Что_такое_микроконтроллер_и_зачем_он_нужен

Что_такое_микроконтроллер_и_зачем_он_нужен

Для чего нужен микроконтроллер?

Микроконтроллеры внешне похожи на маленькие микросхемы. На их кристалле выполнена сборка своеобразного микрокомпьютера. Это значит, что в устройство корпуса одной микросхемы вмонтировали память, процессор и периферийные устройства, которые взаимодействуют друг с другом, с внешними устройствами, и работают под руководством особой микропрограммы, хранящейся внутри корпуса.

Для чего нужен микроконтроллер?

Микроконтроллеры предназначены для управления разными электронными приборами и устройствами. Они используются не только в компьютерах, но и в различной бытовой технике , в роботах на производстве, в телевизорах, в оборонной промышленности.

Микроконтроллер является универсальным инструментом, с помощью которого осуществляется управление различной электроникой. При этом алгоритм управляющих команд человек закладывает в них самостоятельно, и может менять его в любое время, в зависимости от ситуации.

Устройство микроконтроллера

Сегодня выпускается много разных видов форм и серий микроконтроллеров, но их сфера использования, назначение и принцип работы одинаков.

Внутри корпуса микроконтроллера находятся основные элементы всей его структуры. Существует три класса таких устройств: 8, 16 и 32-разрядные. Из них 8-разрядные модели имеют малую производительность. Она достаточна для решения простых задач управления объектами. 16-разрядные микроконтроллеры – модернизированные 8-разрядные.

Они имеют расширенную систему команд. 32-разрядные устройства включают в себя высокоэффективный процессор общего назначения. Они используются для управления сложными объектами.

  1. Арифметико-логическое устройство служит для производства логических и арифметических операций, выполняет работу процессора совместно с регистрами общего назначения.
  2. Оперативно запоминающее устройство служит для временного хранения информации во время функционирования микроконтроллера.
  3. Память программ является одним из основных структурных элементов. Она основана на постоянном запоминающем устройстве с возможностью перепрограммирования, и служит для сохранения микропрограммы управления работой микроконтроллером. Она называется прошивкой. Ее пишет сам разработчик устройства. Изначально в памяти программ завод изготовитель ничего не закладывает, и там нет никаких данных. Прошивку с помощью программатора разработчик устройства записывает внутрь.
  4. Память данных используется в некоторых моделях микроконтроллеров для записи различных постоянных величин, табличных данных и т.д. Эта память имеется не во всех микроконтроллерах.
  5. Для связи с внешними устройствами существуют порты ввода-вывода. Их также используют для подключения внешней памяти, различных датчиков, исполнительных устройств, светодиодов, индикаторов. Интерфейсы портов ввода-вывода разнообразны: параллельные, последовательные, оборудованные USB выходами, WI FI. Это расширяет возможности применения микроконтроллеров для различных сфер управления.
  6. Аналого-цифровой преобразователь требуется для введения аналогового сигнала на вход микроконтроллера. Его задачей является преобразование сигнала из аналогового вида в цифровой.
  7. Аналоговый компаратор служит для выполнения сравнения двух сигналов аналогового вида на входах.
  8. Таймеры используются для выполнения установки диапазонов и задержки времени в функционировании микроконтроллера.
  9. Цифро-аналоговый преобразователь исполняет обратную работу по преобразованию из цифрового сигнала в аналоговый.
  10. Действие микроконтроллера синхронизируется с генератором тактовыми импульсами при помощью блока синхронизации, который работает совместно с микропрограммой. Генератор тактовых импульсов может быть как внутренним, так и внешним, то есть, тактовые импульсы могут подаваться с постороннего устройства.

В результате микроконтроллеры можно назвать электронными конструкторами. На их основе можно создать любое управляющее устройство. С помощью программ можно подключать или отключать составные элементы, находящиеся внутри, задавать свой порядок действий этих элементов.

Микроконтроллеры и их применение

Сфера их использования постоянно расширяется. Микроконтроллеры применяются в различных механизмах и устройствах. Основными областями их применения являются:

  • Авиационная промышленность.
  • Робототехника.
  • Промышленное оборудование.
  • Железнодорожный транспорт.
  • Автомобили.
  • Электронные детские игрушки.
  • Автоматические шлагбаумы.
  • Светофоры.
  • Компьютерная техника.
  • Автомагнитолы.
  • Электронные музыкальные инструменты.
  • Средства связи.
  • Системы управления лифтами.
  • Медицинское оборудование.
  • Бытовая техника.

В качестве примера можно рассмотреть использование микроконтроллеров в автомобильной электронике. В некоторых автомобилях Пежо встроено 27 различных микроконтроллеров. В элитных моделях БМВ применяется более 60 таких устройств. Они контролируют жесткость подвески, впрыск топлива, работу приборов освещения, стеклоочистителей, стеклоподъемников и других механизмов.

Читайте также:  Сорта_роз_устойчивых_к_дождю

Советы по выбору

При разработке цифровой системы требуется сделать правильную модель микроконтроллера. Главной целью является подбор недорого контроллера для уменьшения общей стоимости всей системы. Однако, необходимо, чтобы он соответствовал специфике системы, требованиям надежности, производительности и условиям использования.

Основными факторами подбора микроконтроллера являются:

  • Способность работы с прикладной системой. Возможность реализации этой системы на однокристальном микроконтроллере, или на специализированной микросхеме.
  • Наличие в микроконтроллере необходимого количества портов, контактов, так как при их нехватке он не будет способен выполнить задачу, а если будут лишние порты, то стоимость будет завышена.
  • Наличие необходимых устройств периферии: различных преобразователей, интерфейсов связи.
  • Наличие других вспомогательных устройств, ненужных для работы, из-за которых повышается стоимость.
  • Сможет ли ядро контроллера обеспечить требуемую производительность: мощность вычислений, дающую возможность обработки запросов системы на определенном прикладном языке программирования.
  • Имеется ли в проекте бюджета достаточно финансов, чтобы применять дорогостоящий микроконтроллер. Если он не подходит по цене, то остальные вопросы не имеют смысла, и разработчик должен искать другой микроконтроллер.
  • Доступность. В этот фактор входят следующие пункты:

• Нужное количество.
• Выпускается ли в настоящее время.
• Наличие поддержки разработчика.
• Наличие языков программирования, внутрисхемных эмуляторов, средств отладки и компиляторов.

  • Информационная поддержка, включающая в себя:

• Связь с профессиональными специалистами.
• Квалификация персонала, и их заинтересованность в помощи и решении проблем.
• Примеры текстов программ.
• Программы и бесплатные ассемблеры.
• Сообщения об ошибочных действиях.
• Примеры использования.

  • Надежность завода изготовителя. В этот фактор входит:

• Период работы по этой теме.
• Качество изделий, надежность изготовления.
• Профессиональная компетентность, подтвержденная научными разработками.

Области применения AVR микроконтроллеров, для чего использовать микроконтроллер

Рассмотрим области применения разных семейств AVR микроконтроллеров, попробуем поразмышлять какие устройства для дома, производства и просто для развлечения можно сделать на основе AVR микроконтроллеров. Зная сферы применения этих умных микросхем гораздо интереснее и более захватывающе будет их изучение.

Применение микроконтроллеров

Так зачем же нужны микроконтроллеры фирмы ATMEL и где они применяются? — приведем по несколько примеров для семейств, а потом включим смекалку и поразмышляем что можно полезного смастерить на AVR чипах.

Миниатюрные микроконтроллеры AVR семейства "tiny" используются для построения следующих устройств:

  • электронные игрушки;
  • различные датчики в автомобильной промышленности;
  • детекторы дыма и пламени, датчики температур, измерители разных величин;
  • недорогие зарядные устройства, индикаторы напряжения и тока;
  • пульты управления для разнообразной бытовой и промышленной техники;
  • другие не дорогие и миниатюрные электронные устройства.

Рис. 1. Микроконтроллеры AVR семейства "tiny".

Чипы семейства "mega", "xmega" и 32-bit AVR применяются в более сложных устройствах:

  • робототехника;
  • спутниковые навигационные системы;
  • функциональные разрядно-зарядные устройства с программированием;
  • сложные дистанционные системы управления;
  • сетевые устройства;
  • быстродействующие системы для передачи и обработки данных;
  • сложная бытовая техника;
  • устройства ввода и отображения информации с тач-скринами(Touch-screen);
  • другие многофункциональные устройства.

Рис. 2. AVR микроконтроллеры семейств "mega" и "xmega".

Давайте подумаем что можно сделать на основе маленького компьютера, к которому мы можем подключить разные датчики и устройства ввода, кнопки и целые клавиатуры, светодиоды и цифровые индикаторы, цветные дисплеи и тач-скрины. да почти что угодно, главное суметь все это подключить и написать рабочую программу для микроконтроллера.

Приведу небольшой перечень идей и способов использования микроконтроллеров по категориям применения:

  • Начинающим: мигалка из светодиодов, виртуальная игра в кости, таймер, счетчик нажатий клавиши;
  • Праздник и подарок: звуковая шкатулка, мигающая звезда или сердечко, гирлянда для елки, цветомузыка;
  • Реклама: светодиодное табло, бегущая строка с символами, аппликация из светодиодов с заданным алгоритмом свечения;
  • Робототехника: робот-пылесос, управляемый по радиоканалу робот-игрушка, робот-сканер документов;
  • Измерения: частотомер. генератор сигналов, мультиметр, измеритель температуры, давления, освещения, самодельная метеостанция;
  • Безопасность: умная сигнализация с оповещением через сотовую связь, кодовый замок, электронный ключ для доступа к двери, детектор дыма, сигнализатор протекания воды;
  • Производство: модуль управления токарным станком с ЧПУ, автоматический контроль и учет веществ, управление котлом;
  • Связь: индикатор частоты, декодер сигналов, модуль управления радиостанцией, автоматическое устройств поворота антенны;
  • Энергетика: управление поворотом солнечных панелей, зарядное устройство для аккумуляторных батарей, измеритель напряжений.
Читайте также:  Как_устроен_датчик_холла

Это всего лишь маленький кусочек из того обширного спектра возможностей и идей что предоставляют нам микроконтроллеры.

Если вы раньше собирали устройства на цифровых и аналоговых микросхемах то вам должно быть знакомо то чувство когда для реализации казалось-бы несложной задачи нужно воротить целый клубок проводов с микросхемами, продумывать логику и предусматривать исключения.

Рис. 3. Технология монтажа накруткой проводников. www.bigmessowires.com (2009).

С появлением микроконтроллеров все стало намного удобнее и проще. На основе всего лишь одного чипа ATtiny13, к примеру, можно собрать устройство для которого вам потребовалось бы несколько десятков, а возможно и сотен микросхем.

В наше время уже не нужно воротить логику на цифровых микросхемах — за всю логику может отвечать микроконтроллер, теперь все свои силы можем сконцентрировать на правильной обвязке этого микроконтроллера чтобы решить нужную задачу, а дальше останется написать программу-прошивку к микроконтроллеру — и все готово!

Arduino

Также на микроконтроллерах AVR сейчас работает Arduino — электронный конструктор, платформа для быстрой и удобной разработки различных устройств автоматизации и управления. Данное решение состоит из комплекса программ и аппаратных составляющих — печатных плат с компонентами, центральную и главную роль в которых играет плата с микроконтроллером AVR — ATmega328, ATmega168, ATmega2560, ATmega32U4, ATTiny85 (в старых моделях — ATmega8, ATmega1280 и другие).

Рис. 3. Основная плата Arduino и дополнительные модули.

Данный обзор очень краток, на самом деле областей применения AVR микроконтроллеров гораздо больше. Однажды разобрав какое-то устройство у себя дома вы сможете увидеть внутри него AVR чип и здесь нет ничего сверхъестественного, микроконтроллеры набирают все большую популярность и более широко применяются в самых разных областях.

Заключение

Для кого-то программирование микроконтроллеров может перерасти из хобби в хорошо оплачиваемую работу, которая будет приносить не только хорошую прибыль, но и удовольствие от самого процесса разработки, пользу другим людям.

В следующей статье разберемся с архитектурой AVR микроконтроллеров, узнаем из чего состоит микроконтроллер, что в нем есть и для чего.

Микроконтроллеры: что это такое и зачем нужны

Сегодня я хотел бы написать о микроконтроллерах в целом, чтобы свои знания подтянуть и заодно другим рассказать.

Для работы с микроконтроллерами, такими как Ардуино или Iskra JS и подобными, нужны дополнительные знания, которые мы постепенно будем познавать.

Что такое микроконтроллеры?

Микроконтроллер представляет собой микросхему, которая используется для управления электронными устройствами. В типичном микроконтроллере имеются функции и процессора, и периферийных устройств, а также содержится оперативная память и/или ПЗУ (постоянное запоминающее устройство). Если говорить кратко, то микроконтроллер — это компьютер, функционирующий на одном кристалле, который способен выполнять относительно несложные операции.

Микроконтроллеры широко используются в вычислительной технике (процессоры, материнские платы, контроллеры дисководов, накопители HDD/FDD), бытовой электронике (стиральные машины, микроволновые печи, телефоны и т.д.), в промышленности и т.д. Рассмотрим, как проходит подключение и управление микроконтроллером, а также другие нюансы, связанные с ними.

Подключение микроконтроллера

Нижеописанная схема является упрощенным вариантом подключения микроконтроллера AVR.

По-хорошему, необходимо добавить еще несколько дополнительных внешних элементов в схему.

Упрощенная схема подключения микроконтроллера

Читайте также:  Как_украсить_свой_пенал

Провод, который указан на схеме пунктиром, использовать не обязательно в том случае, если питание микроконтроллера идет от внешнего источника.

Вывод AREF используется как вход для опорного напряжения АЦП — сюда подается напряжение, относительно которого будет высчитываться АЦП. Допустимо использование внутреннего источника опорного напряжения на 2.56В, или же использовать напряжение от AVCC.

АЦП (Аналого-цифровой преобразователь) — электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код

На вывод AREF рекомендуется подключить конденсатор, который позволит увеличить качество напряжения АЦП и, тем самым, позволит провести правильные измерения АЦП. Между AVCC и GND установлен конденсатор и дроссель, а между GND и VCC установлен керамический конденсатор с емкостью 100 нФ (поближе к выводам питания схемы) для сглаживания кратких импульсов помех, образующихся в результате работы микросхемы.

Также между GND и VCC устанавливается ещё один конденсатор с емкостью в 47 мкФ для того, чтобы сгладить возможные броски напряжения.

Управление микроконтроллером

Микроконтроллеры AVR оснащены Гарвардской архитектурой. Каждая из областей памяти располагаются в своем адресном пространстве. Память данных в контроллерах осуществляется посредством регистровой, энергонезависимой и оперативной памяти.

Микроконтроллер AVR

Регистровая память предусматривает наличие 32 регистров общего назначения, которые объединены в файл, а также служебные регистры для ввода и вывода. И первые, и вторые располагаются в пространстве ОЗУ, однако не являются его частью.

В области РВВ (регистров ввода и вывода) находятся различные служебные регистры — состояния, управления микроконтроллером и т.д., а также регистры, которые отвечают за управление периферийных устройств, являющихся частью микроконтроллера. По сути, управление данными регистрами и является методом управления микроконтроллером.

Устройства на микроконтроллерах

Микроконтроллеры AVR являются простыми в использовании, имеют низкую потребляемую мощность и высокий уровень интеграции.

Как правило, такие микроконтроллеры могут использоваться на самых разных устройствах, в том числе системах общего назначения, системах оповещения, для ЖК-дисплеев, плат с ограниченным пространством.

Также они используются для измерителей уровня заряда аккумулятора, аутентификации, в автомобильной электронике, для защиты от короткого замыкания и перегрева и т.д. Кроме промышленных целей, микроконтроллеры могут использоваться (и чаще всего используются новичками) для создания следующих устройств:

  • Регистратор температуры на Atmega168;
  • Кухонный таймер на Attiny2313;
  • Термометр;
  • Измеритель частоты промышленной сети на 50 Гц;
  • Контроллер светодиодного стоп-сигнала на Attiny2313;
  • Светодиодные лампы и светильники, реагирующие на температуру или звук;
  • Электронные или сенсорные выключатели.

Отметим, что для разных устройств используются разные модели микроконтроллеров. Так, 32-разрядные микроконтроллеры AVR UC3 (а также XMEGA, megaAVR, tinyAVR и т.д.) подойдут для систем общего назначения с технологиями picoPower, QTouch, EEPROM, системами обработки событий и самопрограммированием.

Микроконтроллеры для начинающих

Если вы собираетесь программировать микроконтроллеры, такие как Ардуино, например, а также собирать устройства, которые предусматривают их наличие в схеме, необходимо учитывать некоторые правила и рекомендации:

  • Перед решением любых задач следует делить их на более мелкие, вплоть до базовых действий.
  • Не следует пользоваться кодогенераторами и прочими "упрощающими" материалами, хотя бы на начальных этапах.
  • Рекомендуется изучить язык С и Ассемблер — это упростит понимание принципа работы микроконтроллеров и программ.

Для того, чтобы новичок мог заниматься микроконтроллерами, рекомендуется изучать базовые материалы. К таким материалам можно отнести следующие книги:

  • "Применение микроконтроллеров AVR: схемы, программы и алгоритмы" Баранов В.Н., 2006 год,
  • "Микроконтроллеры AVR: вводный курс", Дж. Мортон, 2008 год,
  • "Программирование микроконтроллеров ATMEL на языке С" Прокопенко В.С, 2012 год.

Данные книги являются практическим руководством, в котором затрагиваются аспекты и основы цифровой логики, а также рассматриваются примеры программ для микроконтроллеров, написанных на языке С с различными имитаторами схем, компиляторами и средами.

Ссылка на основную публикацию
Что_сшить_из_лоскутков_ткани_своими_руками
Шитьё из обрезков разных тканей и лоскутов для начинающих Желание прикоснуться к старине, украсить интерьер пёстрыми оригинальными вещицами побуждает современных...
Чертежи_измельчителя_веток_гризли
Как изготовить садовый измельчитель веток своими руками Ветки, остающиеся после обрезки деревьев, — довольно неудобные отходы. Наваленные кучей, они занимают...
Чертежи_книжных_полок_на_стену
Идеи книжных полок, которые Вы сможете сделать самостоятельно Чтение, без сомнения, – одно из самых приятных времяпрепровождений. Но, к сожалению,...
Что_сшить_из_ткани_с_пайетками
Как шить из ткани с пайетками | Видео мастер-класс Время от времени модные изделия начинают шить из ткани с пайетками....
Adblock detector