Mikrocontroller sind in verschiedenen Geräten zu finden, darunter in Ihrem Auto, Ihrem Computer, Ihrem Smartphone und sogar Ihrer Kaffeemaschine. Da die Nachfrage nach Informationstechnologie und Datenerfassung weiter steigt, sind Mikrocontroller aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Der Mikrocontroller spielt eine grundlegende Rolle in der technologischen Revolution, die die moderne Welt maßgeblich geprägt hat.
Mikrocontroller sind kleine, vielseitige und kostengünstige Geräte, die nicht nur von erfahrenen Ingenieuren, sondern auch von Studenten, Bastlern und Fachleuten aus verschiedenen Bereichen erfolgreich implementiert und programmiert werden können. Die Anwendungsgebiete von Mikrocontrollern sind endlos und reichen von medizinischen Geräten und hochwertiger Unterhaltungselektronik bis hin zu Luft- und Raumfahrtsystemen und Industriegeräten.
Dieser Artikel soll grundlegendes Wissen über Mikrocontroller vermitteln, das jeder kennen sollte. Lesen Sie also weiter, um Ihr Verständnis dieser bemerkenswerten Geräte zu verbessern!
Was ist ein Mikrocontroller?
Ein Mikrocontroller, auch MCU genannt, ist ein äußerst vielseitiger integrierter Schaltkreis (IC), der zur Steuerung anderer Komponenten eines elektronischen Systems verwendet wird. Sie sind für die Implementierung bestimmter Aufgaben konzipiert und werden üblicherweise für eine bestimmte Anwendung verwendet. Ein Standard-Mikrocontroller umfasst einen Prozessor, Speicher und Eingabe-/Ausgabe-Peripheriegeräte (I/O), die in einem einzigen Chip integriert sind.
Haushaltsgeräte, Motorsteuerungssysteme für Autos, Elektrowerkzeuge und Computer sind Beispiele für Produkte und Geräte, die in bestimmten Situationen automatisch gesteuert werden müssen. Die Anwendungsgebiete von Mikrocontrollern gehen jedoch weit über diese Beispiele hinaus und umfassen eine breite Palette von Branchen und Sektoren.
Im Wesentlichen ist ein Mikrocontroller dafür verantwortlich, Eingaben zu sammeln, diese Informationen zu verarbeiten und auf der Grundlage der gesammelten Informationen spezifische Ausgaben zu generieren. Normalerweise arbeiten Mikrocontroller mit niedrigen Geschwindigkeiten von 1 MHz bis 200 MHz und müssen so konzipiert sein, dass sie weniger Strom verbrauchen, da sie in andere Geräte eingebettet sind, die in anderen Bereichen möglicherweise mehr Strom verbrauchen.
Arten von Mikrocontrollern
Die gängigen Mikrocontrollertypen sind:
- Der Intel MCS-51 ist allgemein als 8051-Mikrocontroller bekannt.
- Der AVR-Mikrocontroller
- Der programmierbare Schnittstellencontroller (PIC)
Bevor Sie einen Mikrocontroller für Ihr Projekt auswählen, müssen Sie mehrere Faktoren berücksichtigen. Neben den Kosten müssen Sie unbedingt die maximale Geschwindigkeit, die RAM- oder ROM-Speichergröße, die Anzahl oder Typen der auf einem MCU verfügbaren I/O-Pins, den Stromverbrauch, Einschränkungen und die Entwicklungsunterstützung berücksichtigen.
Die Kernkomponenten eines Mikrocontrollers
Die Grundstruktur des Mikrocontrollers umfasst verschiedene Komponenten. Die Kernkomponenten sind:
- Zentrale Verarbeitungseinheit (CPU): Wird oft als das „Gehirn“ des Geräts bezeichnet, da sie eine entscheidende Rolle bei der Funktion eines Mikrocontrollers spielt. Sie verarbeitet und reagiert auf eine Vielzahl von Anweisungen, die den Betrieb des Mikrocontrollers effektiv steuern. Dazu gehört das Ausführen komplexer Rechenoperationen, das Verwalten des Datenflusses und das Generieren präziser Steuersignale gemäß den Anweisungen des Programmierers. Durch die Verwendung einer CPU werden alle Komponenten des Mikrocontrollers mit einem bestimmten System verbunden. Darüber hinaus kann die CPU Anweisungen abrufen und dekodieren, die über den programmierbaren Speicher abgerufen werden.
- Speicher: Der Speicher eines Mikrocontrollers dient zum Speichern der vom Prozessor empfangenen Daten, die dann zum Ausführen programmierter Anweisungen verwendet werden.
Mikrocontroller verfügen über eine bestimmte RAM-/ROM-/Flash-Speicherkapazität zum Speichern des Programmquellcodes. Es ist wichtig zu beachten, dass der Speicher von Mikrocontrollern in zwei verschiedene Typen unterteilt werden kann:
- Der Programmspeicher ist für die langfristige Speicherung von Informationen über die von der CPU ausgeführten Anweisungen verantwortlich. Der Programmspeicher ist nichtflüchtig, d. h. er speichert Informationen ohne Stromquelle. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Programmspeicher, Daten über einen längeren Zeitraum hinweg zu bewahren.
- Datenspeicher bezieht sich auf flüchtigen Speicher (d. h. RAM), der als temporärer Speicher während der Ausführung von Anweisungen dient. Datenspeicher wird als flüchtig bezeichnet, weil Daten verloren gehen, wenn der Mikrocontroller keinen Strom mehr hat.
- I/O-Peripheriegeräte: I/O-Peripheriegeräte sind einfach die Komponenten, die mit dem Prozessor und dem Speicher kommunizieren. Diese Eingabe- und Ausgabegeräte dienen als Schnittstelle zwischen dem Prozessor und dem externen System. Die Eingabeports empfangen Informationen und übertragen sie als Binärdaten an den Prozessor. Der Prozessor empfängt diese Daten und sendet die erforderlichen Anweisungen an Ausgabegeräte, die Aufgaben außerhalb des Mikrocontrollers ausführen. Obwohl CPU, Speicher und I/O-Peripheriegeräte die Kernelemente des Mikrocontrollers sind, gibt es viele unterstützende Komponenten des Mikrocontrollers, und zwar:
- Analog-Digital-Umsetzer (ADC): Dieser Schaltkreis wandelt analoge Signale in digitale Signale um. Mikrocontroller können über seinen Prozessor mit externen analogen Geräten wie Sensoren kommunizieren.
- Der Digital-Analog-Umsetzer (DAC) ist das Gegenteil eines ADC und ermöglicht dem Prozessor des Mikrocontrollers, seine ausgehenden Signale an externe analoge Geräte zu übertragen.
- Systembus: Dieses Verbindungskabel verbindet alle Mikrocontrollerkomponenten miteinander.
- Serieller Anschluss: Dies ist ein E/A-Anschluss, der die Verbindung zwischen dem Mikrocontroller und externen Komponenten ermöglicht. Er funktioniert ähnlich wie USB- oder Parallelanschlüsse, unterscheidet sich jedoch beim Bitaustausch.
Anwendungen von Mikrocontrollern
Mikrocontroller finden in zahlreichen Branchen und Sektoren breite Anwendung, unter anderem in den Bereichen Haushalt und Industrie, Fertigung, Beleuchtung, Robotik, Automobilindustrie, Beleuchtung, intelligente Energie, industrielle Automatisierung, Kommunikation und Internet.
Eine besonders bemerkenswerte Anwendung von Mikrocontrollern ist der Einsatz als digitaler Signalprozessor. Häufig sind die empfangenen analogen Signale mit einem gewissen Grad an Rauschen behaftet. Dabei handelt es sich um unsichere Werte, die nicht einfach in standardmäßige digitale Werte übersetzt werden können.
In solchen Fällen erweisen sich Mikrocontroller als unschätzbar wertvoll, da sie ihre ADC- und DAC-Funktionen nutzen, um das eingehende verrauschte Analogsignal in ein gleichmäßiges und präzises Digitalsignal umzuwandeln. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit von Mikrocontrollern können Branchen die Herausforderungen, die durch verrauschte Analogsignale entstehen, effektiv bewältigen und eine genaue und zuverlässige Datenverarbeitung gewährleisten.
Mikrocontroller ermöglichen den reibungslosen Betrieb elektromechanischer Systeme in verschiedenen Alltagsgegenständen. Zu diesen Gegenständen gehören Öfen, Mobilgeräte, Kühlschränke, Toaster, Fernseher, Videospielsysteme und Rasenbewässerungssysteme. Darüber hinaus werden Mikrocontroller häufig in Büromaschinen wie Fotokopierern, Scannern, Druckern, Faxgeräten, Geldautomaten und Sicherheitssystemen verwendet.
Anspruchsvollere Mikrocontroller sind in verschiedenen Bereichen von entscheidender Bedeutung, beispielsweise in Flugzeugen, Fahrzeugen, Raumfahrzeugen, medizinischen und lebenserhaltenden Systemen sowie Robotern. Im medizinischen Bereich können Mikrocontroller die Funktion künstlicher Herzen, Nieren und anderer lebenswichtiger Organe regeln. Darüber hinaus tragen sie wesentlich zum reibungslosen Funktionieren von Prothesen bei. Mikrocontroller sind wesentliche Komponenten, die den reibungslosen Betrieb und die Zuverlässigkeit dieser fortschrittlichen Technologien gewährleisten.