میکروکنترلر چیست؟ بررسی انواع و کاربرد آنها

ساختار میکروکنترلر و انواع این قطعه موضوعی است که به بررسی بیشتر آن در این مقاله می‌پردازیم. میکروکنترلر (Microcontroller Unit) یک نوع مدار مجتمع است که برای اجرای وظایفی خاص در سیستم‌های صنعتی تعبیه می‌شود. این وسیله یک قطعه کاربردی در تمام دستگاه‌هایی است که به صورت روزمره ما با آن سر و کار داریم. ساده‌ترین و روزمره‌ترین نوع وسایل که ما از آن استفاده می‌کنیم ماشین لباسشویی، کنترل تلوزیون، ماشین‌های اداری و … است.

میکروکنترلر چیست؟

در جهان اولین بار در سال 1974 میکروکنترلری با عنوان TMS 1000 روانه بازار گردید. و به مرور از مهم‌ترین قطعات الکتریکی به حساب آمد. آی سی میکروکنترلر چیست؟ میکروکنترلر (Microcontroller) یک نوع کامپیوتر کوچک و یکپارچه است که شامل پردازنده (CPU)، حافظه (RAM و ROM) و پورت‌ های ورودی/خروجی (I/O) می‌باشد. این دستگاه‌ ها به‌ طور خاص برای کنترل و پردازش داده‌ ها در سیستم‌ های الکترونیکی طراحی شده‌ اند و به‌ طور معمول در برنامه‌ های کاربردی که نیاز به پردازش ساده دارند، به کار می‌ روند.

میکروکنترلرها معمولاً در پروژه‌های الکترونیکی کوچک و بزرگ استفاده می‌شوند و می‌توانند عملیات مختلفی مانند پردازش داده‌ها، کنترل دستگاه‌های ورودی و خروجی، و ارتباط با سایر دستگاه‌ها را انجام دهند. به‌طور کلی، میکروکنترلرها بخش اصلی بسیاری از دستگاه‌های هوشمند، ربات‌ها، سیستم‌های اتوماسیون صنعتی، و حتی لوازم خانگی هوشمند هستند.

میکروکنترلر از دو بخش تشکیل شده میکرو به معنای خیلی کوچک، که بعنوان یک واحد اندازه‌گیری یونانی است و کنترلر به معنی کنترل کننده معنی می‌گردد.

این قطعه اطلاعات ورودی را جمع‌آوری می‌کند و با پردازش آنها عملیات خاصی را روی آن انجام می‌دهد و در نهایت خروجی را به ما منتقل می‌کند. به دلیل ساختاری که این قطعه دارد، میکروکنترلر را بعنوان یک رایانه کوچک که شامل پردازنده، حافظه کوچک و لوازم جانبی قابل برنامه‌ریزی است در نظر می‌گیرند.

ساختار میکروکنترلرها از CPU (واحد پردازش مرکزی)، حافظه RAM، حافظه ROM، تایمر، پورت‌های ورودی و خروجی، مبدل دیجیتال و آنالوگ و رابط کاربری سری تشکیل شده. موضوع مهمی که در دستگاه‌های مجهز به این قطعه باید رعایت گردد این است که میکروکنترلر باید نیازهای کم مصرف داشته باشند زیرا بسیاری از دستگاه‌هایی که کنترل می‌کنند با باتری فعال هستند.

شاید برایتان سوال شده باشد که چرا میکروکنترلر از اهمیت بالایی برخوردار است؟ در پاسخ به این سوال ابتدا به امکانات موجود در این قطعه می‌پردازیم:

• دارا بودن حافظه موقت خواندنی و نوشتی RAM
• واحد پردازش مرکزی CPU
• حافظه خواندنی ROM
• وجود پورت‌های ورودی و خروجی I/O Ports
• وجود شمارنده و تایمر
• مبدل آنالوگ به دیجیتال و برعکس
• رابط کاربری سریال
• کنترل کننده وقفه یا Interrupt Controls

شرکت‌های مختلفی از جمله NXP Semiconductor، Texas-instruments، Atmel و … از برندهای معروف جهانی هستند که مجموعه ایران کامپو به غیر از ارایه میکروکنترلر از این کمپانی‌ها قطعات دیگری مثل دیود زنر، ترانزیستور و … را به فروش می‌رساند.

هر یک از این اجزای داخلی که در بالا نام برده شد وظیفه‌ایی دارند که به شرح ذیل می‌باشد:

حافظه RAM و ROM

ذخیره داده‌ها و اطلاعات در ساختار میکروکنترلر به عهده حافظه است. حافظه یک تراشه است و به شکل‌های مختلفی دیده می‌شود مثل RAM، ROM، EPROM، EEPROM و …

CPU

مرکز کنترل یک میکروکنترلر هسته آن است. هسته پردازنده داده‌هایی است که به قطعه منتقل می‌شود.

پورت‌های ورودی و خروجی

بسته به نوع میکروکنترلر تعداد پورت‌های آن هم متفاوت است. هر میکروکنترلر درای تعدادی از این پورت‌ها است. نوع دیگری پورت وجود دارد که به آن پورت سریال می‌گویند. پورت‌های سریال به نوعی رابطی هستند بین سریال میکروکنترلر با وسایل جانبی دیگر. به زبان ساده‌تر زمانی که اطلاعات به صورت همزمان بخواهند به داخل یا خارج یک بیت بوسیله یک بیت دیگر منتقل شود این مدل از پورت ارتباط سریالی را برقرار میکند.

مبدل آنالوگ به دیجیتال

اگر اطلاعات بخواهند از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل شوند توسط سیستمی که به صورت توکار قرار گرفته انجام می‌پذیرد که نام آن ADC است و اگر حالت عکس آن بخواهد صورت گیرد به آن DAC می‌گویند.

تایمر و شمارنده

از قسمت‌های مهم سیستم توکار جهت انجام فعالیت‌هایی مثل تولید پالس، شمارش آنها، تعدیل و … مورد نیاز قرار می‌گیرد.

کنترل وقفه

کنترل وقفه نوعی اعلان است که روند مداوم را قطع می‌کند و دستورالعمل‌هایی که بر اساس وظیفه تعریف شده توسط کنترل وقفه ارایه می‌دهد.

انواع میکروکنترلر ها

میکروکنترلرها در انواع مختلفی عرضه می‌ شوند که بسته به عواملی مانند قدرت پردازش، اندازه حافظه و پشتیبانی از وسایل جانبی تفاوت دارند. در اینجا انواع اصلی میکروکنترلرها آمده است:

میکروکنترلرهای 8 بیتی:

• این میکروکنترلرها قادر به پردازش داده‌ ها به‌ صورت 8 بیتی هستند. معمولاً برای پروژه‌ های ساده و سیستم‌ های کم ‌مصرف استفاده می‌ شوند.
• مثال: میکروکنترلر 8051 یا PIC 16F84. برای خرید میکروکنترلر 8 بیتی کلیک کنید.

میکروکنترلرهای 16 بیتی:

• این دسته از میکروکنترلرها توانایی پردازش داده‌ ها به ‌صورت 16 بیتی را دارند و برای سیستم‌ هایی با نیاز به پردازش متوسط و توانایی بیشتر نسبت به میکروکنترلرهای 8 بیتی استفاده می ‌شوند. برای خرید میکروکنترلر 16 بیتی کلیک کنید.

میکروکنترلرهای 32 بیتی:

• میکروکنترلرهای 32 بیتی می ‌توانند پردازش پیچیده ‌تر و سریع ‌تری داشته باشند و برای سیستم ‌های پیچیده ‌تر مانند رباتیک و سیستم‌ های توکار صنعتی مناسب هستند.
• مثال: ARM Cortex-M4،

میکروکنترلرهای 64 بیتی:

• اگرچه در فضای جاسازی ‌شده کمتر رایج هستند، میکروکنترلرهای ۶۴ بیتی قدرت پردازشی بالا و ظرفیت حافظه زیادی (RAM بیش از 4 گیگابایت) دارند.
• مثال‌ها: ARM Cortex-A.
• کاربردها: برنامه‌های با عملکرد بالا مانند گوشی‌های هوشمند، دستگاه‌های محاسباتی پیشرفته و سیستم‌های سمت سرور.

خانواده‌های اصلی میکروکنترلرها

1. خانواده 8051
   •  8051 یکی از اولین میکروکنترلرها است و هنوز هم در بسیاری از برنامه ‌ها مورد استفاده قرار می ‌گیرد. این یک میکروکنترلر ۸ بیتی است و دارای اکوسیستم گسترده‌ ای از دستگاه ‌ها و ابزارهای توسعه سازگار است.
   • از مدلهای معروف آن می توان به Atmel 8051، Philips 8051. اشاره کرد.
2. خانواده  PIC
   • میکروکنترلرهای PIC توسط شرکت Microchip Technology توسعه یافته ‌اند و در پیکربندی‌ های مختلف (۸ بیتی، ۱۶ بیتی و ۳۲ بیتی) موجود هستند.
   • آن ‌ها به خاطر مصرف انرژی پایین، برنامه‌ نویسی آسان و پشتیبانی از کاربردهای وسیع شناخته شده‌ اند.

1. خانواده AVR
   • میکروکنترلرهای AVR توسط شرکت Atmel که اکنون بخشی از Microchip است، توسعه یافته ‌اند و شامل میکروکنترلرهای ۸ بیتی، ۱۶ بیتی و ۳۲ بیتی هستند.
   • پلتفرم‌ های Arduino بر اساس چیپ‌های AVR ساخته شده ‌اند که در پروژه‌ های آموزشی و سرگرمی بسیار محبوب می باشند.

1. میکروکنترلرهای مبتنی بر ARM 
   • میکروکنترلرهای ARM به ‌طور گسترده‌ ای در Embedded systems ۳۲ بیتی و ۶۴ بیتی استفاده می ‌شوند.
   • آن‌ها به دلیل عملکرد بالا، مصرف انرژی کم و پشتیبانی توسعه گسترده شناخته شده ‌اند.

• • همانند Cortex-M و Cortex-A

تفاوت میکروکنترلر و میکروپروسسور چیست؟

میکروکنترلرها و میکروپروسسورها دو نوع از واحدهای پردازش مرکزی هستند که در طراحی و ساخت دستگاه‌ های الکترونیکی مختلف استفاده می ‌شوند. در حالی که هر دو این قطعات در زمینه پردازش اطلاعات عمل می‌ کنند، تفاوت‌ های اساسی میان آن‌ ها وجود دارد که در زیر به طور مفصل توضیح داده شده است. پیشتر به بررسی اینکه میکروکنترلر چیست پرداختیم، در اینجا ابتدا به بررسی مختصر تعریف میکروپروسسورها می پردازیم:

میکروپروسسور چیست؟ میکروپروسسور (Microprocessor) یک واحد پردازش مرکزی است که بیشتر برای پردازش داده ‌ها و اجرای دستورات برنامه‌ ها طراحی شده است. این قطعه، مغز اصلی دستگاه‌ های محاسباتی مانند رایانه ‌ها، لپ‌تاپ‌ ها، سرورها و دستگاه‌ های مشابه است. میکروپروسسور معمولاً تنها شامل واحد پردازش مرکزی (CPU) است و برای عملکرد صحیح به اجزای اضافی مانند حافظه و ورودی/خروجی  نیاز دارد.

حال این سوال پیش می آید که فرق میکروکنترلر و میکروپروسسور چیست؟

از نظر کاربرد

میکروپروسسور: بیشتر در سیستم‌ های پیچیده و عمومی‌ مانند رایانه ‌ها، سرورها و دستگاه ‌هایی که نیاز به پردازش محاسباتی بالا دارند استفاده می‌شود.

میکروکنترلر: برای دستگاه‌ های کنترل خاص که نیاز به پردازش کم‌ حجم و کنترل دقیق دارند طراحی شده ‌اند. این دستگاه ‌ها می ‌توانند شامل لوازم خانگی، سیستم‌ های کنترل صنعتی، سنسورها و دستگاه‌ های اینترنت اشیاء (IoT) باشند.

تفاوت طراحی و ساختار

میکروپروسسور: معمولاً فقط CPU را شامل می ‌شود و نیاز به سایر قطعات برای تکمیل عملکرد خود دارد.

میکروکنترلر: علاوه بر CPU، شامل حافظه (ROM و RAM)، ورودی/خروجی (I/O) و حتی ماژول‌ های خاص مانند تایمرها و مبدل‌ های آنالوگ به دیجیتال (ADC) است. به عبارت دیگر، یک میکروکنترلر یک سیستم کامل در یک تراشه است.

از نظر ابعادی نیز، میکروپروسسور معمولاً دارای اندازه بزرگ‌ تری است و نیاز به برد مدار چاپی (PCB) جداگانه برای نصب سایر قطعات دارد. در حالی که میکروکنترلر معمولاً کوچک‌ تر و فشرده‌ تر است و تمامی اجزای مورد نیاز در یک تراشه واحد قرار دارد.

مصرف انرژی

میکروپروسسور: مصرف انرژی میکروپروسسورها معمولاً بالاتر است، زیرا طراحی آن‌ ها برای پردازش‌ های پیچیده و سنگین ‌تر است.

میکروکنترلر: مصرف انرژی میکروکنترلرها معمولاً کمتر است، زیرا طراحی آن ‌ها برای انجام وظایف خاص و ساده‌ تر است.

از نظر قدرت پردازش

آی سی میکروپروسسور توان پردازشی میکروپروسسورها بسیار بالاتر است. این نوع پردازنده‌ها قادر به اجرای عملیات‌های پیچیده‌تری هستند.

میکروکنترلر: توان پردازشی میکروکنترلرها محدودتر است و بیشتر برای انجام کارهای ساده و در زمان واقعی (real-time) طراحی شده‌اند.

مقایسه قیمتی میکروپرسسور و میکروکنترلرها

میکروپروسسورها به دلیل پیچیدگی بیشتر، معمولاً گران‌تر از میکروکنترلرها هستند. در حالی که آی سی میکروکنترلر به دلیل طراحی ساده‌ تر و امکانات کمتر، معمولاً قیمت پایین‌ تری دارند.

دسته‌بندی میکروکنترلرها

به صورت کلی دسته‌ بندی میکروکنترلرها بر 3 اساس صورت می‌ گیرد:

1. بر اساس بیت
2. بر اساس حافظه
3. بر اساس دستورالعمل

• بر اساس بیت میکروکنترلرها شامل 3 مدل 8، 16، 32 بیتی هستند که بر اساس نوع داده مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• هر میکروکنترلر دو نوع حافظه دارد، داخلی و خارجی. حافظه داخلی را با نام دیگری که حافظه جاسازی شده است، صدا میزنند.
• بر اساس دستورالعمل، پردازش میکروکنترلرها به دو صورت پیچیده و کاهش یافته تقسیم‌بندی می‌شود. دستورات پیچیده را CISC و دستورات کاهش یافته را Reduced Instruction Set Computers می‌نامند.

راهنمای خرید میکروکنترلر

1- اندازه بیت

اکثر میکروکنترلرها در بازه 8 تا 32 بیتی قرار دارند. نوع 8 بیتی عملیات منطقی را اجرا می‌کند در صورتی که عملیات اجرایی احتیاج به دقت بالاتری داشته باشد نوع 16 بیتی آن کارساز است. در وسایلی که کنترل آنها به صورت خودکار انجام می‌شود میکروکنترلر 32 بیتی استفاده می‌شود.

2- حافظه RAM

حافظه داخلی در میکروکنترلرها از 4B تا 4MB می‌تواند باشد. البته بنا به نوع قطعه حافظه داخلی آن نیز متفاوت است.

3- پین ورودی و خروجی

با توجه به نوع نیازی که در عملیات‌های اجرایی خود دارید میکروکنترلرهایی را می‌توانید انتخاب کنید که تعداد و اندازه پین‌های آن متناسب با نوع فعالیت شما باشد.

کاربرد میکروکنترلرها در صنعت

میکروکنترلرها در طیف گسترده‌ ای از دستگاه‌ ها و برنامه‌ ها پیدا می ‌شوند، از گجت‌ های ساده گرفته تا سیستم‌ های پیچیده. در اینجا برخی از کاربردهای رایج آن‌ ها آمده است:

1. لوازم خانگی
   • میکروکنترلرها در ماشین‌ های لباسشویی، مایکروویوها، یخچال‌ ها و کولرها برای مدیریت عملیات مختلف مانند تایمرها، کنترل موتور و تنظیم دما استفاده می ‌شوند.
2. وسایل نقلیه
   • در خودروهای مدرن، میکروکنترلرها برای مدیریت سیستم ‌های مختلف مانند کیسه هوا، پنجره‌ های برقی، سیستم ‌های ترمز ضد قفل (ABS)، واحدهای کنترل موتور (ECU) و غیره استفاده می ‌شوند.
3. الکترونیک مصرفی
   • دستگاه‌ هایی مانند تلویزیون ‌های هوشمند، سیستم ‌های صوتی و دوربین ‌ها معمولاً برای مدیریت وظایف اصلی مانند کنترل برق، پردازش سیگنال و مدیریت رابط کاربری به میکروکنترلرها تکیه دارند.
4. رباتیک
   • میکروکنترلرها در رباتیک مرکزی هستند و موتورهای، حسگرها و عملگرها را کنترل می ‌کنند تا ربات‌ ها بتوانند با محیط خود تعامل داشته باشند. آن ‌ها برای ربات‌ های تفریحی و صنعتی حیاتی هستند.
5. IoT
   • میکروکنترلرها پایه و اساس دستگاه‌ های IoT هستند که حسگرها و عملگرها را به شبکه ‌ها متصل می ‌کنند، داده‌ ها را پردازش می ‌کنند و وظایفی مانند نظارت از راه دور و اتوماسیون را انجام می ‌دهند. مثال ‌ها شامل ترموستات‌ های هوشمند، پوشیدنی ‌ها و دوربین‌ های امنیتی متصل.
6. دستگاه‌ های پزشکی
   • تجهیزات پزشکی مانند مترهای قند خون، پمپ‌ های انفوزیون، مانیتورهای ضربان قلب و ابزارهای تشخیصی برای پردازش داده‌ های حسگر و انجام وظایف حیاتی کنترل به میکروکنترلرها وابسته هستند.
7. اتوماسیون صنعتی
   • در کارخانه ‌های تولیدی، میکروکنترلرها برای کنترل ماشین ‌ها، حسگرها، عملگرها و ربات‌ ها استفاده می ‌شوند. آن‌ها کنترل دقیق، نظارت و ثبت داده‌ ها را در محیط ‌های اتوماسیونی فراهم می‌کنند.
8. اسباب‌بازی‌ها و گجت‌ها
   • میکروکنترلرها اسباب ‌بازی ‌ها، پهپادها و گجت ‌هایی با ویژگی ‌های تعاملی را قدرت می ‌دهند. آن‌ها می ‌توانند ورودی از حسگرها را پردازش کرده، افکت ‌های صوتی تولید کرده یا حتی نمایشگرهای نوری را در اسباب ‌بازی‌ها کنترل کنند.
9. سیستم‌ های امنیتی
   • از دوربین‌ های نظارتی گرفته تا سیستم‌ های ورود به درب و آلارم‌ ها، میکروکنترلرها برای مدیریت عملیات و یکپارچه‌ سازی ویژگی ‌های امنیتی مانند تشخیص حرکت و پردازش ویدیو استفاده می ‌شوند.
10. دستگاه ‌های خانه هوشمند
    • بسیاری از دستگاه‌ های خانه های هوشمند، مانند چراغ ‌ها، قفل‌ ها و حسگرهای دما، توسط میکروکنترلرها برای کنترل و اتوماسیون سیستم‌ های خانگی بر اساس ورودی کاربر یا شرایط محیطی قدرت می‌گیرند.

کلام پایانی

سعی کردیم در این مقاله شما را با ساختار میکروکنترلر و کاربرد آن در صنعت بیشتر آشنا سازیم. مجموعه ایران کامپو بعنوان یکی از وارد کنندگان قطعات صنعتی پرکاربرد آماده ارایه خدمت رسانی به شما عزیزان می‌باشد. همچنین می‌توانید سوالات خود را با کارشناسان مجموعه در میان بگذارید تا خریدی مطمئن و با کیفیت را داشته باشید.