میکروکنترلر چیست؟

کسانی که تازه به دنیای الکترونیک وارد می شوند ممکن است به این واژه ها زیاد برخورد کنند: میکروپروسسور، میکروکامپیوتر، میکروکنترلر. اما شاید در ابتدای کار، هنوز معنای درست این واژه ها را درک نکنند. برای درک درست این واژه ها ابتدا واژه پروسسور را مورد بررسی قرار می دهیم.

پروسسور چیست؟

پروسسور  برگردان واژه انگلیسی Processor می باشد که به فارسی پردازنده ترجمه شده است. در اصل پروسسورها همان واحد پردازش مرکزی یا همان CPU در یک کامپیوتر هستند. در نسل های ابتدایی کامپیوترها، پروسسورها با استفاده از لامپ خلا ساخته می شدند که حجم، قیمت، مصرف انرژی و نیاز به تعمیرات در آن ها بسیار بالا بود. نمونه ای از این پروسسور را در شکل زیر می بینید.

با اختراع ترانزیستور، با فاصله کمی اولین پروسسور که در ساخت آن از ترانزیستور استفاده شده بود وارد بازار شد که از مدل قبلی لامپ خلا بسیار کم حجم تر و کم مصرف تر بود و همچنین نیاز به تعمیرات در آن خیلی کمتر بود. در دوره سال های بین ۱۹۵۰ تا ۱۹۶۰ میلادی پروسسور های خیلی پیشرفته تر و مطمئن تر نسبت به نسل قبلی (لامپ خلا) در اندازه خیلی کوچک تر و تنها بر روی چند برد مدار چاپی ساخته شدند. اما اتفاق بزرگ دیگری که در دنیای الکترونیک افتاد اختراع مدار مجتمع یا IC بود. اختراع IC کمک کرد تا تمام اجزای یک پروسسور کامل بر روی یک IC قرار بگیرند. به چنین پروسسوری یک میکروپروسسور می گویند. اولین میکروپروسسور به نام ۴۰۰۴ توسط شرکت اینتل در سال ۱۹۷۱ به بازار معرفی شد.

همانطور که در شکل مشخص است تمام اجرای این پروسسور در داخل یک چیپ قرار دارند که از طریق پایه های خود با دنیای بیرون در ارتباط می باشد.

یک پروسسور یا CPU نقش مغز یک سیستم کامپیوتری را دارد. یک پروسسور فقط توانایی اجرای دستورالعمل ها را دارد. دستورالعمل هایی که CPU اجرا می کند باید در یک حافظه نگهداری شوند.

همچنین یک پروسسور برای ارتباط با دنیای بیرون نیاز به ادوات ورودی و خروجی دارد. یک میکروپروسسور به اضافه انواع حافظه و ادوات ورودی خروجی یک میکروکامپیوتر را تشکیل می دهند. یعنی:

میکروکامپیوتر = میکروپروسسور + حافظه +  ادوات جانبی.

مثلا فرض کنید شما یک لپ تاپ برای خود می خرید. ممکن است این لپ تاپ دارای امکانات زیر باشد:

مشخص است که لپ تاپ هم می تواند در دسته بندی میکروکامپیوتر جای گیرد چرا که از سه بخش گفته شده در بالا تشکیل شده است.

و اما میکروکنترلر!

میکروکنترلر نوع خاصی از میکروکامپیوتر است. هرگاه تمام تجهیزات یک سیستم میکروکامپیوتری در داخل یک IC قرار گیرند به آن میکروکنترلر می گویند. در شکل زیر نمایی از یک میکروکنترلر ATmega32 را می بینید.

نام دیگر میکروکنترلر SOC یا System On a Chip یا سیستم روی تراشه می باشد. اما شاید از خود بپرسید که چگونه ممکن است تمام امکانات یک سیستم میکروکامپیوتری در داخل یک تراشه قرار بگیرد؟

پاسخ در این نکته نهفته است که امکاناتی که یک میکروکنترلر دارد خیلی محدودتر و در اندازه های کوچکتری نسبت به یک لپ تاپ می باشد. برای مثال امکاناتی که میکروکنترلر شکل بالا دارد به صورت زیر است:

کاربرد میکروکنترلر

از میکروکنترلرها معمولا به عنوان سیستم هایی با کارکرد خاص (Application Specific)  و از میکروپروسسورها به عنوان سیستم هایی با کارکرد عام(General Purpose) یاد می شود. یعنی چی؟ یعنی مثلا شما یک میکروپروسسور خریداری نموده و آن را روی یک سیستم میکروکامپیوتری مثلا کامپیوتر خانگی نصب می کنید. سپس از این کامپیوتر همزمان در کارکردهای مختلفی مثل بازی، تماشای ویدئو، استفاده از اینترنت و… استفاده می کنید(کارکرد عام). اما یک میکروکنترلر خریداری کرده و آن را در کنترلر یک تابلو LED روان به کار می برید(کارکرد خاص).

یعنی این میکروکنترلر را فقط برای این کارکرد خریداری کردید. خیلی واضح است که عاقلانه نیست که برای کنترل یک تابلو روان از یک لپ تاپ با CPU فرکانس ۲ گیگاهرتز و ۸گیگ رم و… استفاده کنید. چون به صرفه نیست.

امروزه میکروکنترلرها به وفور در کارکردهای مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. در خانه های امروزی قطعا ده ها میکروکنترلر وجود دارد. در اتومبیل های مدرن تعداد زیادی میکروکنترلر وجود دارد. از جمله کاربردهای میکروکنترلر می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• ماشین لباس شویی و ماشین ظرفشویی

• پرینتر، صفحه کلید و…

• درب بازکن اتوماتیک

• موبایل های هوشمند

• دوربین های دیجیتال

• رباتیک

• تجهیزات پزشکی مانند کنترل فشار خون، قلب مصنوعی و ….

• کنترل اتوماتیک ورود خروج مانند کارتخوان ها و اثر انگشت

• و ده ها و صدها کاربرد دیگر

عملکرد میکروکنترلر

میکروکنترلر در اصل یک کامپیوتر است و تعریف های یک کامپیوتر بر آن صدق می کند. یک کامپیوتر را می توان به طور ساده به صورت زیر تعریف کرد:

“یک وسیله لکترونیکی که داده را از ورودی گرفته و یک سری پردازش های از پیش تعیین شده ای را روی آن انجام داده و نتیجه را به خروجی منتقل می کند.”

پردازش هایی که روی داده ها توسط یک میکروکنترلر انجام می شود از پیش تعیین شده و قابل تغییرند. این پردازش ها توسط برنامه یا program که در حافظه میکروکنترلر ذخیره شده است انجام می شود. اما این برنامه از کجا داخل حافظه میکروکنترلر ذخیره می شود؟ این برنامه معمولا توسط نرم افزار خاصی که کامپایلر نامیده می شود در کامپیوتر نوشته شده و توسط ابزار خاصی به نام پروگرامر بر روی حافظه میکروکنترلر ذخیره می شود. بنابراین می توان با برنامه نویسی عملکرد میکروکنترلر را کنترل نمود.

این ویژگی بارزی است که یک میکروکنترلر را از آی سی های معمولی متمایز می سازد. یعنی هر آی سی معمولا بعد از ساخته شدن در کارخانه عملکرد خاص و غیرقابل تغییری دارد اما یک میکروکنترلر این قابلیت را دارد که با برنامه ریزی هر بار عملکرد خاصی را از خود به نمایش بگذارد.

حال با چند مثال عملکرد یک میکروکنترلر در یک سیستم را توضیح می دهیم. در شکل زیر نمونه ای از ابزارهای الکترونیکی که می توان به یک میکروکنترلر وصل نمود را مشاهده می نمایید.

به جهت فلش ها در شکل دقت نمایید. ابزارهایی که فلش آن ها به میکرو وارد می شود داده از آن ها به میکرو وارد می شود و نقش ورودی را برای میکرو ایفا می کنند. برعکس ابزارهایی که فلش آن ها از میکرو خارج و به آن ها وارد می شود نقش خروجی را داشته میکروکنترلر به سمت آن ها داده می فرستد. برخی ادوات هم همزمان می توانند هر دو نقش را بازی کنند.

در شکل زیر نمونه ای از کاربرد واقعی یک میکروکنترلر را می بینید.

فرض کنید می خواهیم دمای یک فر را در یک محدوده خاص مثلا بین ۱۸۴ تا ۱۸۶ ثابت نگه داریم. برای این کار یک سنسور دما داخل فر قرار می دهیم تا دمای داخل را به ولتاژ تبدیل نمایید. سپس خروجی ولتاژ سنسور را به پایه ورودی میکروکنترلر متصل می نماییم. حال کافیست برنامه ای برای میکروکنترلر بنویسیم که ولتاژ اندازه گیری شده از سنسور دما را با دو حد بالا و پایین مقایسه کند.

اگر دما از حد پایین کمتر شد هیتر را روشن نماید و اگر دما از حد بالا بیشتر شد فن را روشن نمایید. در غیر این صورت فن و هیتر را خاموش نماید. می توان این سیستم ساده را کمی پیشرفته تر کرد.

در این سیستم یک LCD اضافه شده است تا در هر لحظه دمای فعلی را نمایش دهد. همچنین می توانیم وضعیت روشن یا خاموش بودن فن و هیتر را پیام مناسب نمایش دهیم. یک صفحه کلید هم برای انجام تنظیمات اضافه شده است. مثلا می توانیم نقاط تنظیم دما را تغییر دهیم.

در اینجا این آموزش به پایان رسید.

امیدواریم که این آموزش از دنیای صنعت برق برای شما مفید بوده باشد.