The mikrokontroleri ili MCU (mikrokontrolerska jedinica), su mali integrirani krugovi ili čipovi koji integriraju računalo u sebe, odnosno idu dalje od CPU-a, uključujući CPU, memoriju i I/O sve u jednom čipu, iako ih treba razlikovati od SoC-ova, koji uključuju više od toga i složeniji su.
Ovi čipovi su mozak velikog broja uređaja koje koristimo u svakodnevnom životu, a prisutni su u više uređaja nego što možete zamisliti, od onih koje imate kod kuće, do vaših vozila, industrijskih strojeva itd. Stoga su danas vrlo važni i posvetit ćemo im ovaj članak.
Nadalje, treba napomenuti da su nedavno stekli popriličnu popularnost zahvaljujući IoT (Internet stvari), budući da zbog male veličine, male potrošnje i niske cijene, idealni su za napajanje ovih povezanih uređaja bez potrebe za naprednijim procesorskim jedinicama. Osim toga, kao što ćemo kasnije vidjeti, izvrsni su i za proizvođače i entuzijaste elektroničkih "uradi sam" projekata, poput Arduina itd.
Što mikrokontroler može učiniti?
The mikrokontroleri, MCUMikrokontroleri su čipovi koji mogu raditi mnoštvo stvari, baš kao i CPU opće namjene, osim što integriraju i druge računalne komponente poput memorije, sabirnica i I/O sustava, tako da je to praktički računalo na čipu. Njihove primjene mogu biti vrlo raznolike, od kontrole temperature ili drugih parametara putem senzora, generiranja neke vrste izlaza na temelju stanja ulaza za izvođenje radnji itd. Broj primjena može biti zaista ogroman, gdje je granica gotovo vaša mašta i tehničke mogućnosti samog mikrokontrolera, jer obično imaju ograničenu veličinu memorije i performanse.
Stoga se pri odabiru mikrokontrolera moraju uzeti u obzir mnogi čimbenici, kao što su radna frekvencija uređaja, arhitektura na kojoj je baziran, dostupna memorija, broj dostupnih pinova te vrsta i broj potrebnih vanjskih komponenti. Srećom, postoji mnogo različitih proizvođača i modela mikrokontrolera koje možete izabrati, od najjednostavnijih do najsloženijih, uključujući neke ojačane da izdrže ekstremne uvjete u svemiru, vojnim uređajima, industrijskim strojevima i još mnogo toga.
Što je PIC?
Tvrtka Microchip razvila je seriju mikrokontrolera koji su postali vrlo popularni na tržištu, kao što su njegovi poznati PIC-oviObitelj uređaja s različitim veličinama riječi, kao što su 16-bitni uređaji, koji mogu biti vrlo fleksibilni u programiranju i obavljanju mnoštva funkcija.
Osim toga, imaju a fantastično kompatibilan ekosustav, što uvelike olakšava stvari programerima koji ih koriste, kao i programerima koji imaju potpuno kompatibilno IDE za programiranje potrebnog koda.
Naravno, PIC nije jedina arhitektura, tu su i AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M itd.
Arhitektura i rad mikrokontrolera
Iako se može činiti kompliciranim imati sve integrirano, kao što je CPU, memorija i I/O sustav, između ostalog, istina je da su mikrokontroleri jednostavniji od mnogih naprednih CPU-a ili GPU-a koji se koriste u modernim računalima. CPU-i integrirani u ove mikrokontrolere obično su jednostavniji, poput CPU-a od prije nekoliko desetljeća (npr. Intelov 8051). Zapravo, mnogi mikrokontroleri temelje se na arhitekturama koje su razvijene prije nekoliko desetljeća.
MCU-ovi također mogu implementirati druge dodatne ili specijalizirane elemente: obradu analognih signala, upravljanje vanjskim hardverom ili ugrađeni watchdog timer za resetiranje čipa u slučaju pada sustava zbog pogrešnog programiranja. Arhitektura čipa može biti fiksna ili programabilna, što omogućuje rekonfiguraciju uređaja za različite primjene.
Također ne zahtijevaju veliki memorijski kapacitet (mogu biti memorije tipa RAM, registri, ROM poput EEPROM-a, flash itd.), a najčešće uključuju samo nekoliko KB ili MB IDE ima kapacitet za smještaj programa potrebnih za izvršavanje funkcija. Svi se oni učitavaju u niz instrukcija i podataka koje će IDE generirati iz izvornog koda programiranja visoke razine koji obično koriste programeri.
Vrste mikrokontrolera
Kao što možete zamisliti, postoji nekoliko vrste mikrokontroleraSvaki od njih ima različite značajke i mogućnosti, tako da će se i primjene za koje će se koristiti vrlo razlikovati.
Već sam spomenuo da su najvažniji čimbenici koje treba uzeti u obzir pri odabiru mikrokontrolera njegova radna frekvencija i količina dostupne memorije. Zahtjevi aplikacije odredit će radnu frekvenciju, ali obično je najbolje odabrati uređaj koji trčite što sporije možete a istovremeno ispunjava zahtjeve, tražeći veću stabilnost i pouzdanost zbog kritičnih primjena za koje je ova vrsta čipa obično namijenjena.
Gdje se koriste mikrokontroleri?
Mikrokontroleri Koriste se u širokom rasponu primjenaKao što sam već spomenuo, vidjet ćete ih u kućanskim aparatima i elektroničkim uređajima svih vrsta, u kopnenim, morskim i zračnim vozilima, satelitima i svemirskim letjelicama, raketama, industrijskim strojevima i mnogo čemu drugom. Neki od najpoznatijih primjera su:
- AutomobilskiKoriste se u mnogim automobilskim primjenama za kontrolu određenih elektroničkih aspekata automobila. Na primjer, često se koriste u modernim sustavima upravljanja motorom za kontrolu ubrizgavanja goriva i vremena paljenja. Mogu se naći i u drugim ugrađenim sustavima, kao što su sustavi upravljanja mjenjačem.
- IndustrijaTakođer ih možete pronaći u mnoštvu industrijskih strojeva svih vrsta i u svim sektorima. Koriste se u širokom rasponu različitih sustava, kao što su nadzor i upravljanje strojevima, upravljanje procesima te prikupljanje i analiza podataka.
- PotrošnjaMikrokontroleri se sve više koriste u potrošačkim uređajima kao što su kućanski aparati, elektronički uređaji koji se koriste kod kuće itd. Čak i računala često imaju više mikrokontrolera za obavljanje različitih zadataka, uz CPU, GPU itd.
- komunikacijeKoriste se posebno u radiofrekvencijskim ili drugim vrstama komunikacijskih sustava. Koriste se i u računalnim mrežama i u radiokomunikacijskoj opremi.
- Kućna automatizacijaNaravno, mikrokontroleri su ključni za kućnu automatizaciju, automatizirajući mnoštvo svakodnevnih zadataka u pametnim domovima. Često se koriste u senzorima i drugim uređajima koji kontroliraju i nadziru kućne sustave, kao što su automatsko navodnjavanje, podizanje ili spuštanje roleta na temelju uvjeta osvjetljenja i tako dalje.
- LijekMikrokontroleri se koriste u mnogim medicinskim primjenama, od bolničke opreme do implantiranih medicinskih uređaja koji kontroliraju određene biomedicinske parametre, pacemakera itd.
- vojnii naravno, koriste se u širokom rasponu vojnih primjena, kao što su sustavi naoružanja, sustavi upravljanja letom i senzorski sustavi.
Prednosti i nedostaci MCU-a
Prednosti korištenja mikrokontrolera
El uso Mikrokontroleri imaju niz prednosti u usporedbi s drugim uređajima koji bi se također mogli koristiti za iste primjene. Glavne značajke uključuju:
- Iznimno niski zahtjevi za napajanjem, što ih čini idealnim za primjene na baterije ili ugrađene ili zidne sustave niske potrošnje energije.
- Imaju brzo vrijeme odziva, što ih čini prikladnima za ugrađene aplikacije koje zahtijevaju kontrolu u stvarnom vremenu.
- Mogućnost programiranja za obavljanje širokog spektra funkcija, za razliku od fiksno ožičene elektronike koja može raditi samo jednu stvar. Često su sposobni obavljati složene zadatke koje bi bilo vrlo teško ili nemoguće izvesti s diskretnim komponentama. To ih čini idealnim za primjene koje zahtijevaju prilagođena rješenja.
- Dostupni su u širokom rasponu različitih paketa, što olakšava prilagodbu aplikacije specifičnim potrebama.
- Još jedna velika prednost mikrokontrolera je njihova niska cijena.
- Dostupni su u malim pakiranjima što olakšava njihovu ugradnju u širok raspon primjena.
Ograničenja mikrokontrolera
Međutim, nisu sve prednosti mikrokontrolera, oni također imaju Neki nedostaci što je također važno istaknuti. Na primjer:
- Njihova sposobnost programiranja za obavljanje mnogih različitih funkcija čini ih vrlo svestranim, ali također otežava rješavanje problema. Ako sklop ne radi ispravno, može biti vrlo teško shvatiti zašto, jer problem može biti uzrokovan neispravnim programom ili hardverskim problemom.
- Osim toga, složene aplikacije mogu zahtijevati veliku količinu memorije i procesorske performanse superiornije od većine mikrokontrolera na tržištu.
- Nedostatak programskih jezika visoke razine ograničava im izbor. Budući da obrađuju instrukcije strojnog jezika niske razine, može biti teško mijenjati program ili otklanjati hardverske probleme.
Mikrokontroleri u IoT-u
Jednostavnost mikrokontrolera čini ih lakim za korištenje u IoT uređaji, kao što su pametne utičnice, pametne sklopke, pametne žarulje, senzori vlage, senzori dima i drugi jednostavni uređaji. Međutim, složeni uređaji često zahtijevaju više memorije i procesorske snage, što može otežati ugradnju potrebnog sklopa u kompaktni uređaj, što dovodi do potrebe za odabirom procesora i memorije većeg kapaciteta umjesto mikrokontrolera.
Nadalje, njihova svestranost i sve prednosti o kojima smo gore govorili zaista su zanimljive za ove uređaje koji ne zahtijevaju velike memorijske kapacitete ili visoke procesorske performanse. Nadalje, mnogi od njih uređaji ovise o bateriji, pa su ovi integrirani krugovi male snage idealni.
Što je Arduino?
Siguran sam da ga već poznaješ. Arduino To je popularna razvojna ploča otvorenog koda temeljena na mikrokontroleru. Vrlo je pristupačna i omogućuje jednostavno dovršavanje širokog raspona projekata, bilo da se radi o hobistima ili djeci koja tek počinju s programiranjem, elektronikom ili robotikom, ili za profesionalniju upotrebu. Sve je to zahvaljujući bogatoj zajednici i ekosustavu, s kompletnim IDE-om, brojnim verzijama koje odgovaraju različitim potrebama, dostupnom dodatnom opremom i još mnogo toga.
Ove Arduino ploče programirane su pomoću jezika sličnog C/C++ koji je razvio Arduino. Ovaj jezik je dovoljno jednostavan za početnike da ga razumiju i koriste, a opet dovoljno moćan za izradu složenih projekata na vašem računalu. Arduino IDEPopularnost Arduina olakšava pronalaženje resursa, dijelova i drugih ljudi zainteresiranih za iste vrste projekata. Dakle, postoji li bolji način za upoznavanje i korištenje mikrokontrolera nego s Arduinom…
Što je Arduino IDE?
Kao što sam već rekao, Arduino ima odličan IDE (Integrirano razvojno okruženje)Pomoću ovog softvera možete stvarati skice ili izvorne kodove programa, a zatim ih prenijeti u memoriju Arduino mikrokontrolera pomoću USB kabela spojenog na vaše računalo. To omogućuje MCU-u da ih izvrši kako bi izvršio željene funkcije.
Naravno, Arduino IDE je od otvorenog koda, besplatno je i dostupan je za širok raspon platformi, uključujući macOS, Windows i Linux. Ne samo da ćete moći programirati Arduino ploče, već podržava i programiranje drugih kompatibilnih mikrokontrolera, kao što su AVR, PIC itd., kao i Arduino kompatibilnih ploča...
Prednosti Arduina i Arduino IDE-a
Na kraju, želio bih navesti neki projekti koje možete stvoriti s ovom Arduino IDE platformom i Arduino razvojnom pločom. To možete učiniti i pomoću ovog programskog jezika visoke razine, ostavljajući prevođenje u strojni kod (jedinice i nule) razumljiv mikrokontroleru u rukama IDE-a. Također možete koristiti blokovni jezik za one koji ne znaju programirati ili za djecu.
Projekti mogu biti vrlo raznoliki, od izrade jednostavnog alarma do razvoja složenog sustava navodnjavanja za vrt, uključujući sustave automatizacije doma, praćenje parametara, automatizaciju zadataka itd. Kao što sam rekao na početku, granica je gotovo tvoja mašta.
Osim toga, postoji velika zajednica koja vam je spremna pomoći, kao i mnoštvo Dodaci i kompleti posebno dizajnirani za Arduino, što će vam uvelike olakšati stvari. Nije kao da počinjete s čipom poput PIC-a ili 8051 i morate sve stvarati gotovo od nule...
Sada ste upoznati sa svijetom mikrokontrolera i znate kako možete započeti od kuće ili iz škole...