میکروکنترلر چیست؟ کاربردها، انواع + نحوه عملکرد آن

اگر دوست دارید در مورد میکروکنترلرها و قطعات داخلی آن ها بیشتر بدانید، این مطلب از آموزشگاه فنی حرفه ای اصفهان را از دست ندهید. امروزه دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی متعدد و مختلفی در اطراف ما وجود دارند که باعث شده اند تا زندگی به مراتب راحت تری داشته باشیم و بتوانیم در کوتاه ترین زمان ممکن، امور مختلف را انجام دهیم. در تمامی این لوازم، میکروکنترلر وجود دارد.

میکرو کنترلرها قطعات با ساختار ساده ای هستند که امکان برنامه ریزی مختلف را به ما می دهند. در ادامه این مقاله از آموزشگاه فنی و حرفه ای اصفهان قصد داریم تا توضیح بیشتری درباره میکروکنترلر، انواع آن و همچنین کاربرد و نحوه عملکرد این قطعات ارائه بدهیم. پس برای آشنایی بیشتر با این قطعه در ادامه با ما همراه باشید.

میکروکنترلر چیست؟

در ابتدا ما به یک تعریف ساده و کلی برای میکروکنترلر نیاز داریم تا بیشتر با آن آشنا شویم. اگر بخواهیم به ساده ترین بیان ممکن بازگو کنیم، باید بگوییم که میکروکنترلر یک کامپیوتر بسیار کوچک بوده که با جمع آوری دیگر قطعات الکترونیکی در یک فضای بسیار کوچک، اجزای مختلف یک کامپیوتر را فراهم می کند. جالب است بدانید این قطعه جزو مهم ترین وسایل ساخت ربات نیز می باشد و به طور گسترده ای در فرآیند ساخت و تولید ربات ها مورد استفاده قرار می گیرد.

اگر بخواهیم از دیدگاه تخصصی تر بگوییم میکروکنترلر چیست می توانیم تعاریف زیر را ارائه دهیم:

• یک سیستم کامپیوتری خودمختار است که برای کنترل یک دستگاه یا فرآیند خاص طراحی شده است. میکروکنترلرها معمولاً دارای اندازه کوچک و قیمت پایینی هستند و به دلیل قابلیت برنامه ریزی پذیری، می توانند برای طیف گسترده ای از کاربردها استفاده شوند.
• یک سیستم رایانه ای یکپارچه است که شامل تمام اجزای مورد نیاز برای کنترل یک دستگاه یا فرآیند است. این اجزا شامل CPU، حافظه، I/O، و گاهی اوقات سایر مدارهای جانبی مانند مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) و مبدل های دیجیتال به آنالوگ (DAC) است. میکروکنترلرها به دلیل اندازه کوچک، قیمت پایین، و مصرف انرژی پایین، برای کاربردهای توکار بسیار مناسب هستند.
• یک سیستم کامپیوتری قابل برنامه ریزی است که می تواند برای کنترل یک دستگاه یا فرآیند خاص استفاده شود. میکروکنترلرها معمولاً دارای یک زبان برنامه نویسی خاص هستند که امکان نوشتن برنامه های کنترلی برای آنها را فراهم می کند.
• یک ابزار قدرتمند است که می تواند برای کنترل طیف گسترده ای از دستگاه ها و فرآیندها استفاده شود. میکروکنترلرها به دلیل قابلیت برنامه ریزی پذیری، در کاربردهای صنعتی، تجاری، و مصرفی محبوب هستند.
• یک سیستم کامپیوتری مقیاس پذیر است که می تواند برای کاربردهای با نیازهای مختلف سفارشی شود. میکروکنترلرها معمولاً در انواع مختلفی از بسته بندی ها موجود هستند که امکان انتخاب بسته بندی مناسب برای کاربرد مورد نظر را فراهم می کند.

اجزای مختلف میکروکنترلر کدام اند؟

برای آشنایی بیشتر با میکروکنترلرها، لازم است تا با اجزای مختلف آن ها آشنا شویم. به بیان ساده می توانیم بگوییم که از اجزایی مشابه با کامپیوتر تشکیل شده اند. مهم ترین بخش های این قطعه به شرح زیر هستند.

• واحد پردازش یا همان سی پی یو

این واحد درواقع همان مغز میکروکنترلر است که وظایفی مانند عملیات استخراج داده، رمزگشایی و … را بر عهده دارد. عملیات های منطقی و محاسباتی و ورودی، خروجی نیز به صورت کامل بر عهده همین قطعه هستند.

• حافظه میکروکنترلر

تمام داده های که از پردازنده دریافت می شوند، در قسمت حافظه ذخیره خواهد شد و سپس برای پاسخ به دستورالعمل های مختلف که در برنامه وجود دارد، از آن ها استفاده می شود. معمولا دو نوع حافظه اصلی دارند که با عناوین حافظه داده و حافظه برنامه شناخته می شوند. حافظه داده معمولا در زمان اجرای دستورالعمل های مختلف و برای ذخیره سازی داده های موقت مورد استفاده قرار می گیرد.

این حافظه را می توان مکان اطلاعات بی ثبات نیز در نظر گرفت، چرا که تمام داده های موجود بر روی آن موقتی بوده و فقط تا زمانی که اتصال به منبع تغذیه وجود دارد، در دسترس هستند. حافظه برنامه نیز نوع دیگر حافظه میکرو کنترلر بوده که دستورات بزرگ درباره عملیات های پردازنده مرکزی را ذخیره می کند. این حافظه می تواند بدون نیاز به منبع تغذیه، اطلاعات مورد نیاز خود را ذخیره سازی کرده و به عنوان یک حافظه غیر فرار و همواره در دسترس شناخته می شود.

• ورودی و خروجی ها

بخش دیگر میکروکنترلر را ورودی و خروجی ها تشکیل می دهند. این قسمت ها را می توانیم رابطی برای اتصال به دستگاه های خارجی دیگر نظر بگیریم. پورت های ورودی وظیفه دریافت اطلاعات به شکل داده های باینری را دارند و باید آن ها را به واحد پردازنده ارسال کنند. پورت های خروجی نیز دستورالعمل ها و داده های مورد نظر را به شکل مورد نیاز، به سایر دستگاه های خارجی ارسال می کنند تا سیستم عملکرد خوب و دقیقی داشته باشد.

• تایمر میکروکنترلر

به صورت کلی یک میکروکنترلر، توانایی پشتیبانی از یک یا چند تایمر را به راحتی دارد. تایمرها تمام عملیات های مربوط به زمان بندی و شمارش را که در یک میکروکنترلر انجام می شود را زیر نظر داشته و از آن ها پشتیبانی می کنند. از وظایف تایمرها می توان به شمارش پالس خارجی و عملیات تولید پالس، توابع کلاک، ساخت نوسانات، اندازه گیری پالس و … را نام برد.

• مبدل آنالوگ به دیجیتال

معمولا برای برنامه های جانبی در یک میکروکنترلر، ما نیاز به سیگنال های جانبی داریم. در این راستا از یک مبدل آنالوگ به دیجیتال استفاده می شود تا سیگنال های دیجیتالی مورد نیاز تأمین شوند.

• مبدل دیجیتال به آنالوگ

این مبدل دقیقا معکوس مبدل قبلی عمل کرده و می تواند سیگنال های آنالوگ را برای بخش های مختلف به وجود آورد. عموما از این مبدل برای نظارت بر دستگاه های آنالوگی مانند موتورهای DC و … استفاده می شود.

• کنترل کننده میکروکنترلر

از دیگر بخش های مهم و اساسی میکروکنترلر، باید به واحد کنترل کننده اشاره کنیم. این واحد وظیفه کنترل تأخیر در اجرای برنامه های مختلف را بر عهده دارد تا عملکرد سیستم در این مواقع، مختل نشود.

• بلوک عملکرد خاص

این بخش در تمام وجود نداشته و صرفا شامل موارد خاص از بین آن ها می شود این بلوک ها دارای پورت های اضافی و امکانات بیشتر برای عملیات های خاص هستند و بیشتر د سیستم های فضایی، ربات ها و … مورد استفاده قرار می گیرند.

انواع میکرو کنترلرها کدام اند؟

بعد از آشنایی کلی با اجزاء تشکیل دهنده ، نوبت به بررسی انواع مختلف این کامپیوترهای کوچک می رسد تا بتوانیم اطلاعات خود را در این زمینه، بیشتر گسترش دهیم. به صورت کلی ما می توانیم را بر اساس فاکتورهای مختلف مانند معماری، بیت،حافظه و همچنین مجموعه دستورالعمل، دسته بندی کنیم. بر این اساس، ما با میکروکنترلرهای زیر رو به رو خواهیم بود.

فاکتورهای دسته بندی میکرو کنترلرها

برخی از مهم ترین فاکتورهایی که با بهره گیری از آن ها می توانیم میکرو کنترلرها را دسته بندی نماییم، عبارت اند از:

• بیت

اگر را بر اساس بیت دسته بندی کنیم، با سه دسته 8، 16 و 32 بیتی رو به رو خواهیم بود که هرکدام موارد کاربرد و استفاده مختلفی دارند. به صورت کلی میکروکنترلر 16 بیتی قادر است عملیات های گسترده ای را نسبت به گزینه 8 بیتی به اجرا درآورد و مدل 32 بیتی که بیشتر در دستگاه های کنترل شده به کاربرده می شود، می تواند تمام عملیات های منطقی و محاسباتی را به اجرا درآورد.

• حافظه

دسته بندی دیگری که برای این قطعات وجود دارد، مربوط به حافظه آن ها می شود. میکروکنترلر با حافظه خارجی، نوع از این قطعات است که تمام بلوک های آن در داخل تراشه تعبیه نشده اند. نوع دیگر میکروکنترلر در این زمینه با حافظه جاسازی شده بوده که نشان می دهد تمام بلوک های توابع، در داخل آن جاسازی شده اند.

• مجموعه دستورالعمل ها

همان طور که میدانیم به عنوان مغز دستگاه های مختلف شناخته می شوند و قادر به اجرای انواع دستورالعمل ها هستند. بر این اساس می توان آن ها را در دو دسته مختلف قرار داد. دسته اول مربوط به CISC بوده که به معنای مجموعه دستورالعمل های پیچیده کامپیوتری است. این مدل تراشه به کاربر این اجازه را می دهد که یک دستورالعمل را جایگزین چندین دستورالعمل پیچیده بکند.

مدل دیگر مربوط به RISC است که مربوط به دستورالعمل های کاهش یافته کامپیوتری می شود. با این سبک از تراشه می توانید زمان عملیات را با کوتاه تر کردن چرخه دستورالعمل های قابل اجرا تا حد زیادی کاهش دهید.

• ساختار معماری

دسته بندی دیگری که معمولا برای میکروکنترلرها به کار برده می شود، مربوط به ساختار معماری آن هاست.

• • ساختار Harvard

این معماری ساختار به گونه ای است که امکان دسترسی هم زمان دستورالعمل ها و داده های ذخیره شده در کانال های داخلی تراشه، وجود دارد. این سبک از معماری کل داده ها را در سی پی یو ذخیره می کند و ذخیره سازی و کانال های سیگنال برای هر مجموعه دستورالعمل و داده به صورت جداگانه ایجاد شده اند.

• • ساختار Von Neumann

این ساختار را دانشمندی به همین نام برای اولین بار ارائه کرد که در آن برای داده و دستورالعمل، یک مسیر معرفی شد. در این راستا سی پی یو، یک عمل واحد را در یک زمان انجام می دهد که این عمل می تواند خواندن، یا نوشتن بر روی داده و یا حتی استخراج برخی از دستورالعمل ها باشد.

چند نمونه از میکروکنترلرهای معروف و پرکاربرد

حال که با دسته بندی مختلف آشنا شدیم، لازم است تا چند نمونه از میکروکنترلرهای معروف و پرکاربرد در این زمینه را نیز بشناسیم تا بتوانیم در مواقع مورد نیاز، از آن ها به خوبی بهره ببریم.

• میکروکنترلر 8051
• AVR
• PIC
• AMR
• MOTOROLA
• HITACHI

میکروکنترلرها چه کاربردهایی دارند؟

در راستای آشنایی هرچه بیشتر با ، باید با کاربرد این تراشه نیز آشنا شده و اطلاعاتی در این زمینه نیز به دست آوریم. امروزه این تراشه کاربردهای بسیار گسترده ای داشته و در انواع لوازم مختلف، شاهد نمودهای گوناگونی از آن هستیم. از اصلی ترین کاربردهای میکروکنترلرها می توانیم به ابزارهای انرژی، سیستم های کنترل موتور اتومبیل، انواع دستگاه های کنترل از راه دور، مدل های مختلف دستگاه های پزشکی، اسباب بازی ها و … اشاره کنیم.

این تراشه ها در بسیاری از وسایل زندگی روزمره نیز به کار برده می شوند که باید درباره آن ها نیز اطلاعات کافی داشته باشید. از بین آن ها می توانیم به دستگاه های کنترل دما، سنجش و کنترل نور، وسایل ایمنی و تشخیص آتش، دستگاه های کنترل فرایند، انواع ابزارهای دقیق صنعتی، سیستم اندازه گیری دستی و … اشاره کنیم. اجاق ها، یخچال، توستر، دستگاه ای تلفن همراه، سیستم های بازی ویدئویی، تلویزیون و … نیز از دیگر موارد کاربرد دستگاه های روزمره دارای میکروکنترلر هستند. در جدول زیر به طور کامل مهم ترین کاربردهای میکرو کنترلر ها را برای شما آورده ایم.

نحوه عملکرد میکروکنترلر به چه صورت است؟

یک میکروکنترلر درون یک سیستم با هدف کنترل یک تابع یکتا قرار گرفته است. این کار را از طریق توصیف دقیق ورودی و خروجی هایی که دریافت می کند انجام می دهد. از حافظه های داده ای و برنامه ای خود استفاده می کنند و تمام اطلاعات و دستورات را در آن ها ذخیره می کنند.

بعد از ذخیره سازی اطلاعات مناسب، از دستگاه های ورودی و خروجی، برای ارتباط و نمایش عملکرد مناسب استفاده می شود. بسیاری از دستگاه ها از چندین میکروکنترلر در راستای اجرای عملیات ها استفاده می کنند که به صورت هماهنگ در سیستم قرار گرفته اند.

سخن پایانی

قطعات و ماشین های الکتریکی و الکترونیکی از تجهیزات مختلفی تشکیل شده اند که هرکدام وظایف مخصوصی را بر عهده دارند. یکی از اصلی ترین قطعات در این وسایل، تراشه میکرو کنترلر است. میکروکنترلر یک چیپ بسیار کوچک بوده که توانایی کنترل قطعات بزرگ تر در یک سیستم را دارد.

در بخش های قبلی از این مقاله آموزشگاه فنی و حرفه ای اصفهان برای آشنایی هرچه بیشتر، به معرفی بخش های مختلف و همچنین انواع میکرو کنترلر ها پرداختیم. کاربردهای میکرو کنترلر در زمینه های مختلف و همچنین نحوه عملکرد آن ها را نیز به صورت کامل توضیح دادیم.

اگر دوست دارید به طور مفصل در مورد میکروکنترلر ها و روش های صحیح بکارگیری آن ها بیشتر بدانید دوره طراحی برد این موسسه را از دست ندهید. به علاوه؛ از دیگر دوره های پیشنهادی ما به شما در زمینه الکترونیک، آموزش رباتیک می باشد که به طور کامل و جامع به آموزش صفر تا صد این رشته می پردازد.

سؤالات متداول درباره میکروکنترلرها

1. میکرو کنترلر چند حافظه دارد؟

یک حافظه موقت به نام حافظه داده که با قطع اتصال منبع تغذیه از بین می رود و یک حافظه برنامه که داده ها به صورت دائمی در آن ذخیره سازی می شوند.

2. چند دسته بندی برای میکرو کنترلرها وجود دارد؟

میکروکنترلرها را می توان بر اساس معیارهای مختلفی مانند بیت، حافظه، معماری ساختار و مجموعه دستورالعمل ها دسته بندی نمود.

3. مغز میکرو کنترلر کدام قسمت است؟

مغر میکرو کنترلر همان سی پی یو و یا واحد پردازنده مرکزی است که پردازش بر روی داده ها و دستورالعمل ها را انجام می دهد.