میکروکنترلر یا ریزکنترلر، گونه ای ریزپردازنده و در واقع ابزاری است که با اتصال قطعات مختلف الکتریکی در مدارها، اجزای یک کامپیوتر اولیه را تشکیل می دهد. از میکروکنترلرها استفاده های مختلفی می شود که از مهمترین آنها می توان به ساخت و مانیتورینگ انواع سیستم‌های الکترونیکی اشاره کرد. میکروکنترلرها را می توان طوری برنامه ریزی کرد که فقط در مواقع خاص و زمان هایی که به آنها نیاز است در مدار فعال شوند. همچنین در صنعت و دستگاه‌های مختلف، کاربرهای بسیار زیادی دارند. از این رو برای این که بیشتر با میکروکنترلر آشنا شوید باید با اجزا، کاربرد و انواع این کامپیوترهای کوچک و ساده آشنا شوید.

تاریخچه میکروکنترلر

اولین ریزپردازنده‌‌ (به شکل امروزی که ما می شناسیم)، توسط فدریکو فاجین یکی از مهندسان ایتالیایی معروف حوزه الکترونیک در سال ۱۹۷۱ با کمک فناوری MOS و به کمک مهندسان اینتل، یعنی مارسیان هاف و استن مازور و مهندس شرکت بوکسیم ماساتوشی شیما تولید شد. این تراشه، اینتل ۴۰۰۴ نام داشت و حداکثر پالس ساعت آن ۷۴۰ کیلوهرتز و حافظه آن ۶۴۰ بایت بود. از این میکروکنترلر در کارهای محاسباتی و چاپی ساده استفاده میشد. اما هزینه این ریز پردازنده چند صد دلار بود آن هم در سال ۱۹۷۱ بود و از این رو فقط برای دستگاه‌های بزرگ مقرون به صرفه بود. مشکل دیگری که این ریزکنترلرها داشتند این بود که نیازمند به چندین تراشه خارجی بودند، در واقع برای این میکروکنترلر باید تراشه‌های حافظه و رابط جانبی تهیه می شد.

بعدها و در سال 1974، شرکت TI میکروکنترلر TMS 1000 را تولید کرد که بسیار پیشرفته‌تر از نسخه‌های قبلی بود و دیگر نیاز به تراشه‌های جانبی برای تکمیل شدن میکروکنترلر در آنها وجود نداشت. همچنین هزینه این میکروکنترلر هم به حد زیادی کاهش پیدا کرده بود و از این رو، این میکروکنترلر تبدیل به یکی از پرفروش ترین محصولاتی شد که تا آن موقع TI تولید کرده بود. در واقع از آن موقع به بعد بود که دنیا به میکروکنترلرها به شکل دیگری نگاه می‌کرد و شرکت‌های الکترونیکی، با شور بیشتری برای تولید این محصولات خاص قدم برمی‌داشتند.

بعد از سال 1974 و فروش بی نظیر میکروکنترلر TMS 1000، غول‌های فناوری الکترونیک ژاپنی و آمریکایی دست به کار شدند تا میکروکنترلرهای مخصوص به خودشان را طراحی کنند و رفته رفته میکروکنترلرها در دنیا و صنعت های مختلف جای خودشان را باز کردند. به طوری که خودروسازهای ژاپنی از میکروکنترلرها برای سرگرمی در ماشین و یا تقویت موتورهای وسایل مختلف استفاده می‌کردند.

اجزای میکروکنترلرها

میکروکنترلرها با این که یک جزو کوچک هستند، اما اجزای زیادی دارند که هر کدام از بخش مهمی از یک میکروکنترلر را کنترل می‌کند. بنابراین برای شناخت بیشتر با میکروکنترلرها باید اجزای آن ها را هم بشناسید تا بدانید که یک میکروکنترلر تا چه حدی دقیق است و چه جزئیاتی را شامل می شود.

حافظه

میکروکنترلرها هم مانند انواع تراشه های الکترونیکی، یک سری اطلاعات را در خودشان جای می‌دهند این اطلاعات می‌تواند قسمتی از کدهای نوشته شده بر روی میکروکنترلر باشد و یا اطلاعاتی از دستگاهی باشد که میکروکنترلر روی آن سوار شده است.

پورت (port)

واژه پورت در زبان انگلیسی به معنای بندر است. در واقع این بخش از میکروکنترلر باعث می شود که این ریزتراشه به دنیای بیرون متصل شود. هر چیزی که فکر می کنید و دارای یک مدار الکترونیکی است، می تواند از طریق پروت به میکروکنترلر وصل شود. از یک LED گرفته تا یک دستگاه و یا ربات بسیار بزرگ فرقی نمی کند. حتی می توانید یک میکروکنترلر را به یک میکروکنترلر و یا تعداد زیادی از میکروکنترلرها وصل کنید.

تایمر (timer)

یکی دیگر از اجزای ریز تراشه‌ها، تایمر ها هستند. فرض کنید شما یک دستگاه دارید که باید هر چند ثانیه یک کار خاصی را انجام دهد. برای مثال قصد دارید یک سری محصول را دسته بندی کنید شما می توانید به تایمر ریزتراشه خودتان دستور دهید که هر ۵ ثانیه این محصولات را دسته بندی کنید. تایمرها به جز در ریزکنترلرها، در خیلی از تراشته‌های دیگر نیز وجود دارند. برای همین خیلی از دستگاه‌ها که به زمان متکی هستند، برای کاهش قیمت، از خود تراشه تایمر به صورت جداگانه استفاده می کنند.

یو اس بی (USB)

گاهی مواقع باید یکسری از فرمان ها را از طریق کامپیوتر و یا دستی به میکروکنترلرها بدهید. برای این کار می توانید از یو اس بی استفاده کنید. برای همین میکروکنترلرها به USB مجهز هستند. همچنین اگر قصد دارید از میکروکنترلر به کامپیوتر فرمانی را ارسال کنید، می توانید از UART استفاده کنید.

بخش ADC/DAC

میکروکنترلرها اکثرا به هدف کنترل کردن استفاده می شوند. از این رو نیاز به ارتباط داشتن با دستگاهی دارند که کنترلش می کنند. سیگنال‌هایی که برای این کار مورد نیاز هستند، آنالوگ هستند. برای همین نیاز است از سمت میکروکنترلرهای ما، سیگنال‌هایی به صورت دودویی ابتدا ایجاد شوند تا برای پردازنده ها قابل درک باشند. این کار توسط مبدل های آنالوگ به دیجیتال یا ADC صورت می گیرد. همین طور مبدل برعکس این سیگنال ها، یعنی دیجیتال به آنالوگ DAC هم در بعضی از ریزتراشه ها وجود دارند.

بخش PWM

در مورد کاربرد میکروکنترلرها در خودروسازی گفتیم که کارخانه‌های خودروسازی ژاپنی، از این ریزتراشه‌ها برای قدرت دهی به موتورها استفاده می‌کنند. این بخش در میکروکنترلرهایی که به کنترل موتور و الکترونیک قدرت مربوط هستند، کاربرد دارند.

انواع میکروکنترلرها

حالا وقت آن شده است که با انواع میکروکنترلرها آشنا شویم. و هر یک از آنها مورد بررسی قرار دهیم.

معروف ترین و مهمترین میکروکنترلرها به طور کلی به 5 دسته 8051، PIC، AVR ،ARM و STM32 تقسیم می شوند. هر یک از این میکروکنترلرها، زبان برنامه نویسی و کاربردهای مخصوص به خودشان را دارند که در ادامه هر یکی از آنها را جداگانه به شما توضیح خواهیم داد.

میکروکنترلرهای ۸۰۵۱

این میکروکنترلرها جزو قدیمی ترین میکروکنترلرها هستند که توسط شرکت اینتل در سال 1981 تولید شدند. این میکروکنترلرها جزو پرکاربردترین نوع های میکروکنترلر هستند. بعد از گذشت سال ها و با پیشرفت بیشتر تکنولوژی، مدل‌های جدید این میکروکنترلرها وارد بازار های جهانی شدند. از جمله عضوهای دیگر این میکروکنترلرها می توان به 8052 و 8031 اشاره کرد. این میکروکنترلرها و اعضای خانواده آن در پزشکی، صفحه نمایش لمسی و مدیریت انرژی، مورد استفاده قرار می گیرند. زبان برنامه نویسی میکروکنترلر 8051، زبان ساده اسمبلی و C است.

میکروکنترلرهای PIC

این دسته از میکروکنترلرها، به دلیل هزینه کم و همچنین قابلیت برنامه نویسی سریال و همچنین دسترسی‌های بسیار زیادی که به مهندسان ارائه می کند، بسیار پرطرفدار هستند. از این میکروکنترلرها در گوشی های موبایل، لوازم صوتی، بازی های ویدیویی، دستگاه‌های پزشکی، اسباب بازی‌ها و علم رباتیک استفاده می شود. می توان گفت این میکروکنترلرها جزو پر مصرف ترین ریزتراشه ها در دنیای امروز هستند. همچنین از این میکروکنترلرها به عنوان یک مینی کامپیوتر، برای کنترل بازوهای ربات‌ها با استفاده از برنامه نویسی استفاده می شود.

میکروکنترلر AVR

این میکروکنترلر، معماری دانشگاه هاروارد است، این میکروکنترلرها یک تراشه انفرادی 8 بیتی هستند. این میکروکنترلرها برای جمع کردن داده‌های مختلف استفاده کردن همزمان از آنها طراحی شده اند. AVR ها جزو مهمترین خانواده‌های ریز تراشه ها هستند که از حافظه فلشی که بر روی تراشه قرار دارد برای ذخیره برنامه‌ها استفاده می شود. این میکروکنترلرها به طور عمده در وسایل الکترونیکی و لوازم خانگی مثل مایکروفر، ماشین لباسشویی و وسایلی که با ریموت‌ها کنترل می‌شوند، استفاده می‌شوند.

این میکروکنترلرها به جز صنایع در بخش های دانشگاهی و تحقیقاتی هم مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین در علم رباتیک و برای آموزش رباتیک از AVR ها استفاده بسیار زیادی می کنند.

میکروکنترلرهای ARM

نسل اولیه میکروکنترلرهای ARM در سال 1985 ساخته شد و بعد از آن در طی سال ها مدل های جدید آن نیز وارد بازار شد. این نوع از میکروکنترلرها، بر اساس معماری RISC توسعه پیدا کرده اند و به عنوان بهینه سازی دستورهای پردازشی از آنها استفاده می شود که باعث افزایش کارایی و بهینگی عملکرد پردازنده می شوند. به طور عمده از این دسته از میکروکنترلرها برای ساخت تجهیزات الکترونیکی مانند موبایل، لپ تاپ و لوازم الکترونیکی خانگی استفاده می شود. معماری RISC باعث شده تا میکروکنترلرهای ARM از سرعت بسیار بالایی برخوردار باشند. به دلیل داشتن ترانزیستور های کمتر، این نوع میکروکنترلرها دارای مصرف توان کمتر و هم سایز کوچک تر هستند. این میکروکنترلر هم مانند خیلی از میکروکنترلرهای دیگر، از زبان برنامه نویسی C و بالاتر پشتیبانی می کند.

یکی از مهمترین میکروکنترلرها که استفاده های بیشماری از آنها می شود میکروکنترلر STM32 است. این میکروکنترلرها همان طور که از نامش مشخص است، 32 بیتی هستند و دارای یک پردازنده قدرتمند هم می باشند. به طور کلی از میکروکنترلر STM32 در صنایع مختلفی از جمله خودروسازی، دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های امنیتی، سیستم‌های کنترلی، ماشین آلات و صنایع الکترونیکی استفاده می شود. به طور کلی یکی از پرکاربردترین میکروکنترلرهای دنیاست و زبان برنامه نویسی آن نیز C است. یکی دیگر از مزایای این دسته از میکروکنترلرها، کم بودن هزینه تولید و نگهداری آنها است

سخن پایانی

میکروکنترلرها با این که کوچک هستند، اما جزو مهمترین اختراعات نوین بشر به حساب می آیند. دنیای امروز ما بدون وجود میکروکنترلرها فرسنگ ها با زمان حال متفاوت میشد اگر ما به تکنولوژِی میکروکنترلرها دست پیدا نمی کردیم. تقریبا هر وسیله و یا ماشینی که در آن کامپیوتر وجود دارد، و از یک زبان برنامه نویسی پشتیبانی می کند، نیازمند وجود میکروکنترلرهاست. در غیر این صورت، وسایل های کوچک امروزی، ابعادی بسیار بزرگتر و همچنین وزنی بسیار سنگین داشتند.

روی هم رفته میکروکنترلرها باعث انقلاب و رشد در صنعت الکترونیک شده اند و به دنیای امروزی ما کمک کردند تا رشد کند. این ابزار کوچک در هر وسیله کاربردی الکترونیکی امروزه سر و کله اش پیدا می شود، ماشین ها، ربات ها، لوازم برقی، سیستم تولیدی کارخانه ها و یا هر جای دیگری که فکرش را کنید، این ابزار های کوچک، خودشان را پنهان کرده اند.