Mikrokontrollereita löytyy erilaisista laitteista, mukaan lukien auto, jota ajat, tietokoneesi, älypuhelimesi ja jopa kahvinkeittimesi. Kun tietotekniikan ja tietojen keruun kysyntä jatkaa kasvuaan, mikrokontrollerit ovat tulleet olennaisiksi nykyaikaisessa maailmassa. Mikrokontrollerilla on keskeinen rooli teknologisessa vallankumouksessa, joka on merkittävästi muovannut nykyaikaista maailmaa.
Mikrokontrollerit ovat pieniä, monipuolisia ja edullisia laitteita, joita voivat menestyksekkäästi toteuttaa ja ohjelmoida ei vain kokeneet insinöörit, vaan myös opiskelijat, harrastajat ja ammattilaiset eri aloilta. Mikrokontrollerien sovellukset ovat loputtomat, esimerkkeinä lääketieteellisistä laitteista ja huipputason kulutuselektroniikasta avaruusjärjestelmiin ja teollisiin laitteisiin.
Tämän artikkelin tavoitteena on tarjota olennaista tietoa mikrokontrollereista, jotka kaikkien tulisi tietää. Jatka lukemista parantaaksesi ymmärrystäsi näistä huomattavista laitteista!
Mikä on mikrokontrolleri?
Mikrokontrolleri, jota kutsutaan myös MCU:ksi, on erittäin monipuolinen integroitu piiri (IC), jota käytetään muiden elektronisten järjestelmän komponenttien ohjaamiseen. Ne on suunniteltu toteuttamaan tiettyjä tehtäviä ja niitä käytetään yleisesti tietyssä sovelluksessa. Standardi mikrokontrolleri sisältää prosessorin, muistin ja syöttö-/lähtölaitteet (I/O) integroituina yhteen siruun.
Laitteet, auton moottorin ohjausjärjestelmät, sähkötyökalut ja tietokoneet ovat esimerkkejä tuotteista ja laitteista, joita on tarpeen ohjata automaattisesti tietyissä tilanteissa. Kuitenkin mikro-ohjaimien sovellukset ulottuvat paljon näiden esimerkkien ulkopuolelle, kattaen laajan valikoiman teollisuudenaloja ja sektoreita.
Periaatteessa mikrokontrolleri on vastuussa syötteen keräämisestä, tämän tiedon käsittelystä ja tietoon perustuvien erityisten tulosten tuottamisesta. Tyypillisesti mikrokontrollerit toimivat matalilla nopeuksilla, vaihdellen 1MHz:stä 200MHz:iin, ja niiden on oltava suunniteltu kuluttamaan vähemmän tehoa, koska ne on upotettu muihin laitteisiin, joilla saattaa olla suurempi energiankulutus eri alueilla.
Mikrokontrollerityypit
Yleisimmät mikro-ohjaintyypit ovat:
- Intel MCS-51 tunnetaan yleisesti 8051-mikrokontrollerina.
- AVR-mikrokontrolleri
- Ohjelmoitava liitäntäohjain (PIC)
Ennen mikro-ohjaimen valitsemista projektiisi, on useita tekijöitä, jotka sinun on pidettävä mielessä. Hintojen lisäksi on tärkeää ottaa huomioon maksimi nopeus, RAM- tai ROM-muistin koko, käytettävissä olevien I/O-pinnien määrä tai tyypit, virrankulutus, rajoitukset ja kehitystuki.
Mikrokontrollerin ydinkomponentit
Mikrokontrollerin perusrakenne sisältää erilaisia komponentteja, ja keskeiset komponentit ovat:
- Keskusyksikkö (CPU): usein kutsutaan laitteen "aivoiksi", koska se näyttelee keskeistä roolia mikro-ohjaimen toiminnassa. Se käsittelee ja reagoi laajaan valikoimaan ohjeita, jotka ohjaavat mikro-ohjaimen toimintaa tehokkaasti. Tämä sisältää monimutkaisten laskentatoimintojen suorittamisen, tietovirran hallinnan ja tarkkojen ohjaussignaalien tuottamisen ohjelmoijan ohjeiden mukaisesti. Käyttämällä CPU:ta kaikki mikro-ohjaimen komponentit on liitetty tiettyyn järjestelmään. Lisäksi CPU:lla on kyky noutaa ja purkaa ohjeita, jotka on noudettu ohjelmoitavasta muistista.
- Muisti:mikrokontrollerin muistiä käytetään tallentamaan tiedot, jotka prosessori vastaanottaa, ja joita käytetään sitten ohjelmoitujen ohjeiden suorittamiseen.
Mikrokontrollerit on suunniteltu tietyllä RAM/ROM/salamuistikapasiteetilla ohjelman lähdekoodin tallentamiseksi. On tärkeää huomata, että mikrokontrollerin muisti voidaan jakaa kahteen erilaiseen tyyppiin:
- Ohjelmistomuisti vastaa pitkäaikaisen tiedon tallentamisesta CPU:n suorittamista ohjeista. Ohjelmistomuisti on ei-volatile, mikä tarkoittaa, että se säilyttää tiedot ilman virtalähdettä. Tämä ominaisuus mahdollistaa ohjelmistomuistin tietojen säilyttämisen pitkän ajan kuluessa.
- Tietomuisti viittaa haihtuvaan muistiin (ts. RAM), joka toimii väliaikaisena tallennustilana suoritettavien ohjeiden aikana. Tietomuistia kutsutaan haihtuvaksi, koska tiedot katoavat, kun mikrokontrolleri menettää virran.
- I/O Lisälaitteet: I/O-liitännäiset viittaavat yksinkertaisesti komponentteihin, jotka ovat vuorovaikutuksessa prosessorin ja muistin kanssa. Nämä syöttö- ja tulostuslaitteet toimivat rajapintana prosessorin ja ulkoisen järjestelmän välillä. Syöttöportit vastaanottavat tietoa ja siirtävät sen prosessorille binaaritietona. Prosessori vastaanottaa tämän tiedon ja lähettää tarvittavat ohjeet tulostuslaitteille, jotka suorittavat tehtäviä mikro-ohjaimen ulkopuolella. Vaikka CPU, muisti ja I/O-liitännäiset ovat mikro-ohjaimen keskeiset osat, mikro-ohjaimella on myös monia tukikomponentteja, ja ne ovat:
- Analoginen digitaalimuunnin (ADC): tämä piiri muuntaa analogiset signaalit digitaalisiksi signaaleiksi. Mikrokontrollerit voivat liittää ulkoisiin analogisiin laitteisiin, kuten antureihin, prosessorinsa kautta.
- Digitaalinen analogimuunnin (DAC) on ADC:n käänteinen, joka mahdollistaa mikro-ohjaimen prosessorin lähettää ulkoisille analogisille laitteille sen lähtevät signaalit.
- Järjestelmäbussi: Tämä liitäntäjohto yhdistää kaikki mikrokontrollerin komponentit toisiinsa.
- Sarjaportti: Tämä on I/O-portti, joka mahdollistaa yhteyden mikro-ohjaimen ja ulkoisten komponenttien välillä. Se toimii samankaltaisesti kuin USB- tai rinnakkaisportit, mutta eroaa bittivaihdossa.
Mikrokontrollerin sovellukset
Mikrokontrollereilla on laaja käyttö eri teollisuudenaloilla ja sektoreilla, mukaan lukien kotona ja teollisuudessa, valmistuksessa, valaistuksessa, robotiikassa, autoteollisuudessa, valaistuksessa, älyenergian, teollisen automaation, viestinnän ja Internetin alueilla.
Yksi erityisen huomionarvoinen mikro-ohjaimen sovellus on sen käyttö digitaalisena signaaliprosessorina. Usein vastaanotetuissa analogisissa signaaleissa on tiettyä melua, joka viittaa epävarmoihin arvoihin, joita ei voida helposti muuntaa standardeiksi digitaalisiksi arvoiksi.
Tällaisissa tapauksissa mikrokontrollerit osoittautuvat korvaamattomiksi, sillä ne hyödyntävät ADC- ja DAC-toimintojaan muuttaakseen saapuvan meluisan analogisen signaalin sujuvaksi ja tarkaksi digitaaliseksi signaaliksi. Hyödyntämällä mikrokontrollerien tehoa teollisuudet voivat tehokkaasti kohdata meluisista analogisista signaaleista aiheutuvat haasteet, varmistaen tarkan ja luotettavan tietojenkäsittelyn.
Mikrokontrollerit mahdollistavat sähkömekaanisten järjestelmien sujuvan toiminnan erilaisissa jokapäiväisissä mukavuustuotteissa. Näihin tuotteisiin kuuluvat uunit, mobiililaitteet, jääkaapit, paahtimet, televisiot, videopelijärjestelmät ja nurmikon kastelujärjestelmät. Lisäksi mikrokontrollereita käytetään laajasti toimistokoneissa, kuten kopiokoneissa, skannereissa, tulostimissa, faksikoneissa, pankkiautomaateissa ja turvajärjestelmissä.
Kehittyneemmät mikrokontrollerit ovat kriittisiä eri aloilla, kuten lentokoneissa, ajoneuvoissa, avaruusaluksissa, lääketieteellisissä ja elintoimintojärjestelmissä sekä roboteissa. Lääketieteen alalla mikrokontrollerit voivat säädellä keinotekoisten sydänten, munuaisten ja muiden elintärkeiden elinten toimintaa. Lisäksi ne vaikuttavat merkittävästi proteesilaitteiden saumattomaan toimintaan. Mikrokontrollerit ovat olennaisia komponentteja, jotka varmistavat näiden kehittyneiden teknologioiden sujuvan toiminnan ja luotettavuuden.