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微控制器應用

技術專題

微控制器應用


微控制器應用

在本文中,我們將介紹最常見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。有各種類型的微控制器芯片,在特定應用和場景中,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至關重要的作用。另一個重大發(fā)展是在同年由Atalla提出的集成電路概念的引入。隨著時間的流逝,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年開發(fā)了第一個微控制器,稱為i4004。經(jīng)過最初的開發(fā),具有更多功能和內存的更高級版本被開發(fā)出來,被稱為168086微控制器。所有這些發(fā)展為開發(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)過多年的發(fā)展,如今各種類型的微控制器都可用。微控制器是一種壓縮計算機,可以用來控制我們日常生活中的各種組件和設備。可以根據(jù)最多128位的不同字長對微控制器進行分類。這些應用程序還包括物聯(lián)網(wǎng),機動車輛,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完全控制特定的應用程序。用戶可以使用微控制器使小型系統(tǒng)自動化。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(shù)據(jù)存儲的存儲器。因此,可以肯定地說,任何必須處理一些信息,存儲獲取和處理的數(shù)據(jù)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稱為中央處理器(CPU)的大腦。任何CPU的任務都是獲取要執(zhí)行的指令,對其進行分析并執(zhí)行所需的任務。在微控制器中,CPU會從程序存儲器中提取指令,并執(zhí)行所需的任務,然后,CPU移動以獲取下一條指令。 

記憶 

微控制器具有內置存儲器,形式為閃存,ROMRAM。這些存儲器用于存儲程序代碼和來自IO端口的數(shù)據(jù)。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,用戶輸入等外部源獲取數(shù)據(jù),并控制LEDLCD,打印機,電動機,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型的串行通信接口,包括UARTSPII2C 

計時器 

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

ADCDAC接口 

模數(shù)轉換器(ADC)可用于測量來自傳感器的模擬信號。數(shù)據(jù)以模擬形式讀取,然后使用微控制器的ADC功能轉換為數(shù)字。數(shù)模轉換器(ADC)與ADC相反,后者將數(shù)字數(shù)據(jù)轉換為模擬形式以驅動模擬設備。 

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(guī)例行任務。當該信號到達時,將調用一個中斷例程,然后在執(zhí)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(jù)反饋執(zhí)行操作)。這里討論了一些微控制器應用: 

計數(shù)操作順序 

最早的微控制器應用之一是序列計數(shù)器。微控制器具有一個稱為計時器的特殊功能,可用于對操作序列進行計數(shù)。微控制器還可以根據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)來決定任何操作。這可以用圖1來說明。在此圖中,我們假設一個檢測器,當有人穿過門時,它會發(fā)送一個從低到高的脈沖。控制器(使用時間功能)計算通過登機口的人數(shù)。當特定人數(shù)的人通過大門時,蜂鳴器將被激活。

1:計數(shù)操作順序的圖示 

產(chǎn)生特定頻率的信號 

在實際應用中,有些過程可能需要單獨的時鐘才能工作。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濟于事。因此,微控制器提供了一種使用定時器在輸出端生成時鐘脈沖的功能。該時鐘脈沖可以為1Hz或更高。在圖2的圖示中,微控制器產(chǎn)生三個不同的時鐘信號,以驅動三個不同的過程。 

2:生成不同時鐘脈沖的圖示 

TTL設備支持處理器 

通常,傳感器無法與以TTL級別運行的設備(例如個人計算機(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(shù)字傳感器都與微控制器連接。解釋了從傳感器接收到的數(shù)據(jù)后,就會通過串行通信接口將其發(fā)送到計算機。要記住的重要一點是,微控制器在CMOS級別工作,而計算機在TTL下工作。因此,要在兩種類型的設備之間傳輸數(shù)據(jù),需要一個電平轉換器來實現(xiàn)。圖3中顯示了一個示例圖,其中從傳感器讀取數(shù)據(jù),并在進行初始處理后將其發(fā)送到計算機。 

3:從傳感器獲取數(shù)據(jù)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便方法。如前所示,這是一個稍微復雜的微控制器應用程序。一個簡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(通過更換正確的繼電器)。微控制器只是向繼電器發(fā)送一個直流信號,從而改變其開關的位置,而在繼電器的另一端,則連接了交流設備,可以根據(jù)接觸開關的位置來打開/關閉交流設備。這是最簡單的圖示,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。

4:如何使用微控制器控制交流設備的圖示 

微波控制實時微控制器應用 

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處獲取輸入以設置時間,啟動和停止操作。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和燈。 

5:實際應用的圖示,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(shù)。因此,我們可以連接光傳感器,以便檢測光強度并自動控制路燈等設備。這也有助于節(jié)省電力,因為白天絕不會打開燈。 

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(jù)溫度值,可以打開或關閉相應的設備。

火災探測報警到控制室 

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

數(shù)據(jù)通訊 

數(shù)據(jù)通信是使用多個設備的任何系統(tǒng)的重要組成部分。微控制器具有多種協(xié)議來傳輸和接收數(shù)據(jù),包括串行通信,SPII2C。后者有助于在多個設備之間進行通信,這使微控制器成為設備中通信的更好選擇。 

速度計和自動制動 

眾所周知,汽車正在向自動駕駛汽車發(fā)展。微控制器可以用于多個目的,速度計和自動制動。超聲波傳感器可以用來檢測汽車的速度,而自動制動算法也可以基于超聲波傳感器來開發(fā)。

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