میکروکنترلر چیست؟

قطعاً تا به امروز اسم میکروکنترلر را شنیده‌اید؛ اما منظور از میکروکنترلر چیست؟ میکرو کنترلر یک مدار مجتمع کوچک بوده که برای کنترل و مدیریت عملیات خاص در سیستم‌های تعبیه‌شده طراحی شده است. این دستگاه در واقع یک کامپیوتر کوچک محسوب می‌شود که یک یا چند واحد پردازش مرکزی (CPU)، حافظه (RAM و ROM) و ورودی/خروجی‌های قابل‌برنامه‌ریزی در یک تراشه را در بر می‌گیرد. میکروکنترلرها برای اجرای وظایف مشخص و کنترل سیستم‌های خاص بهینه‌سازی شده‌اند.

میکروکنترلرها به دلیل ویژگی‌های چندمنظوره و انعطاف‌پذیری بالا، در طیف وسیعی از کاربردها از جمله لوازم خانگی، تجهیزات صنعتی و غیره به کار می‌روند. آن‌ها می‌توانند وظایف متنوعی مانند خواندن داده‌ها از سنسورها، کنترل موتورها، مدیریت نمایشگرها و ارتباط با دستگاه‌های دیگر را انجام دهند. میکروکنترلرها را به دلیل اندازه کوچک، هزینه پایین و کارایی بالا، به عنوان یکی از اجزای اصلی در دنیای الکترونیک مدرن می‌شناسند. در ادامه این مطلب به توضیحات کامل‌‌‌تری از مفهوم میکروکنترلر چیست، اجزا و کاربرد میکروکنترلر خواهیم پرداخت تا به صورت موثری از این قطعات را در تجهیزات استفاده ببرید.

تعریف و عملکرد میکروکنترلرها

میکروکنترلر مدار مجتمع فشرده‌‌ای بوده که وظیفه کنترل یک عملیات خاص در یک سیستم را دارد. در واقع نوعی میکروکامپیوتر به شمار می‌آید، اما اغلب به صورتی ساده‌تر و بهینه‌شده برای کاربردهای کنترلی هستند. میکروکنترلرها از یک یا چند واحد پردازش مرکزی به همراه حافظه و ورودی/خروجی‌های قابل برنامه‌ریزی و غیره تشکیل می‌شوند. در این تراشه، “میکرو” به دلیل اندازه و ابعاد کوچک آن و “کنترلر” به دلیل قابلیت کنترل دستگاه‌ها و ماشین‌آلات نام‌گذاری شده است. میکروکنترلرها در واقع چیپ‌های قابل‌برنامه‌ریزی الکترونیکی هستند که با اتصال قطعات مختلف در یک مدار الکترونیکی، عملکردی همچون کامپیوتر ساده را اختیار شما قرار می‌دهند.

حال بررسی می‌کنیم که شیوه عملکرد میکروکنترلر چیست؟ با روشن شدن منبع تغذیه، نوسانگر کوارتز به وسیله ثبات کنترل منطقی فعال می‌شود. در چند میلی‌ثانیه اول و طی آماده‌سازی دستگاه نیز، خازن شروع به شارژ شدن می‌کند. با رسیدن به سطح حداکثری ولتاژ و پایدار شدن فرکانس نوسانگر کوارتز، فرآیند نوشتن بیت در توابع ثبت‌شده رجیستر رخ خواهد داد. همه این عملیات با هماهنگی با ساعت نوسانگر و در عرض چند نانوثانیه صورت می‌گیرد تا تمام قطعات الکترونیکی فعال شوند.

شمارنده برنامه یا PC، حافظه برنامه را به آدرس صفر ارسال کرده و سپس با ارسال آدرس دستورالعمل به رمزگشایی‌کننده، عمل رمزگشایی عملکرد انجام خواهد شد و به اجرا در می‌آید. پس از اجرای هر دستورالعمل، شمارنده برنامه افزایش پیدا کرده به آدرس دستورالعمل بعدی خواهیم رفت تا این فرآیند را بار دیگر تکرار کند.

همچنین بخوانید: آموزش میکروکنترلر avr برای مبتدیان

اجزا و ساختار داخلی میکروکنترلرها

میکروکنترلرها از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند که هر یک نقش خاصی در عملکرد و کارایی آن‌ها ایفا می‌کنند. برای درک بهتر مفهوم میکروکنترلر چیست، به معرفی اجزای آن به شرح زیر می‌پردازیم:

• واحد پردازش مرکزی (CPU): قلب میکروکنترلرها که تمامی عملیات محاسباتی و منطقی را انجام می‌دهند. CPU شامل یک یا چند هسته پردازشی است.
• حافظه فقط خواندنی (ROM): حافظه‌ای که برنامه اصلی و دستورات کنترلی را ذخیره می‌کند. در حافظه پس از خاموش شدن میکرو کنترلر همچنان اطلاعات حفظ می‌شوند.
• حافظه دسترسی تصادفی (RAM): حافظه‌ای موقت که داده‌ها و متغیرهای مورد استفاده برنامه در حال اجرا را ذخیره می‌کند. این حافظه با قطع برق پاک می‌شود.
• پورت‌های ورودی/خروجی (I/O Ports): رابط‌هایی که میکروکنترلر را به دستگاه‌های خارجی متصل می‌کنند. این پورت‌ها برای دریافت داده‌ها از سنسورها (ورودی) و ارسال داده‌ها به عملگرها و نمایشگرها (خروجی) به کار می‌روند.(خرید نمایشگر)
• واحد مدیریت وقفه (Interrupt Controller): وقفه‌ها را مدیریت می‌کند و به میکروکنترلر اجازه می‌دهد تا در صورت وقوع یک رویداد خاص، برنامه اصلی را موقتاً متوقف کرده و به اجرای روتین وقفه بپردازد.
• واحد تایمر/کانتر (Timer/Counter Unit): برای اندازه‌گیری زمان و شمارش رویدادها استفاده می‌شود. این واحد‌ها برای تولید سیگنال‌های PWM یا ایجاد تأخیر زمانی کاربرد دارند.
• مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC): سیگنال‌های آنالوگ را به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌کند تا توسط میکروکنترلرها پردازش شوند. وظیفه این واحد خواندن مقادیر از سنسورهای آنالوگ است.
• مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC): داده‌های دیجیتال را به سیگنال‌های آنالوگ تبدیل می‌کند تا به دستگاه‌های خارجی بفرستند.
• واحد ارتباط سریال (Serial Communication Interface): برای تبادل داده‌ها بین میکروکنترلر و دستگاه‌های دیگر از طریق پروتکل‌های سریال مانند UART، SPI و I2C استفاده می‌شود.
• واحد تنظیم‌کننده توان (Power Management Unit): مدیریت و توزیع توان در داخل میکروکنترلر را بر عهده دارد و قابلیت‌های کاهش مصرف توان را شامل می‌شود.

برای تهیه و خرید مبدل ADC و DAC کلیک کنید.

مقایسه میکروکنترلر و میکروپروسسور

میکروکنترلرها (Microcontroller) و میکروپروسسورها (Microprocessor) هر دو از اجزای مهم در سیستم‌های الکترونیکی هستند، اما تفاوت اصلی میکروپروسسور با میکروکنترلر چیست؟

• تجهیزات جانبی: میکروکنترلرها شامل RAM، ROM و EEPROM داخلی هستند، در حالی که میکروپروسسورها به مدارهای خارجی نیاز دارند.
• اندازه و یکپارچگی: میکروکنترلرها تجهیزات جانبی را در یک تراشه فشرده دارند، در حالی که میکروپروسسورها از تجهیزات جانبی بزرگ‌تر استفاده می‌کنند.
• هزینه: میکروکنترلرها ارزان‌تر هستند، زیرا اجزای خارجی کمتری در ساخت آن‌ها به کار می‌رود؛ اما میکروپروسسورها به اجزای خارجی بیشتری نیاز دارند که هزینه را افزایش می‌دهد. همچنین به دلیل استفاده از فناوری اکسید فلز نیمه‌هادی مکمل، ساخت میکروکنترلرها هزینه کمتری خواهد داشت.
• سرعت پردازش: سرعت پردازش میکروکنترلرها بین 8 تا 50 مگاهرتز است، در حالی که سرعت میکروپروسسورها به بیش از 1 گیگاهرتز نیز می‌رسد.
• کاربرد و اندازه: میکروکنترلرها برای تجهیزات کوچک مناسب‌ترند، در حالی که میکروپروسسورها برای تجهیزات بزرگ‌تر استفاده می‌شوند.
• عملکرد: میکروکنترلرها عملکردی ساده‌ و میکروپروسسورها عملکرد پیچیده‌تری دارند. به همین دلیل در آن‌ها از ROM و RAM خارجی برای دستیابی به حافظه و سرعت بیشتر کمک می‌گیرند.
• مدل حافظه: میکرو کنترل را بر اساس مدل ‌هاروارد با حافظه جداگانه برای برنامه و داده‌ها می‌سازند، در حالی که میکروپروسسورها از مدل فون نویمان با حافظه مشترک برای برنامه و داده‌ها استفاده می‌کنند.

کاربردهای عملی میکروکنترلرها در صنایع مختلف

میکروکنترلرها به دلیل ویژگی‌های خاص و قابلیت‌های گسترده‌شان، در بسیاری از صنایع و دستگاه‌ها به کار می‌روند. انواعی از کاربرد میکروکنترلر به شرح زیر هستند:

• لوازم خانگی
• ابزارهای اداری
• لوازم جانبی کامپیوتر
• خودروها
• ابزارهای پزشکی
• اسباب‌بازی‌ها
• صنعت
• سیستم‌های امنیتی
• سیستم کنترل روشنایی
• سیستم کنترل دما و آتش
• لوازم ورزشی

توانایی این دستگاه‌ها در کنترل دقیق، پردازش سریع و مدیریت مصرف انرژی، اندازه‌گیری، ذخیره‌سازی، محاسبه، کنترل و نمایش اطلاعات آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای انواع مختلفی از محصولات و سیستم‌ها تبدیل کرده است.

جمع‌بندی

در این مطلب تلاش کردیم تا شما را با مفهوم میکروکنترلر چیست آشنا کنیم. میکروکنترلر یک مدار مجتمع کوچک است که یک یا چند واحد پردازش مرکزی، حافظه و ورودی/خروجی‌های قابل برنامه‌ریزی را در بر می‌گیرد. این دستگاه‌ها را برای کنترل و مدیریت عملیات خاص در سیستم‌ها طراحی می‌کنند و در صنایع مختلفی از جمله لوازم خانگی، خودرو و سیستم‌های صنعتی و غیره کاربرد دارند. میکروکنترلرها وظایف متنوعی مانند پردازش سریع و مدیریت مصرف انرژی، اندازه‌گیری، ذخیره‌سازی، محاسبه، کنترل و نمایش اطلاعات را انجام می‌دهند. با توجه به اندازه کوچک، هزینه پایین و کارایی بالا، میکروکنترلرها اجزای اصلی در دنیای الکترونیک مدرن هستند و نقش مهمی در پیشرفت فناوری و توسعه محصولات هوشمند ایفا می‌کنند.

برای تهیه و خرید میکروکنترلر و پروسسور و هم چنین دیگر قطعات الکترونیکی به سایت جم ترونیک مراجعه کنید.

سوالات متداول

• میکروکنترلر چیست و چه کاربردهایی دارد؟

میکرو کنترل مدار مجتمع فشرده‌‌ای بوده که برای کنترل یک عملیات خاص در یک سیستم طراحی شده و کاربرد میکروکنترلر را در صنایعی مانند لوازم خانگی، خودرو، تجهیزات پزشکی، سیستم‌های صنعتی، امنیتی و غیره می‌بینیم.

• تفاوت بین میکروکنترلر و میکروپروسسور چیست؟

میکروکنترلر شامل RAM، ROM در یک تراشه است و برای وظایف خاص بهینه شده، در حالی که میکروپروسسور به مدارهای خارجی نیاز دارد و با اندازه بزرگ‌تر برای عملیات پیچیده‌تر و نیازمند حافظه و سرعت بیشتر طراحی می‌شود. از طرفی میکروپروسسورها گران‌‌‌تر نیز هستند.

• اجزا و بخش‌های اصلی یک میکروکنترلر کدامند؟

اجزا و بخش‌های اصلی میکروکنترلرها شامل واحد پردازش مرکزی، حافظه، ورودی/خروجی‌، مدیریت وقفه، تایمر و مبدل آنالوگ به دیجیتال و غیره است.