میکروکنترلر چیست؟ کاربرد و انواع آن

میکروکنترلر چیست؟ این قطعه را امروزه در بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی در خانه همچون کنترل تلویزیون، ماشین لباسشویی و … می‌توانید مشاهده کنید. اگر در حوزه کاری مرتبط با برق یا الکترونیک فعالیت دارید یا قصد آشنایی بیشتر با ریزپردازنده‌ها را دارید، این مطلب برای شما است. در این مطلب به معرفی ساختار و انواع ریزکنترلرها پرداختیم. اگر برایتان سؤال است که میکروکنترلر چیست و انواع آن کدام است، با ما همراه باشید تا همه چیز را راجع به این تراشه‌های الکترونیکی با هم بررسی کنیم. 

میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلر یک تراشه الکترونیکی کوچک و قدرتمند است که در بسیاری از دستگاه‌های هوشمند و سیستم‌های کنترل به کار می‌رود. این تراشه در واقع یک کامپیوتر مینیاتوری است که شامل یک واحد پردازش مرکزی (CPU)، حافظه و پورت‌های ورودی/خروجی (I/O) است. میکروکنترلرها برای کنترل دستگاه‌های الکترونیکی و انجام وظایف خاصی طراحی شده‌اند و معمولاً در سیستم‌های تعبیه‌شده استفاده می‌شوند.

از جمله کاربردهای رایج میکروکنترلرها می‌توان به لوازم خانگی، سیستم‌های امنیتی، خودروها، تجهیزات پزشکی و بسیاری از دستگاه‌های اتوماسیون صنعتی اشاره کرد. به دلیل توانایی آن‌ها در اجرای دستورات با سرعت و دقت بالا، میکروکنترلرها نقش مهمی در صنعت الکترونیک و تکنولوژی‌های روزمره ایفا می‌کنند.

آشنایی با ساختار میکروکنترلرها 

این قطعه، یک تراشه ic است که اندازه و سایز بسیار کوچکی دارد. میکروکنترلر برای کنترل دستگاه‌هایی مانند ماشین لباسشویی، تلفن همراه، خودرو و … به کار می‌رود. قسمت‌های مختلفی همچون رم، رام و پورت‌های ورودی و خروجی بر روی این تراشه کوچک قرار داده شده است که در ادامه با هم بیشتر آشنا می‌شویم.

پیشنهاد دوره های آموزشگاه سفیر قرن:  دوره آموزش نصب آنتن مرکزی

این نام از ترکیب دو عبارت میکرو و کنترلر انتخاب شده است. کاربرد میکروکنترلر، همانند یک کامپیوتر کوچک است که می‌تواند پردازش انجام داده و ورودی و خروجی‌های مختلف را به هم وصل کنید. مثلاً اگر بخواهید سرعت یک موتور را با زدن یک کلید بیشتر یا کمتر کنید، یا هر بار آن را خاموش و روشن کنید، میکروکنترلر پردازش این کار را انجام می‌دهد. 

میکروکنترلر 8 بیتی چیست؟ منظور از میکروکنترلر 8 بیتی، رجیستر 8 بیتی و خانه‌های حافظه  8 بیت 8 بیت است. لزوماً دیتا بیس میکروکنترلرهای 8 بیتی، 8 بیت نیست. چون از آن جایی که مقدار آدرس حافظه برابر با 2 به توان n بیت است، در این صورت اگر میکروکنترلر 8 بیت باشد، تنها به 2 به توان 8 یعنی 256 آدرس حافظه دسترسی دارد.

میکروکنترلر چگونه کار می‌کند؟ کاربرد آن چیست؟ 

کاربرد میکروکنترلر در سیستم‌های توکاری استفاده می‌شود که شامل برنامه‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری هستند. در واقع میکروکنترلر ورودی‌های آنالوگ (دیجیتالی 0 و 1) را دریافت می‌کند و با توجه به مقادیر ورودی، خروجی را پردازش می‌کند. هر الگوریتمی که به صورت کدنویسی برنامه‌نویسی شود، می‌تواند توسط میکروکنترلر، اجرا و محاسبه شود. 

نمایشگرهای کاراکتری، نمایشگرهایی که نیاز به لمس دارند و وی سگمنت‌ها را می‌توان به وسیله میکروکنترلر به راحتی پردازش کرد. هر میکروکنترلر دارای بخش‌هایی از جمله واحد پردازش یا سی پی یو، واحد محاسبه یا ای آی یو، حافظه اصلی یا رم، حافظه‌ای که برنامه روی آن اجرا می‌شود یا رام، و تایمر، مبدل آنالوگ به دیجیتال، مبدل دیجیتال به آنالوگ، رابط‌های سریال و ... است. 

• پردازنده یا CPU: این بخش به عنوان مغز یک میکروکنترلر است. زمانی که دیتا از طریق پین‌های ورودی و دستورالعمل‌ها از طریق برنامه‌ها فراهم شود، سی پی یو، داده‌ها را پردازش کرده و به پورت‌های خروجی می‌فرستد. 
• حافظه: این تراشه‌ها برای ذخیره تمام برنامه‌ها و داده‌ها در میکروکنترلر به وجود آمده است. انواع مختلفی از حافظه را در میکروکنترلر می‌بینید، همچون رام، رم، EPROM ،EEPROM  و ... . 
• پورت‌های ورودی/خروجی: هر میکروکنترلر، از پورت‌های ورودی و خروجی تشکیل شده است که بنا به انواع میکروکنترلرها، دارای تعداد مختلفی است. از آن برای دستگاه‌های ورودی، خروجی همچون سنسورها، واحدهای نمایشگر و … استفاده می‌شود. 
• پورت سریال: این سری از قطعه در ریزکنترل‌گر رابط سریال بین میکروکنترلر و وسایل مختلف را برقرار می‌کند. به این ترتیب، از طریق آن اطلاعات به صورت همزمان به داخل یا خارج یک بیت توسط بیت دیگر انتقال پیدا می‌کند. 

برای شرکت در دوره  آموزش سانترال آموزشگاه سفیر قرن، هم اکنون با ما تماس بگیرید.

در صنعت، میکروکنترلرهای زیادی وجود دارد که اغلب فناوری و تجهیزات مشترکی دارند. با وجودی که شبیه به کامپیوتر عمل می‌کنند اما عملکردی کند دارند. عملکرد این قطعه به این صورت است که وقتی منبع تغذیه روشن می‌شود، نوسانگر کوارتز نیز فعال می‌شود. در چند میلی‌ثانیه ابتدایی که دستگاه در حال آماده شدن است، خازن انگل شارژ می‌شود. زمانی که سطح ولتاژ به نهایت توان خود رسید، فرکانس نوسانگر کوارتز پایدارتر شده و فرایند نوشتن بیت شروع می‌شود. همه این فرایندها زیر چند نانوثانیه رقم می‌خورد. پی سی حافظه برنامه را به آدرس صفر ارسال کرده و سپس آدرس دستورالعمل برای رمزگشایی به رمزگشاکننده عملکردها ارسال می‌شود. بعد از اجرای این دستورالعمل، آدرس شمارنده برنامه ثباتی به 1 افزایش پیدا می‌کند و سراغ دستورالعمل‌های بعدی می‌رود. 

کاربرد میکروکنترلرها چیست؟

این قطعه در انواع دستگاه‌های مربوط به سلامت و تجهیزات پزشکی از جمله مچ‌بندهای سلامتی، دستگاه‌های بیمارستانی و… به کار می‌رود. کاربرد صنعتی این محصول، در استفاده میکروکنترلر برای دستگاه‌ها و ماشین‌های صنعتی است. همچنین در انواع فعالیت‌های نجومی نیز در دستگاه‌ها از این قطعه استفاده می‌شود. این قطعه، در دستگاه‌های اندازه‌گیری همچون ولت متر، کنتور و سیستم‌های اندازه‌گیری دستی نیز استفاده می‌شود. 

توجه: کلاس آموزش نصب دوربین مدار بسته در آموزشگاه سفیر قرن

انواع میکرو کنترلرها کدام اند؟

میکروکنترلرها یا ریز کنترلرها از انواع مختلفی تشکیل شده است که در ادامه آن‌ها را با هم مرور خواهیم کرد:

میکروکنترلرهای arm 

این ریزپردازنده‌ها دارای معماری 32 بیتی هستند و در میکروکنترلر arm حافظه فلش داخلی به کار نرفته است. به خاطر واحد پردازش مرکزی در این میکروکنترلر، آن را در اغلب گوشی‌های موبایل می‌بینید. همچنین، به دلیل حساسیت و عملکرد بالایی که میکروکنترلرهای arm دارند، آن را در طیف گسترده‌ای از صنایع، شبکه‌های بی‌سیم، سیستم‌های بدنه خودرو و … مورداستفاده قرار می‌دهند. 

میکروکنترلرهای AVR

از محبوب‌ترین و پراستفاده‌ترین نوع میکروکنترلرها، در دستگاه‌های کوچک همین نوع است. میکروکنترلر AVR، برای تراشه‌هایی که از حافظه فلش برای ذخیره برنامه استفاده می‌کند، در مقابل رام یا EEPROM مناسب‌تر است. معماری این میکروکنترلر بر پایه IRSC است. این میکروکنترلر دارای 32 رجیستر 8 بیتی است که مستقیماً به LAU وصل می‌شود. دستورالعمل‌های آن تقریباً کم بوده و در یک کلاک اجرا می‌شود. حافظه AVR شامل FLASH ،SROM و EEPROM است. در حافظه فلش برنامه اصلی ذخیره می‌شود. حافظه اس رام برای اجرای برنامه موردنیاز است و حافظه ای ای پی رام نیز برای نگهداری دیتا مورداستفاده قرار می‌گیرد. 

پیشنهاد دوره های آموزشگاه سفیر قرن:  آموزش تعمیرات کولر گازی

میکروکنترلر atx mega 

این سری میکروکنترلر از خانواده میکروکنترلرهای AVR است. پهنای باند، رجیستر و باس دستورالعمل در این نوع، 16 بیتی است و با میکروکنترلر ATmega8 متفاوت است. این ریزکنترلر قادر است دو حالت 8 و 16 بیتی را پردازش کند. میزان حافظه آن بیشتر و فرکانس آن بالاتر است. به خاطر توان مصرفی و real time بودن این ریزپردازنده، برای کاربردهای صنعتی چندان مورداستفاده قرار نمی‌گیرد.

میکروکنترلرهای plc 

معماری این ریزپردازنده بر اساس مدل هاروارد است. جزو موفق‌ترین میکروکنترلرهای 8 بیتی بوده که به خاطر تکنولوژی پیشرفته در آن، در اغلب لوازم‌خانگی‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. هزینه کم، مقاوم در برابر نویز پشتیبانی از برنامه‌نویسی سریالی از جمله عوامل محبوبیت این نوع میکروکنترلر است. 

میکروکنترلرهای 8051

این میکروکنترلر یک تراشه 8 بیتی است که 40 پایه دوبل درونی دارد. 4 کیلوبایت از حافظه رام و 128 بایت از حافظه رم در این میکروکنترلر وجود دارد که می‌تواند به حافظه 64 کیلوبایتی خارجی آن وصل شود. دو تایمر 16 بیتی نیز برای عملکردهای داخلی و شمارنده خارجی در معماری این میکروکنترلر به کار رفته است. همچنین دارای 5 منبع تغذیه با وقفه پورت سریال، وقفه تایمر 1، وقفه خارجی 0 و وقفه تایمر 0 و وقفه خارجی 1 است. 

سایر دوره های آموزشگاه سفیر قرن:  دوره آموزش حسابداری

اجزای میکرو کنترلرها

میکروکنترلرها از چندین بخش اصلی تشکیل شده‌اند که با همکاری یکدیگر وظایف مشخصی را انجام می‌دهند. در اینجا به اجزای اصلی میکروکنترلرها می‌پردازیم:

واحد پردازش مرکزی (CPU): مغز میکروکنترلر است که وظیفه پردازش داده‌ها و اجرای دستورات را بر عهده دارد. CPU عملیات محاسباتی و منطقی را انجام می‌دهد و دستورات برنامه را پردازش می‌کند.

1. حافظه (Memory): شامل دو نوع حافظه است:

   • حافظه برنامه (ROM/Flash): جایی که کد برنامه ذخیره می‌شود. این حافظه غیرفرار است و برنامه حتی بعد از خاموش شدن دستگاه باقی می‌ماند.
   • حافظه داده (RAM): حافظه‌ای موقت که برای ذخیره داده‌ها و متغیرها در حین اجرای برنامه استفاده می‌شود.
      

واحدهای ورودی/خروجی (I/O Ports): پورت‌های ورودی و خروجی که برای ارتباط میکروکنترلر با دنیای خارجی به کار می‌روند. از این پورت‌ها برای اتصال سنسورها، نمایشگرها، موتورها و سایر دستگاه‌های خارجی استفاده می‌شود.

واحد تایمر/شمارنده (Timer/Counter Unit): برای اندازه‌گیری زمان، ایجاد تأخیر و شمارش پالس‌ها به کار می‌رود. تایمرها در بسیاری از برنامه‌های کنترلی برای انجام عملیات در زمان‌های مشخص بسیار مفید هستند.

واحد مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC): این واحد سیگنال‌های آنالوگ را به دیجیتال تبدیل می‌کند تا میکروکنترلر بتواند داده‌های دریافتی از سنسورهای آنالوگ را پردازش کند.

واحد ارتباط سریال (Serial Communication Unit): برای ارتباط با دستگاه‌های دیگر از طریق پروتکل‌های ارتباطی مختلف مانند UART، SPI، و I2C استفاده می‌شود. این واحد ارتباط میکروکنترلر با کامپیوترها، ماژول‌های بی‌سیم و سایر میکروکنترلرها را امکان‌پذیر می‌کند.

واحد منبع تغذیه (Power Supply Unit): بخشی که توان الکتریکی لازم برای عملکرد میکروکنترلر را فراهم می‌کند. بسیاری از میکروکنترلرها دارای مدارات مدیریت مصرف انرژی هستند تا بهینه‌ترین عملکرد را داشته باشند.

تفاوت میکروکنترلر و میکروپروسسور 

میکروپروسسورها پردازنده‌ای هستند که برای استفاده از آن بایستی قطعات دیگری نیز به آن اضافه کرد. در واقع شما می‌توانید بر اساس کاربردی که از آن انتظار دارید قطعات مختلف حافظه، تایمر و ... را روی آن قرار دهید. همین باعث پیچیده شدن و گران شدن این پردازنده می‌شود. به همین دلیل در صنعت استفاده کمتری از میکروپروسسورها خواهد شد. از طرفی میکروکنترلرها با انواع مختلفی که در بازار وجود دارند، استقبال بیشتری را در مقابل استفاده از میکروپروسسورها به خود اختصاص دادند. 

تفاوت میکروکنترلر و میکروپروسسور در واقع در وجود تجهیزات و جنس آن‌ها است. در حالی که میکروکنترلر یک مدار توکار است، میکروپروسسورها برای مدارهای خارجی استفاده می‌شود. از طرفی، برای ارزان‌تر شدن هزینه میکروکنترلر، در ساخت آن از فناوری اکسید فلز نیمه هادی استفاده می‌شود. تفاوت دیگر این دو قطعه در سرعت پردازش اطلاعات است. سرعت پردازش میکروکنترلرها در حدود 8 تا 50 مگاهرتز است، در حالی که سرعت پردازش میکروپروسسورها بیش از یک گیگ است؛ در نتیجه عملکرد و کارکرد آن‌ها سریع‌تر است. 

تراشه میکروکنترلر، یک وسیله جمع‌وجور است که برای استفاده در تجهیزات مختلف آن را مناسب کرده است، در حالی که میکروپروسسورها، قطعاتی بزرگ هستند که برای استفاده در محصولات بزرگ و صنعتی به کار می‌رود. همچنین در مقابل عملکرد ساده میکروکنترلرها، میکروپروسسورها عملکرد پیچیده‌ای دارند که برای توسعه نرم‌افزار، توسعه وب‌سایت و … به کار می‌رود. به واسطه رم و رام خارجی که در آن استفاده می‌شود، سرعت و حافظه بیشتری نیز دارد.

مدل ساخت و عملکرد میکروکنترلرها بر اساس مدل هاروارد است. طبق این مدل، حافظه برنامه با حافظه دیتا جداگانه است؛ در حالی که در میکروپروسسورها، که بر اساس مدل فون نویمان ساخته شده است، برنامه و داده هر دو در یک حافظه ذخیره می‌شوند. 

دیگر دوره های تخصصی آموزشگاه سفیر قرن:  آموزش الکترونیک

جمع‌بندی 

با هم به معرفی انواع میکروکنترلرها و تفاوت آن با میکروپرسسورها پرداختیم. در حال حاضر محبوب‌ترین و پراستفاده‌ترین میکروکنترلر در بازار از نوع AVR است. البته این محبوبیت صرفاً در پروژه‌های ساده همچون ساعت کاربرد دارد. در پروژه‌ها و دستگاه‌هایی که به طور همزمان نیاز به پردازش چندجانبه دارد، میکروکنترلرهای ARM مناسب هستند. در انتخاب میکروکنترلر، تعداد پین‌های آنالوگ و دیجیتال، حافظه، سرعت و … تأثیرگذار هستند. به تبع این نوع میکروکنترلرها به خاطر ویژگی‌هایی که دارند، قیمت بالاتری نسبت به میکروکنترلرهای AVR دارند.