微控制器應用

2021-05-17

微控制器應用

在本文中，我們將介紹最常見(jiàn)的微控制器應用程序，并提供在不同應用程序中微控制器用法的示例。有各種類(lèi)型的微控制器芯片，在特定應用和場(chǎng)景中，某些芯片比其他芯片更受青睞。

 

微控制器（μC）是具有內部外圍設備和接口的單個(gè)微計算機芯片。要了解微控制器的歷史，我們必須了解基礎知識，這些基礎知識導致了微控制器的發(fā)展。金屬氧化物半導體場(chǎng)效應晶體管（MOSFET）的發(fā)展可以追溯到1959-60年，在微控制器的起源中起著(zhù)至關(guān)重要的作用。另一個(gè)重大發(fā)展是在同年由Atalla提出的集成電路概念的引入。隨著(zhù)時(shí)間的流逝，如摩爾定律所預測的，MOS晶體管的密度不斷增加。

英特爾公司于1971年開(kāi)發(fā)了第一個(gè)微控制器，稱(chēng)為i4004。經(jīng)過(guò)最初的開(kāi)發(fā)，具有更多功能和內存的更高級版本被開(kāi)發(fā)出來(lái)，被稱(chēng)為16位8086微控制器。所有這些發(fā)展為開(kāi)發(fā)具有更多控制和功能的微控制器（如AVR）提供了更高級的版本。 

單片機概述 

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，如今各種類(lèi)型的微控制器都可用。微控制器是一種壓縮計算機，可以用來(lái)控制我們日常生活中的各種組件和設備?？梢愿鶕疃?span>128位的不同字長(cháng)對微控制器進(jìn)行分類(lèi)。這些應用程序還包括物聯(lián)網(wǎng)，機動(dòng)車(chē)輛，家用電器，機器人設備和辦公設備。 

微控制器的結構允許用戶(hù)完全控制特定的應用程序。用戶(hù)可以使用微控制器使小型系統自動(dòng)化。微控制器具有完整的控制設備，因為它具有處理器，外圍設備和用于處理數據存儲的存儲器。因此，可以肯定地說(shuō)，任何必須處理一些信息，存儲獲取和處理的數據并顯示計算出的信息的產(chǎn)品都可以具有微控制器芯片。微控制器的基本結構/組件為： 

中央處理器（CPU） 

所有微控制器都有一個(gè)稱(chēng)為中央處理器（CPU）的大腦。任何CPU的任務(wù)都是獲取要執行的指令，對其進(jìn)行分析并執行所需的任務(wù)。在微控制器中，CPU會(huì )從程序存儲器中提取指令，并執行所需的任務(wù)，然后，CPU移動(dòng)以獲取下一條指令。 

記憶 

微控制器具有內置存儲器，形式為閃存，ROM和RAM。這些存儲器用于存儲程序代碼和來(lái)自IO端口的數據。不同的微控制器具有不同的存儲器大小，這限制了微控制器在不同應用中的使用。 

IO端口

輸入/輸出（IO）端口用于從傳感器，用戶(hù)輸入等外部源獲取數據，并控制LED，LCD，打印機，電動(dòng)機，繼電器等外部設備。 

串行通訊端口 

微控制器中使用的串行端口非常有用，因為它在不同設備之間提供了非常重要的接口。微控制器具有不同類(lèi)型的串行通信接口，包括UART，SPI和I2C。 

計時(shí)器 

定時(shí)器是微控制器的重要因素。計時(shí)器有兩種使用方式：（i）作為產(chǎn)生脈沖的計時(shí)器和時(shí)鐘信號，以及（ii）作為用于對外部事件進(jìn)行計數的計數器。定時(shí)器的工作也與頻率有關(guān)，因為它在微控制器的時(shí)鐘上工作。 

ADC和DAC接口 

模數轉換器（ADC）可用于測量來(lái)自傳感器的模擬信號。數據以模擬形式讀取，然后使用微控制器的ADC功能轉換為數字。數模轉換器（ADC）與ADC相反，后者將數字數據轉換為模擬形式以驅動(dòng)模擬設備。 

中斷控制 

中斷用于確保微控制器的有效工作。中斷有助于微控制器不等待特定信號并按常規例行任務(wù)。當該信號到達時(shí)，將調用一個(gè)中斷例程，然后在執行該例程后，程序將返回其原始狀態(tài)。中斷可以是外部的也可以是內部的。 

單片機應用 

微控制器可以用于許多應用程序中，包括簡(jiǎn)單的應用程序（例如控制基本設備）到高級應用程序（從設備獲取反饋并根據反饋執行操作）。這里討論了一些微控制器應用： 

計數操作順序 

最早的微控制器應用之一是序列計數器。微控制器具有一個(gè)稱(chēng)為“計時(shí)器”的特殊功能，可用于對操作序列進(jìn)行計數。微控制器還可以根據出現的次數來(lái)決定任何操作。這可以用圖1來(lái)說(shuō)明。在此圖中，我們假設一個(gè)“檢測器”，當有人穿過(guò)門(mén)時(shí)，它會(huì )發(fā)送一個(gè)從低到高的脈沖?？刂破鳎ㄊ褂脮r(shí)間功能）計算通過(guò)登機口的人數。當特定人數的人通過(guò)大門(mén)時(shí)，蜂鳴器將被激活。

圖1：計數操作順序的圖示 

產(chǎn)生特定頻率的信號 

在實(shí)際應用中，有些過(guò)程可能需要單獨的時(shí)鐘才能工作。在此應用中，微控制器可以以預定義的頻率運行，這在某些應用中可能根本無(wú)濟于事。因此，微控制器提供了一種使用“定時(shí)器”在輸出端生成時(shí)鐘脈沖的功能。該時(shí)鐘脈沖可以為1Hz或更高。在圖2的圖示中，微控制器產(chǎn)生三個(gè)不同的時(shí)鐘信號，以驅動(dòng)三個(gè)不同的過(guò)程。 

圖2：生成不同時(shí)鐘脈沖的圖示 

TTL設備支持處理器 

通常，傳感器無(wú)法與以TTL級別運行的設備（例如個(gè)人計算機（PC））接口。因此，在此應用程序中，微控制器為計算機提供了支持。模擬或數字傳感器都與微控制器連接。解釋了從傳感器接收到的數據后，就會(huì )通過(guò)串行通信接口將其發(fā)送到計算機。要記住的重要一點(diǎn)是，微控制器在CMOS級別工作，而計算機在TTL下工作。因此，要在兩種類(lèi)型的設備之間傳輸數據，需要一個(gè)電平轉換器來(lái)實(shí)現。圖3中顯示了一個(gè)示例圖，其中從傳感器讀取數據，并在進(jìn)行初始處理后將其發(fā)送到計算機。 

圖3：從傳感器獲取數據并將信息發(fā)送到計算機的圖示 

控制交流設備 

借助繼電器，微控制器提供了一種控制交流設備的簡(jiǎn)便方法。如前所示，這是一個(gè)稍微復雜的微控制器應用程序。一個(gè)簡(jiǎn)單的交流控制電路如圖4所示，其中的燈泡可以用任何交流設備代替（通過(guò)更換正確的繼電器）。微控制器只是向繼電器發(fā)送一個(gè)直流信號，從而改變其開(kāi)關(guān)的位置，而在繼電器的另一端，則連接了交流設備，可以根據接觸開(kāi)關(guān)的位置來(lái)打開(kāi)/關(guān)閉交流設備。這是最簡(jiǎn)單的圖示，但是使用適當額定值的繼電器，就可以使用微控制器控制交流設備。

圖4：如何使用微控制器控制交流設備的圖示 

微波控制–實(shí)時(shí)微控制器應用 

微控制器還可以用于控制不同的設備，例如微波爐。如圖5所示，微控制器可用于從用戶(hù)處獲取輸入以設置時(shí)間，啟動(dòng)和停止操作。另一方面，它可以在7段顯示器上顯示狀態(tài)，可以使用繼電器操作轉盤(pán)和燈。 

圖5：實(shí)際應用的圖示，其中可以使用微控制器控制微波爐 

感光控制裝置 

如前所述，微控制器用于讀取傳感器讀數。因此，我們可以連接光傳感器，以便檢測光強度并自動(dòng)控制路燈等設備。這也有助于節省電力，因為白天絕不會(huì )打開(kāi)燈。 

溫度傳感與控制裝置 

使用傳感器的另一種微控制器應用可能是需要溫度控制的設備，例如空調。該微控制器可用于測量當前溫度，并且根據溫度值，可以打開(kāi)或關(guān)閉相應的設備。

火災探測報警到控制室 

發(fā)生火災時(shí)，微控制器可以發(fā)揮重要作用，以迅速采取行動(dòng)。微控制器可以使用熱量和煙霧傳感器檢測火情?？梢允褂?span>Wi-Fi，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )將微控制器直接與消防部門(mén)控制室鏈接。這樣，可以使消防部門(mén)的響應時(shí)間最小化，并可以減少損壞。 

數據通訊 

數據通信是使用多個(gè)設備的任何系統的重要組成部分。微控制器具有多種協(xié)議來(lái)傳輸和接收數據，包括串行通信，SPI，I2C。后者有助于在多個(gè)設備之間進(jìn)行通信，這使微控制器成為設備中通信的更好選擇。 

速度計和自動(dòng)制動(dòng) 

眾所周知，汽車(chē)正在向自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展。微控制器可以用于多個(gè)目的，速度計和自動(dòng)制動(dòng)。超聲波傳感器可以用來(lái)檢測汽車(chē)的速度，而自動(dòng)制動(dòng)算法也可以基于超聲波傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)。