Mikrokontrolery znajdują się w różnych urządzeniach, w tym w samochodzie, który prowadzisz, komputer, smartfon, a nawet maszynę do kawy. W miarę wzrostu zapotrzebowania na technologię informacyjną i gromadzenie danych, mikrokontrolery stały się integralną częścią współczesnego świata. Mikrokontroler odgrywa fundamentalną rolę w rewolucji technologicznej, która znacznie ukształtowała współczesny świat.
Mikrokontrolery są małe, wszechstronne, niedrogie urządzenia, które można skutecznie wdrożyć i zaprogramować nie tylko doświadczonych inżynierów, ale także przez studentów, hobbystów i profesjonalistów z różnych dziedzin. Zastosowania mikrokontrolera są nieograniczone, z przykładami, od sprzętu medycznego i wysokiej klasy elektroniki konsumpcyjnej po systemy lotnicze i urządzenia przemysłowe.
Ten artykuł ma na celu dostarczenie niezbędnej wiedzy na temat mikrokontrolerów, które wszyscy powinni wiedzieć. Czytaj dalej, aby zwiększyć zrozumienie tych niezwykłych urządzeń!
Co to jest mikrokontroler?
Mikrokontroler, zwany również MCU, jest wysoce wszechstronnym zintegrowanym obwodem (IC) stosowanym do kontrolowania innych komponentów układu elektronicznego. Są one zaprojektowane do wdrażania niektórych zadań i są powszechnie używane do określonej aplikacji. Standardowy mikrokontroler obejmuje urządzenia procesora, pamięci i wejściowe/wyjściowe (I/O) zintegrowane z pojedynczym układem.
Urządzenia, systemy sterowania silnikiem samochodowym, elektronarzędzi i komputery to przykłady produktów i urządzeń, które należy automatycznie kontrolować w niektórych sytuacjach. Jednak zastosowania mikrokontrolerów wykraczają daleko poza te przykłady, obejmując szeroki wachlarz branż i sektorów.
Zasadniczo mikrokontroler jest odpowiedzialny za gromadzenie danych wejściowych, przetwarzanie tych informacji i generowanie określonych wyników na podstawie zebranych informacji. Zazwyczaj mikrokontrolery działają przy niskich prędkościach, od 1 MHz do 200 MHz i muszą być zaprojektowane tak, aby spożywać mniej energii, ponieważ są osadzone w innych urządzeniach, które mogą mieć większe zużycie energii w różnych obszarach.
Rodzaje mikrokontrolerów
Typowe typy mikrokontrolerów to:
- Intel MCS-51 jest powszechnie znany jako mikrokontroler 8051.
- Mikrokontroler AVR
- Programowalny kontroler interfejsu (PIC)
Przed wybraniem mikrokontrolera do projektu istnieje kilka czynników, o których należy pamiętać. Oprócz kosztów kluczowe jest rozważenie maksymalnej prędkości, wielkości pamięci RAM lub pamięci ROM, liczby lub rodzajów pinów we/wy dostępnych na MCU, zużyciu energii, ograniczeniach i wsparciu rozwoju.
Podstawowe elementy mikrokontrolera
Podstawowa struktura mikrokontrolera obejmuje różne komponenty, a podstawowe elementy to:
- Centralna jednostka przetwarzania (CPU): Często określany jako „mózg” urządzenia, ponieważ odgrywa on kluczową rolę w funkcjonowaniu mikrokontrolera. Przetwarza i reaguje na szeroki zakres instrukcji, które skutecznie kierują działaniem mikrokontrolera. Obejmuje to wykonywanie złożonych operacji arytmetycznych, zarządzanie przepływem danych i generowanie precyzyjnych sygnałów sterowania zgodnie z instrukcjami programisty. Za pomocą CPU wszystkie elementy mikrokontrolera są podłączone do określonego systemu. Ponadto procesor ma możliwość pobierania i dekodowania instrukcji pobieranych przez programowalną pamięć.
- Pamięć:Pamięć mikrokontrolera służy do zapisywania danych, które odbiera procesor, który jest następnie używany do wykonywania zaprogramowanych instrukcji.
Mikrokontrolery są zaprojektowane z pewną pojemnością pamięci RAM/ROM/Flash do przechowywania kodu źródłowego programu. Należy zauważyć, że pamięć mikrokontrolera można podzielić na dwa odrębne typy:
- Pamięć programu jest odpowiedzialna za przechowywanie długoterminowych informacji o instrukcjach wykonanych przez procesor. Pamięć programu jest nieulotna, co oznacza, że zachowuje informacje bez źródła zasilania. Ta cecha pozwala pamięci programu zachować dane w dłuższym okresie.
- Pamięć danych odnosi się do pamięci lotnej (tj. RAM), która służy jako tymczasowa pamięć podczas wykonywania instrukcji wykonania. Pamięć danych jest nazywana, ponieważ dane są tracone, gdy mikrokontroler traci moc.
- Peryferyjne we/wy: Peryferyjki we/wy odnoszą się po prostu do komponentów, które łączą się z procesorem i pamięcią. Te urządzenia wejściowe i wyjściowe służą jako interfejs między procesorem a systemem zewnętrznym. Porty wejściowe odbierają informacje i przesyłają je do procesora jako dane binarne. Następnie procesor odbiera te dane i wysyła wymagane instrukcje do urządzeń wyjściowych, które wykonują zadania zewnętrzne do mikrokontrolera. Chociaż urządzenia procesora, pamięci i we/wy są podstawowymi elementami mikrokontrolera, istnieje wiele elementów podtrzymujących mikrokontrolera i są:
- Analog do cyfrowego konwertera (ADC): Ten obwód przekształca sygnały analogowe w sygnały cyfrowe. Mikrokontrolery mogą łączyć się z zewnętrznymi urządzeniami analogowymi, takimi jak czujniki, za pośrednictwem swojego procesora.
- Digital Analog Converter (DAC) to odwrotność ADC, umożliwiając procesor mikrokontrolera przesyłanie jego wychodzących sygnałów do zewnętrznych urządzeń analogowych.
- System Bus: Ten przewód łączny łączy wszystkie elementy mikrokontrolera ze sobą.
- Port szeregowy: Jest to port we/wy, który umożliwia połączenie między mikrokontrolerem a komponentami zewnętrznymi. Działa podobnie do portów USB lub równoległych, ale różni się w wymianie bitów.
Zastosowania mikrokontrolera
Mikrokontrolery mają obszerne zastosowania w wielu branżach i sektorach, w tym w domu i branży, produkcji, oświetleniu, robotyce, motoryzacyjnej, oświetleniu, inteligentnej energii, automatyzacji przemysłowej, komunikacji i Internecie.
Jedną szczególnie godną uwagi aplikacją mikrokontrolera jest jej zastosowanie jako cyfrowy procesor sygnału. Często otrzymywane sygnały analogowe są wyposażone w pewien stopień szumu, który odnosi się do niepewnych wartości, których nie można łatwo przełożyć na standardowe wartości cyfrowe.
W takich przypadkach mikrokontrolery okazują się nieocenione, ponieważ stosują swoje funkcje ADC i DAC do konwersji przychodzącego hałaśliwego sygnału analogowego w płynny i precyzyjny sygnał cyfrowy. Wykorzystując siłę mikrokontrolerów, branże mogą skutecznie stawić czoła wyzwaniom stawianym przez hałaśliwe sygnały analogowe, zapewniając dokładne i niezawodne przetwarzanie danych.
Mikrokontrolery umożliwiają płynne działanie systemów elektromechanicznych obecnych w różnych codziennych elementach wygody. Elementy te obejmują piekarniki, urządzenia mobilne, lodówki, tostery, telewizory, systemy gier wideo i systemy podlewania trawników. Ponadto mikrokontrolery są szeroko stosowane w maszynach biurowych, takich jak kserokopierze, skanery, drukarki, faksy, bankomaty i systemy bezpieczeństwa.
Bardziej wyrafinowane mikrokontrolery mają kluczowe znaczenie w różnych domenach, takich jak samoloty, pojazdy, statek kosmiczny, systemy medyczne i podmieszczone życie oraz roboty. W dziedzinie medycyny mikrokontrolery mogą regulować działalność sztucznych serc, nerek i innych ważnych narządów. Ponadto znacząco przyczyniają się do bezproblemowego funkcjonowania urządzeń protetycznych. Mikrokontrolery są niezbędnymi komponentami, które zapewniają płynne działanie i niezawodność zaawansowanych technologii.