Os microcontroladores, ou MCU (Unidade de Microcontrolador), são pequenos circuitos integrados ou chips que integram um computador dentro deles, ou seja, vão além de uma CPU, incluindo CPU, memória e também E/S, tudo em um único chip, embora devam ser diferenciados dos SoCs, que incluem mais do que isso e são mais complexos.
Esses chips são os cérebro de um grande número de dispositivos que usamos no nosso dia a dia, e estão presentes em mais dispositivos do que você imagina, desde os que você tem em casa, passando pelos seus veículos, até máquinas industriais, etc. Por isso, elas são muito importantes hoje em dia, e é a elas que vamos dedicar este artigo.
Além disso, é importante destacar que eles ganharam bastante popularidade recentemente graças à IoT (Internet das Coisas), já que devido a seu pequeno tamanho, baixo consumo e baixo custo, são ideais para alimentar esses dispositivos conectados sem a necessidade de unidades de processamento mais avançadas. Além disso, como veremos mais adiante, eles também são ótimos para makers e entusiastas de eletrônica "faça você mesmo", com projetos como Arduino, etc.
O que um microcontrolador pode fazer?
Os microcontroladores, MCUMicrocontroladores são chips que podem fazer uma infinidade de coisas, assim como uma CPU de uso geral, exceto que também integram outros componentes de computador, como memória, barramentos e o sistema de E/S, sendo praticamente um computador em um chip. Suas aplicações podem ser muito diversas, desde controlar temperaturas ou outros parâmetros por meio de sensores, gerar algum tipo de saída com base no estado das entradas para executar ações, etc. O número de aplicações pode ser realmente vasto, onde o limite é quase a sua imaginação e as capacidades técnicas do próprio microcontrolador, visto que eles geralmente têm tamanho de memória e desempenho limitados.
Portanto, ao selecionar um microcontrolador, muitos fatores devem ser levados em consideração, como a frequência de operação do dispositivo, a arquitetura na qual ele se baseia, memória disponível, o número de pinos disponíveis e o tipo e a quantidade de componentes externos necessários. Felizmente, existem diversos fabricantes e modelos de microcontroladores para escolher, dos mais simples aos mais complexos, incluindo alguns reforçados para suportar condições extremas no espaço, dispositivos militares, máquinas industriais e muito mais.
O que é uma foto?
A empresa Microchip desenvolveu uma série de microcontroladores que se tornaram muito populares no mercado, como seus famosos PICsUma família de dispositivos com diferentes tamanhos de palavras, como dispositivos de 16 bits, que podem ser muito flexíveis para serem programados e executar uma infinidade de funções.
Eles também têm um ecossistema fantástico compatível, o que torna as coisas muito mais fáceis para os desenvolvedores que os utilizam, bem como para os programadores que têm um IDE totalmente compatível para programar o código necessário.
Claro, o PIC não é a única arquitetura, há também AVR, Super-H, SAM, ARM Cortex-M, etc.
Arquitetura e operação do microcontrolador
Embora possam parecer complexos ter tudo integrado, como a CPU, a memória e o sistema de E/S, entre outros, a verdade é que os microcontroladores são mais simples do que muitas das CPUs ou GPUs avançadas usadas em computadores modernos. As CPUs integradas a esses microcontroladores são geralmente mais simples, como as CPUs de décadas atrás (por exemplo, a 8051 da Intel). De fato, muitos microcontroladores são baseados em arquiteturas desenvolvidas décadas atrás.
Os MCUs também podem implementar outros elementos adicionais ou especializados: processamento de sinais analógicos, controle de hardware externo ou um temporizador de monitoramento integrado para reinicializar o chip em caso de falha devido a programação incorreta. A arquitetura do chip pode ser fixa ou programável, permitindo que o dispositivo seja reconfigurado para diferentes aplicações.
Eles também não requerem uma grande capacidade de memória (podem ser memórias do tipo RAM, registradores, ROMs como EEPROM, flash, etc.) e geralmente incluem apenas alguns KBs ou MBs O IDE tem a capacidade de hospedar os programas necessários para executar as funções. Todos eles são carregados em uma série de instruções e dados que o IDE gerará a partir do código-fonte de programação de alto nível normalmente usado por desenvolvedores.
Tipos de microcontroladores
Como você pode imaginar, existem vários tipos de microcontroladorCada um tem características e capacidades diferentes, por isso as aplicações para as quais serão usados serão muito diferentes.
Já mencionei que os fatores mais importantes a serem considerados ao selecionar um microcontrolador são sua frequência de operação e a quantidade de memória disponível. Os requisitos da aplicação determinarão a frequência de operação, mas geralmente é melhor selecionar um dispositivo que corra o mais devagar possível sem deixar de atender aos requisitos, buscando maior estabilidade e confiabilidade devido às aplicações críticas para as quais esse tipo de chip normalmente é dedicado.
Onde os microcontroladores são usados?
microcontroladores Eles são usados em uma ampla variedade de aplicaçõesComo mencionei anteriormente, você os verá em eletrodomésticos e dispositivos eletrônicos de todos os tipos, em veículos terrestres, marítimos e aéreos, satélites e espaçonaves, foguetes, máquinas industriais e muito mais. Alguns dos exemplos mais conhecidos são:
- Automotive: São usados em muitas aplicações automotivas para controlar certos aspectos eletrônicos dos carros. Por exemplo, são comumente usados em sistemas modernos de gerenciamento de motores para controlar a injeção de combustível e o ponto de ignição. Também podem ser encontrados em outros sistemas de bordo, como sistemas de controle de transmissão.
- IndústriaVocê também pode encontrá-los em uma infinidade de máquinas industriais de todos os tipos e setores. São usados em uma ampla variedade de sistemas diferentes, como monitoramento e controle de máquinas, controle de processos e aquisição e análise de dados.
- ConsumoOs microcontroladores são cada vez mais usados em dispositivos de consumo, como eletrodomésticos, dispositivos eletrônicos usados em casa, etc. Até mesmo os computadores costumam ter vários microcontroladores para executar diferentes tarefas, além da CPU, GPU, etc.
- Comunicações: São usados especialmente em sistemas de radiofrequência ou outros tipos de comunicação. São utilizados tanto em redes de computadores quanto em equipamentos de radiocomunicação.
- Automação residencialÉ claro que os microcontroladores são essenciais para a automação residencial, automatizando uma infinidade de tarefas cotidianas em casas inteligentes. Eles são frequentemente usados em sensores e outros dispositivos que controlam e monitoram os sistemas de uma casa, como irrigação automática, elevação ou abaixamento de persianas com base nas condições de iluminação, e assim por diante.
- MedicinaMicrocontroladores são usados em muitas aplicações médicas, desde equipamentos hospitalares até dispositivos médicos implantados que controlam certos parâmetros biomédicos, marcapassos, etc.
- Militar: e, claro, eles são usados em uma ampla variedade de aplicações militares, como sistemas de armas, sistemas de controle de voo e sistemas de sensores.
Vantagens e desvantagens do MCU
Vantagens do uso de microcontroladores
A utilização de Os microcontroladores têm uma série de vantagens em comparação com outros dispositivos que também podem ser usados para as mesmas aplicações. Os destaques incluem:
- Requisitos de energia extremamente baixos, tornando-os ideais para aplicações alimentadas por bateria ou sistemas embutidos ou de parede de baixo consumo.
- Eles têm tempos de resposta rápidos, tornando-os adequados para aplicações incorporadas que exigem controle em tempo real.
- Capacidade de serem programados para executar uma ampla variedade de funções, ao contrário dos eletrônicos com fio, que só podem fazer uma coisa. Frequentemente, são capazes de executar tarefas complexas que seriam muito difíceis ou impossíveis de realizar com componentes discretos. Isso os torna ideais para aplicações que exigem soluções personalizadas.
- Eles estão disponíveis em uma ampla variedade de pacotes diferentes, facilitando a personalização de um aplicativo para atender a uma necessidade específica.
- Outra grande vantagem dos microcontroladores é seu baixo custo.
- Eles estão disponíveis em pequenas embalagens que facilitam sua instalação em uma ampla variedade de aplicações.
Limitações dos microcontroladores
Porém, nem tudo são vantagens nos microcontroladores, ele também tem algumas desvantagens o que também é importante destacar. Por exemplo:
- A capacidade de serem programados para executar diversas funções os torna muito versáteis, mas também dificulta a solução de problemas. Se um circuito não estiver funcionando corretamente, pode ser muito difícil descobrir o motivo, pois o problema pode ser devido a um programa defeituoso ou a um problema de hardware.
- Além disso, aplicações complexas podem exigir uma grande quantidade de memória e um desempenho de processamento superior ao da maioria dos microcontroladores do mercado.
- A falta de linguagens de programação de alto nível limita suas opções. Como processam instruções em linguagem de máquina de baixo nível, pode ser difícil fazer alterações em um programa ou depurar problemas de hardware.
Microcontroladores em IoT
A simplicidade dos microcontroladores torna-os fáceis de usar em Dispositivos IoT, como plugues inteligentes, interruptores inteligentes, lâmpadas inteligentes, sensores de umidade, sensores de fumaça e outros dispositivos simples. No entanto, dispositivos complexos geralmente exigem mais memória e poder de processamento, o que pode dificultar a instalação dos circuitos necessários em um dispositivo compacto, levando à necessidade de optar por CPUs e memórias de maior capacidade em vez de um MCU.
Além disso, sua versatilidade e todas as vantagens que mencionamos acima são realmente interessantes para esses dispositivos que não exigem altas capacidades de memória ou alto desempenho de processamento. Além disso, muitos desses dispositivos dependem de uma bateria, então esses CIs de baixa potência são ideais.
O que é Arduino?
Tenho certeza que você já o conhece. Arduino É uma popular placa de desenvolvimento baseada em microcontroladores de código aberto. É muito acessível e permite a fácil conclusão de uma ampla gama de projetos, seja para amadores ou crianças que estão começando a programar, eletrônica ou robótica, ou para uso mais profissional. Tudo isso graças à sua rica comunidade e ecossistema, com um IDE completo, inúmeras versões para atender a diferentes necessidades, acessórios disponíveis e muito mais.
Essas placas Arduino são programadas usando uma linguagem semelhante à C/C++ desenvolvida pela Arduino. Essa linguagem é simples o suficiente para iniciantes entenderem e usarem, mas poderosa o suficiente para criar projetos complexos no seu computador. Arduino IDEA popularidade do Arduino facilita a busca por recursos, peças e outras pessoas interessadas nos mesmos tipos de projetos. Então, qual melhor maneira de começar a se familiarizar e usar microcontroladores do que com um Arduino…
O que é o Arduino IDE?
Como eu disse antes, o Arduino tem uma ótima IDE (Ambiente de Desenvolvimento Integrado)Com este software, você pode criar esboços ou programar códigos-fonte e, em seguida, carregá-los na memória do microcontrolador Arduino usando um cabo USB conectado ao seu PC. Isso permite que o MCU os execute para realizar as funções que você deseja.
Claro, o Arduino IDE é de código aberto, é grátis e está disponível para uma ampla variedade de plataformas, incluindo macOS, Windows e Linux. Além de permitir a programação de placas Arduino, ele também suporta a programação de outros microcontroladores compatíveis, como AVR, PIC, etc., bem como placas compatíveis com Arduino…
Vantagens do Arduino e do Arduino IDE
Por fim, gostaria de declarar alguns projetos que você pode criar com esta plataforma Arduino IDE e a placa de desenvolvimento Arduino. Você também pode fazer isso usando esta linguagem de programação de alto nível, deixando a tradução para código de máquina (uns e zeros) compreensível pelo microcontrolador nas mãos do IDE. Você também pode usar uma linguagem baseada em blocos para quem não sabe programar ou para crianças.
Os projetos podem ser muito variados, desde a criação de um simples alarme até o desenvolvimento de um complexo sistema de irrigação para um jardim, passando por sistemas de automação residencial, monitoramento de parâmetros, automação de tarefas, etc. Como eu disse no início, o limite é quase a sua imaginação.
Além disso, há uma grande comunidade disposta a ajudá-lo, bem como uma infinidade de Complementos e kits especialmente projetados para Arduino, o que tornará as coisas muito mais fáceis para você. Não é como começar com um chip como o PIC ou o 8051 e ter que criar tudo quase do zero...
Agora você está familiarizado com o mundo dos microcontroladores e sabe como começar em casa ou na escola...