Microcontrollers zijn te vinden in verschillende apparaten, waaronder de auto die je rijdt, je computer, je smartphone en zelfs je koffiezetapparaat. Naarmate de vraag naar informatietechnologie en gegevensverzameling blijft stijgen, zijn microcontrollers essentieel geworden voor de moderne wereld. De microcontroller speelt een fundamentele rol in de technologische revolutie die de moderne wereld aanzienlijk heeft gevormd.
Microcontrollers zijn kleine, veelzijdige, betaalbare apparaten die met succes kunnen worden geïmplementeerd en geprogrammeerd, niet alleen door ervaren ingenieurs, maar ook door studenten, hobbyisten en professionals uit verschillende vakgebieden. De toepassingen van microcontrollers zijn eindeloos, met voorbeelden variërend van medische apparatuur en high-end consumentenelektronica tot luchtvaartsystemen en industriële apparaten.
Dit artikel heeft als doel essentiële kennis over microcontrollers te bieden die iedereen zou moeten weten. Blijf dus lezen om uw begrip van deze opmerkelijke apparaten te vergroten!
Wat is een microcontroller?
Een microcontroller, ook wel MCU genoemd, is een zeer veelzijdige geïntegreerde schakeling (IC) die wordt gebruikt om andere componenten van een elektronisch systeem te besturen. Ze zijn ontworpen om bepaalde taken uit te voeren en worden vaak gebruikt voor een specifieke toepassing. Een standaard microcontroller omvat een processor, geheugen en invoer/uitvoer (I/O) randapparatuur geïntegreerd in een enkele chip.
Apparaten, motorbesturingssystemen, elektrische gereedschappen en computers zijn voorbeelden van producten en apparaten die in bepaalde situaties automatisch moeten worden bestuurd. De toepassingen van microcontrollers reiken echter veel verder dan deze voorbeelden en omvatten een breed scala aan industrieën en sectoren.
In wezen is een microcontroller verantwoordelijk voor het verzamelen van invoer, het verwerken van deze informatie en het genereren van specifieke uitgangen op basis van de verzamelde informatie. Typisch werken microcontrollers op lage snelheden, variërend van 1MHz tot 200MHz, en moeten ze zo worden ontworpen dat ze minder energie verbruiken, aangezien ze zijn ingebed in andere apparaten die mogelijk een groter energieverbruik hebben in verschillende gebieden.
Soorten Microcontrollers
De veelvoorkomende types microcontrollers zijn:
- De Intel MCS-51 staat algemeen bekend als de 8051 microcontroller.
- De AVR-microcontroller
- De programmeerbare interfacecontroller (PIC)
Voordat je een microcontroller voor je project selecteert, zijn er verschillende factoren waar je rekening mee moet houden. Naast de kosten is het cruciaal om de maximale snelheid, de grootte van het RAM- of ROM-geheugen, het aantal of de types I/O-pinnen die beschikbaar zijn op een MCU, het energieverbruik, beperkingen en ontwikkelingsondersteuning in overweging te nemen.
De Kerncomponenten van een microcontroller
De basisstructuur van de microcontroller omvat verschillende componenten, en de kerncomponenten zijn:
- Centrale Verwerkings Eenheid (CPU): vaak aangeduid als de 'hersenen' van het apparaat, omdat het een cruciale rol speelt in de werking van een microcontroller. Het verwerkt en reageert op een breed scala aan instructies die de werking van de microcontroller effectief aansturen. Dit omvat het uitvoeren van complexe rekenkundige bewerkingen, het beheren van datastromen en het genereren van nauwkeurige controlesignalen volgens de instructies van de programmeur. Door een CPU te gebruiken, zijn alle componenten van de microcontroller verbonden met een bepaald systeem. Bovendien heeft de CPU de mogelijkheid om instructies op te halen en te decoderen die zijn opgehaald via het programmeerbare geheugen.
- Geheugen:het geheugen van een microcontroller wordt gebruikt om de gegevens op te slaan die de processor ontvangt, die vervolgens worden gebruikt om geprogrammeerde instructies uit te voeren.
Microcontrollers zijn ontworpen met een bepaalde RAM/ROM/flitsgeheugen capaciteit om de programmabroncode op te slaan. Het is belangrijk op te merken dat microcontrollergeheugen in twee verschillende types kan worden gecategoriseerd:
- Programgeheugen is verantwoordelijk voor het opslaan van langdurige informatie over de instructies die de CPU uitvoert. Programgeheugen is niet-vluchtig, wat betekent dat het informatie behoudt zonder een stroombron. Deze eigenschap stelt programgeheugen in staat om gegevens gedurende een langere periode te behouden.
- Geheugen voor gegevens verwijst naar vluchtig geheugen (d.w.z. RAM), dat dient als tijdelijke opslag tijdens het uitvoeren van instructies. Geheugen voor gegevens wordt vluchtig genoemd omdat gegevens verloren gaan wanneer de microcontroller geen stroom meer heeft.
- I/O Randapparatuur: I/O-perifere apparaten verwijzen eenvoudigweg naar de componenten die interfacing met de processor en het geheugen. Deze invoer- en uitvoerapparaten dienen als de interface tussen de processor en het externe systeem. De invoerpoorten ontvangen informatie en zenden deze als binaire gegevens naar de processor. De processor ontvangt vervolgens deze gegevens en stuurt de vereiste instructies naar uitvoerapparaten, die taken uitvoeren die extern zijn aan de microcontroller. Hoewel de CPU, het geheugen en de I/O-perifere apparaten de kerncomponenten van de microcontroller zijn, zijn er veel ondersteunende componenten van de microcontroller, en deze zijn:
- Analoge naar Digitale Converter (ADC): deze schakeling converteert analoge signalen naar digitale signalen. Microcontrollers kunnen communiceren met externe analoge apparaten, zoals sensoren, via hun processor.
- Digitale Analoog Converter (DAC) is de inverse van een ADC, waardoor de processor van de microcontroller zijn uitgaande signalen naar externe analoge apparaten kan verzenden.
- Systeembus: Deze verbindingsdraad verbindt alle microcontrollercomponenten met elkaar.
- Seriële Poort: Dit is een I/O-poort die verbinding mogelijk maakt tussen de microcontroller en externe componenten. Het functioneert op een vergelijkbare manier als USB- of parallelpoorten, maar verschilt in bituitwisseling.
Toepassingen van Microcontroller
Microcontrollers hebben uitgebreide toepassingen in verschillende industrieën en sectoren, waaronder in de woning en industrie, productie, verlichting, robotica, automotive, verlichting, slimme energie, industriële automatisering, communicatie en het internet.
Een bijzonder opmerkelijke toepassing van microcontrollers is het gebruik als digitale signaalprocessor. Vaak komen analoge signalen die worden ontvangen met een bepaalde mate van ruis, wat verwijst naar onzekere waarden die niet gemakkelijk kunnen worden vertaald naar standaard digitale waarden.
In dergelijke gevallen zijn microcontrollers van onschatbare waarde, omdat ze hun ADC- en DAC-functionaliteiten gebruiken om het binnenkomende ruisachtige analoge signaal om te zetten in een soepel en nauwkeurig digitaal signaal. Door de kracht van microcontrollers te benutten, kunnen industrieën effectief de uitdagingen aangaan die gepaard gaan met ruisachtige analoge signalen, wat zorgt voor nauwkeurige en betrouwbare gegevensverwerking.
Microcontrollers maken de soepele werking mogelijk van elektromechanische systemen die aanwezig zijn in verschillende alledaagse gebruiksvoorwerpen. Deze voorwerpen omvatten ovens, mobiele apparaten, koelkasten, broodroosters, televisies, videogame-systemen en tuinbewateringssystemen. Bovendien worden microcontrollers veel gebruikt in kantoormachines zoals fotokopieerapparaten, scanners, printers, faxmachines, geldautomaten en beveiligingssystemen.
Meer geavanceerde microcontrollers zijn cruciaal in verschillende domeinen, zoals vliegtuigen, voertuigen, ruimtevaartuigen, medische en levensondersteunende systemen, en robots. In de medische sector kunnen microcontrollers de werking van kunstmatige harten, nieren en andere vitale organen reguleren. Bovendien dragen ze aanzienlijk bij aan de naadloze werking van prothesetoestellen. Microcontrollers zijn essentiële componenten die de soepele werking en betrouwbaarheid van deze geavanceerde technologieën waarborgen.