2021年电力电子科普征文大赛-三等奖作品

上海海事大学 彭茂轩

大脑，是我们人体的一个重要的器官，我们所有的主观感受均由此产生。

而对于电子产品，芯片，就是它们的“大脑”。本文的主角，小到我们手腕上面的手环，大到航空航天设备，都有他的身影，他就是单片机。这里笔者会带领大家从单片机的背景故事开始讲解。

为什么叫做单片机

我们生活中常见的计算机都符合冯·诺依曼计算机模型，也就是包含了 5 大部件：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。台式机包含以上部件后体积庞大，极为不便携，更不用说满足工业生产需求。更为重要的，一般情况下我们工业生产中不需要算力特别高的处理器以及容量极大存储器，更不需要给我们一个小小的自动化机器接入键盘和鼠标。那么，就让计算机尽可能地“小”吧！

工程师们绞尽脑汁思考后，将 5 大部件全放到了一个指甲盖大小的芯片上面， 这就是我们的单片机。单片机不需要特别厉害的算力，也用不着很大的容量存储空 间，只需要完成一条条控制指令去操作设备完成任务就可以了。许多单片机的大小 甚至不如我们电脑里 CPU，但却能顺利执行一条条指令，你说厉害吧？

单片机是一种集成电路芯片。

它是采用超大规模集成电路技术把许多功能电路集成到一块小小的硅片上面。麻雀虽小，但五脏俱全，单片机构成的小而完善的微型计算机系统，在控制领域有诸多应用。

单片机的优点有很多。

其中，性价比高、价格低廉、拓展能力强的特点让它更够在我们日常生活中频频出现。比如，我们熟知的运动手环常常在健康、运动监测方面应用广泛，功能强大。而主流手环的价格通常在 300 元之内，为什么手环价格能够这般亲民呢？

正是因为科技公司选用了合适的单片机作为手环各个功能控制组件的“大脑”， 手环才能在享受长续航的便捷同时，也能拥有出色的健康监测功能，此外，价格也更为便宜。

它体积小、功耗低、控制能力出色的特点让它在诸多领域有巨大的用武之地。

我们还是用刚刚提到的运动手环作为例子。现在我国有的手机厂商设计的手环，在满足 24 小时心率监测和睡眠监测的情况下，充满一次电能够用长达 15 天左右的时间，倘若我们在关闭部分功能的情况下进行佩戴，手环的续航能力甚至能延长至一个月！另一方面，我们查看商品信息可以看到手环电池的容量是相当小的，手环在较小的电池容量下能够保持如此长的续航时间，由此可见，手环的功耗是经过工程师严格把控的，其控制部分的单片机也是在保证能够完成数据处理的情况下，尽可能地减小电能损耗。单片机的体积相当小，这一点我们能够从手环体积很小这个特点上看出。此外，我们还应在此基础上考虑散热问题，表面积小的物体散热能力必然不比表面积大的。

单片机卓越的控制能力与性价比在工业生产方面大受欢迎。在我们工业自动化生产里面，许多自动控制环节、流水线作业都使用了各种各样的单片机进行控制。单片机的驱动能力强，当前主流的单片机算力足以应付大部分工业控制的需求。

单片机在物流分拣中发挥着巨大作用，我举几个例子。

这是一个简单的四轮驱动小车，通过简单的改造，比如加上拉杆或者支架，便可以完成货物的搬运，从而实现极大减轻工作人员的体力负担这一目的。而这台“分量十足”的小车是如何实现从“停车待机”到“自动匀速巡线”，在到达目标点还能“自己停车”的呢？控制小车这些行为的正是他的大脑——单片机。

这是一些同学制作的简易起重搬运机器，它能够提起箱子并放在指定地点。而这些齿轮传动机构、木质框架、电机是如何协调配合在一起，并完成自动搬运工作的呢？

没错，这项“演出”的导演正是单片机。单片机作为它的大脑，不仅仅可以让它的“四肢”活动起来，还可以让它“认清楚”该搬运哪一个箱子。通过我们的摄像头，单片机能接收到外设传递回来的信号，就像眼睛看到东西后，会给大脑一个“信号”。单片机经过一系列处理后，会给其他外设一个“指令信号”，从而实现了大脑对四肢的控制，即单片机对电机等外设的控制，实现了自动化操作：识别箱子对应的图案以及颜色，抓取箱子，并且整体向前移动，进行排序并且放到指定地点。

到了这里，你应该对单片机的强大控制能力有了初步的认识了吧？