和PWM 實現調光設計。并實現了兩種控制方式，手動與自動。手動控制的原理是以輸出PWM 占空比控制LED 電流的大小，進入控制探照燈燈光亮度的調節，該設計需要ADC0832 模數轉換芯片實時監測光敏電阻兩側電壓的變化情況，且可以間接測量光強，并將其與預定閾值進行比較和分析，從而調節PWM 占空比控制電流，實現自動調光，圖2 所示為具體電路圖。

圖2 基于MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機的PWM 調光燈電路圖

（1）MCS-51 系列AT89C51 芯片單片機：包括單片機、電源、時鐘、復位和其他組件，以確保正常運行。在此基礎上，可以根據需要執行存儲器擴展、模數轉換和其他擴展，以實現執行更復雜的單片機功能的目標。時鐘信號由內/外部時鐘模式生成。復位電路使用上電復位和按鈕復位。其中，在上電復位電路模式下，如果Vcc 上升時間小于1ms，則可以在自動模式下工作。按鈕復位分為電平和脈沖兩種。還需要開發中斷系統，否則將花費時間進行常規查詢操作。

（2）驅動電路：三極管分為NPN 和PNP，本文以NPN 三極管為例來說明。①電流放大：三極管放大是Ic 由Ib 驅動(如果電源電流足夠大)，Ib 的小變化將導致Ic 的大變化。Ic的變化是Ib 的變化的倍數，這被稱為三極管放大。如果在基極和發射極之間加一個小的變化信號，則將導致Ib 的變化放大，引起Ic 較大變化。②偏置電路：在實際使用時，由于三極管BE 屬于非線性結構，需要輸入電壓達到一定水平后才會生成Ib，因此需要增加偏置電路。如果未施加偏置電流，則僅放大信號，而減小信號無效。添加偏置后，讓基極具有一定的電流。當Ib 變小時，Ic 減小；當Ib 增加時，Ic 增加。③工作狀態：如果使用LED 代替Rc，則當Ib=0 時，Ic=0，并且燈滅。如果Ib 較大，則三極管飽和，LED 點亮。如果緩慢增大Ib，則LED 亮度也會緩慢變量。

（3）手動控制電路：單片機按鍵通常分為獨立式和矩陣式。獨立式連接方法較為簡單，而且性能穩定，其連接方式是每個I/O 端口的一端都度量連接至單片機引腳，而另一端接地或者電源。因此，本文使用獨立式，首先將I/O 端口設置為高電平，如果不按鍵，則I/O 端口為高電平；當按下鍵，由于接地短路或者電源接通則I/O 端口變為低電平；再次釋放按鍵時，則電阻上拉I/O 端口又變回高電平。此外，消抖處理也非常重要，主要是由于鍵盤未按入鍵區時會出現電平不穩問題。可以使用兩種方法消抖：硬件排除和軟件故障。

（4）自動控制電路：光敏電阻器的光譜特點與可見光(0.4～0.76μm)非常接近，因此當光線強度可被人眼感知時，即會引起光敏電阻器阻值的變化。在該系統中，主要通過光敏電阻器的阻值變化進行分壓操作，通過ADC0832 對接收到的電壓值執行A/D 轉換，電阻采用10kΩ 可調電阻。

3 結束語

單片機在智能電子產品中的應用可以利用單片機的小尺寸，高集成度和高可靠性來提高電子產品的經濟性和整體功能。當前單片機發展主要朝著節能，減排和控制穩定性的方向發展，單片機技術的不斷發展也將為各個領域開辟廣闊的發展前景。