میکروکنترلر چیست؟ انواع میکروکنترلر چیست + کاربرد

در دنیای مدرن امروز، میکروکنترلرها در قلب بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی قرار دارند، از لوازم خانگی گرفته تا سیستم‌های پیچیده صنعتی. آن‌ها به یکی از اجزای اصلی در سیستم‌های الکترونیکی تبدیل شده‌اند و کاربردهای فراوانی دارند. اما میکروکنترلر چیست و چرا در لوازم الکترونیکی این‌قدر مهم است؟ انواع میکروکنترلر چیست و چه کاربردی دارد؟ در این مطلب، نگاهی جامع به اینکه میکرو کنترلر چیست، نحوه کار با آن‌ها و کاربردهای مختلف آن‌ها خواهیم داشت.

میکروکنترلر چیست؟

میکروکنترلر که به اختصار MCU نیز شناخته می‌شود، یک تراشه کوچک است که برای انجام مجموعه‌ای از وظایف خاص در سیستم‌های الکترونیکی طراحی شده است. در واقع، میکروکنترلر یک کامپیوتر کوچک است که شامل پردازنده، حافظه و ورودی/خروجی‌ها روی یک تراشه است. برخلاف کامپیوترهای عمومی که به اجزای خارجی مانند هارد دیسک، مانیتور و کیبورد وابسته هستند، میکروکنترلر برای وظایف خاص درون یک دستگاه طراحی شده و با کمترین مداخله انسان، وظایف خود را به طور خودکار انجام می‌دهد.
از این ابزار در دستگاه‌های مختلفی مانند تلویزیون، ماشین لباسشویی، خودروها و دستگاه‌های پزشکی و حتی ربات‌ها استفاده می‌شود. به بیان ساده‌تر، میکروکنترلر یک «مغز» کوچک است که برای انجام کارهای ساده و مشخص طراحی شده و در هر دستگاهی که نیاز به پردازش دارد، یافت می‌شود.
میکروکنترلرها معمولاً در وسایلی استفاده می‌شوند که نیاز به انجام یک وظیفه محدود، کم‌هزینه، کم‌مصرف و قابل‌اعتماد باشد. این تراشه‌ها برای انجام مجموعه‌ای از وظایف از پیش تعریف‌شده مانند نظارت بر سنسورها، کنترل موتورها یا مدیریت ارتباط بین دستگاه‌ها برنامه‌ریزی می‌شوند.

 اجزای میکروکنترلر چیست ؟

میکروکنترلر از چندین جزء اساسی تشکیل شده است که آن را برای کاربردهای تعبیه‌شده کارآمد می‌سازد. اگر می‌خواهید بدانید اجزای تشکیل دهنده میکروکنترلر چیست در اینجا اجزای اصلی آن معرفی می‌شوند:

واحد پردازش مرکزی (CPU)

 CPU  مغز میکروکنترلر است. اگر نمی‌دانید کار  CPU در میکروکنترلر چیست باید بگوییم که این واحد داده‌ها را پردازش می‌کند، دستورات را اجرا می‌کند و عملیات ریاضی و منطقی را انجام می‌دهد. عملکرد CPU به سرعت آن بستگی دارد که معمولاً بر حسب مگاهرتز یا گیگاهرتز اندازه‌گیری می‌شود.

حافظه

 (  - ROM حافظه فقط خواندنی): برای ذخیره نرم‌افزار یا برنامه‌های سیستم که هنگام راه‌اندازی اجرا می‌شوند استفاده می‌شود. این حافظه غیرفرار است، یعنی حتی در صورت قطع برق نیز اطلاعات خود را حفظ می‌کند.
 (- RAM حافظه خواندنی و نوشتنی): حافظه موقتی است که برای ذخیره داده‌ها و متغیرهایی که در حین اجرای برنامه نیاز هستند استفاده می‌شود. RAM فرار است و با قطع برق پاک می‌شود.

پورت‌های ورودی/خروجی (I/O)

پورت در میکروکنترلر چیست؟ میکروکنترلرها دارای پین‌های مختلف ورودی/خروجی هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهند با دستگاه‌های خارجی مانند سنسورها، کلیدها، نمایشگرها و موتورها ارتباط برقرار کنند. این پین‌ها می‌توانند به‌عنوان ورودی (برای خواندن داده) یا خروجی (برای ارسال داده یا کنترل دستگاه‌ها) تنظیم شوند.

تایمرها و شمارنده‌ها

 منظور از تایمر و شمارنده در میکرو کنترلر چیست؟ میکروکنترلرها معمولاً دارای تایمرها و شمارنده‌های داخلی هستند که وظایفی مانند ایجاد تأخیر، اندازه‌گیری فواصل زمانی یا ایجاد پالس‌های دقیق برای کنترل دستگاه‌های خارجی مانند موتورها یا LEDها را انجام می‌دهند.

رابط‌های ارتباطی

 
میکروکنترلرها معمولاً دارای پروتکل‌های ارتباطی داخلی مانند UART، SPI و I2C هستند که به آن‌ها اجازه می‌دهند با میکروکنترلرهای دیگر یا دستگاه‌های خارجی ارتباط برقرار کنند.

منبع تغذیه

 
کاربرد منبع تغذیه در میکرو کنترلرچیست؟ میکروکنترلر برای کارکرد به یک منبع تغذیه پایدار نیاز دارد. بیشتر میکروکنترلرها در سیستم‌های کم‌ولتاژ کار می‌کنند و معمولاً بین ۳ تا ۵ ولت عمل می‌کنند که باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود.

)انواع میکروکنترلر چیست ؟ ( بر اساس مدار

برای پروژه‌های ساده و آموزشی، میکروکنترلرهای AVR و ATmega گزینه‌های خوبی هستند، در حالی که برای پروژه‌های پیچیده‌تر و حرفه‌ای، معماری‌های ARM و ESP توصیه می‌شوند. در ادامه با آن‌ها اشنا می‌شویم:

 میکروکنترلرهای AVR

میکروکنترلرهای AVR توسط شرکت Atmel (اکنون بخشی از Microchip) توسعه داده شده‌اند و به دلیل سادگی و قدرت، بین مبتدیان و حرفه‌ای‌ها محبوبیت زیادی دارند. معماری AVR از نوع 8 بیتی است و برای پردازش‌های ساده و سریع بهینه شده است. از محبوب‌ترین مدل‌های AVR می‌توان به ATmega328 اشاره کرد که در بردهای آردوینو به کار می‌رود. این میکروکنترلر به خاطر توانایی‌های بالا در برنامه‌نویسی و پشتیبانی از زبان C در بسیاری از پروژه‌های آموزشی و کاربردی استفاده می‌شود.

میکروکنترلرهای ARM

ARM یکی از قدرتمندترین و پرکاربردترین معماری‌های میکروکنترلر در جهان است. معماری ARM از نوع 32 بیتی و بالاتر است و به دلیل مصرف کم انرژی و کارایی بالا، در دستگاه‌های پیشرفته و سیستم‌های صنعتی کاربرد فراوان دارد. میکروکنترلرهای Cortex-M از خانواده ARM، توسط شرکت‌هایی مانند STMicroelectronics، NXP و Texas Instruments تولید می‌شوند. این میکروکنترلرها برای کاربردهایی مانند اینترنت اشیا (IoT)، کنترل‌های صنعتی، و رباتیک مناسب هستند.

 میکروکنترلرهای ATmega

میکروکنترلرهای ATmega بخشی از خانواده AVR هستند، اما به دلیل کارایی و محبوبیت بالا، معمولاً به طور جداگانه به آن‌ها اشاره می‌شود. ATmega328 و ATmega2560 از جمله معروف‌ترین مدل‌ها در این سری هستند. ATmega با دارا بودن ورودی/خروجی‌های متنوع، تایمرها و پشتیبانی از ارتباط‌های مختلف مانند UART و I2C، انتخابی مناسب برای پروژه‌های الکترونیکی، رباتیک و سیستم‌های اتوماسیون خانگی است.

میکروکنترلرهای PIC

میکروکنترلرهای PIC از شرکت Microchip هستند و از پرکاربردترین میکروکنترلرهای 8 بیتی در بازار به شمار می‌روند. PIC به دلیل مصرف انرژی کم و سادگی برنامه‌نویسی، در سیستم‌های کوچک و کم‌هزینه مانند اسباب‌بازی‌ها، کنترل‌کننده‌های ساده و دستگاه‌های قابل حمل استفاده می‌شود. میکروکنترلرهای PIC در انواع 8، 16 و 32 بیتی موجود هستند.

میکروکنترلر های 8051

میکروکنترلر 8051 یک معماری 8 بیتی دارد، به این معنی که واحد پردازش مرکزی (CPU) آن می‌تواند داده‌ها را به صورت 8 بیتی پردازش کند.این میکروکنترلر دارای 128 بایت حافظه RAM داخلی و 4 کیلوبایت حافظه ROM (غیر قابل پاک‌شدن) است که برای ذخیره برنامه‌ها استفاده می‌شود. همچنین، 8051 دارای چهار پورت ورودی/خروجی (I/O) است که امکان ارتباط با دستگاه‌های خارجی را فراهم می‌کند.

انواع میکروکنترلر چیست؟ ( بر اساس ظرفیت)

میکروکنترلرها براساس کاربرد، ساختار و ظرفیت پردازش به چند دسته تقسیم می‌شوند. در ادامه به بررسی هر یک ازانواع میکروکنترلر ها می‌پردازیم:

میکروکنترلرهای 8 بیتی

این نوع میکروکنترلرها ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین نوع میکروکنترلرها هستند که می‌توانند داده‌ها را به صورت 8 بیتی پردازش کنند. از این میکروکنترلرها در پروژه‌های ساده‌ای مثل اسباب‌بازی‌ها، دستگاه‌های کوچک خانگی و سیستم‌های نظارت استفاده می‌شود. به دلیل ساختار ساده و هزینه‌ی کم، میکروکنترلرهای 8 بیتی برای کاربردهای آموزشی و ابتدایی بسیار مناسب هستند. مانند میکروکنترلر  اتمگا 8 بیتی و میکروکنترلر Attiny13A ۸ بیتی.

میکروکنترلرهای 16 بیتی

میکروکنترلرهای 16 بیتی برای پردازش‌های پیچیده‌تر از 8 بیتی طراحی شده‌اند و قادر به انجام عملیات‌های محاسباتی پیچیده‌تر هستند. این میکروکنترلرها در دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های کنترل موتور و تجهیزات صنعتی که نیاز به دقت بالاتری دارند، به کار می‌روند.مانند اتمگا 16 بیتی .

 میکروکنترلرهای 32 بیتی

این نوع از میکروکنترلرها برای انجام کارهای بسیار پیچیده طراحی شده‌اند و در کاربردهای پیشرفته مانند سیستم‌های هوشمند، ربات‌ها و اینترنت اشیا استفاده می‌شوند. پردازنده‌های ARM از معروف‌ترین نمونه‌های میکروکنترلرهای 32 بیتی هستند که از توان پردازشی بالایی برخوردارند. مانند میکروکنترلر میکروکنترلر Stm32f103c8t6و اتمگا 32 بیتی .

میکروکنترلرهای صنعتی

در صنعت کاربرد میکرو کنترلر چیست ؟ این میکروکنترلرها برای کاربردهای خاص صنعتی طراحی شده‌اند و معمولاً در شرایط سخت محیطی مانند دما و رطوبت بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. این نوع میکروکنترلرها از نظر دوام و مقاومت در برابر شوک‌های محیطی و الکتریکی بسیار قدرتمند هستند و برای کاربردهای حساس صنعتی توصیه می‌شوند.

میکروکنترلرهای مصرفی

باید بگوییم این نوع میکروکنترلرها برای دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی طراحی شده‌اند و از نظر قیمت و اندازه مناسب هستند. به دلیل هزینه‌ی پایین و اندازه‌ی کوچک، در لوازم خانگی و دستگاه‌های روزمره کاربرد دارند.

در ساده‌ترین سطح، میکروکنترلر با اجرای مجموعه‌ای از دستورالعمل‌ها که در حافظه آن برنامه‌ریزی شده‌اند، کار می‌کند. این دستورالعمل‌ها معمولاً به زبان‌های برنامه‌نویسی مانند C، C++ یا اسمبلی نوشته می‌شوند. میکروکنترلر به طور مداوم برنامه خود را اجرا می‌کند، ورودی‌ها را می‌خواند، آن‌ها را پردازش می‌کند و سپس خروجی‌ها را بر این اساس کنترل می‌کند.

 کاربردهای میکرو کنترلر چیست ؟

میکروکنترلرها در طیف گسترده‌ای از صنایع و کاربردها نقش اساسی دارند. برخی از کاربردهای رایج عبارتند از:

الکترونیک مصرفی: 

میکروکنترلرها در دستگاه‌های روزمره‌ای مانند مایکروویو، ماشین لباسشویی، یخچال و تلویزیون وجود دارند و کنترل بخش‌هایی مانند دکمه‌ها، نمایشگرها، تنظیم دما و تایمرها را بر عهده دارند.

سیستم‌های خودرویی: 

خودروهای مدرن به شدت به میکروکنترلرها وابسته‌اند تا وظایفی مانند کنترل موتور، فعال‌سازی ایربگ، سیستم ترمز ضدقفل (ABS) و سیستم‌های ناوبری را انجام دهند.

اتوماسیون صنعتی: 

در کارخانه‌ها و واحدهای صنعتی، میکروکنترلرها برای نظارت بر ماشین‌آلات، کنترل خطوط تولید و مدیریت داده‌های حسگرها استفاده می‌شوند.

رباتیک:

 
میکروکنترلرها مغز ربات‌ها هستند و آن‌ها را قادر می‌سازند وظایفی مانند کنترل حرکت، پردازش بازخورد حسگرها و ارتباط با سایر دستگاه‌ها را انجام دهند.

تجهیزات پزشکی: 

میکروکنترلرها در دستگاه‌های پزشکی مانند ضربان‌سازها، پمپ‌های انسولین و تجهیزات تشخیصی تعبیه شده‌اند و به پردازش داده‌ها و کنترل فرآیندهای پزشکی کمک می‌کنند.

هوشمندسازی خانه: 

میکروکنترلرها در دستگاه‌های هوشمند خانگی مانند ترموستات‌ها، سیستم‌های امنیتی، لامپ‌های هوشمند و دستیارهای صوتی به کار می‌روند و وظایف را خودکار کرده و به ورودی‌های کاربر پاسخ می‌دهند.

دستگاه‌های اینترنت اشیا (IoT):

 با رشد اینترنت اشیا، میکروکنترلرها نقش اساسی در اتصال و کنترل دستگاه‌هایی که از طریق اینترنت ارتباط برقرار می‌کنند، مانند حسگرهای هوشمند، لوازم خانگی و پوشیدنی‌ها دارند.

جمع‌بندی

به طور خلاصه، متوجه شدید که میکروکنترلر چیست . میکروکنترلر یک جزء کوچک اما بسیار قدرتمند است که در بسیاری از دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی که روزانه با آن‌ها سروکار داریم، نقش کلیدی ایفا می‌کند. طراحی فشرده، توان پردازشی یکپارچه و توانایی انجام وظایف متنوع، میکروکنترلر را به جزء سازنده اساسی در دنیای الکترونیک تبدیل کرده است. از ابزارهای مصرفی گرفته تا سیستم‌های صنعتی، میکروکنترلرها راه‌حلی کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای کنترل و خودکارسازی فرآیندها در کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند.
آشنایی با نحوه عملکرد و قابلیت‌های میکروکنترلر برای هر کسی که به الکترونیک، سیستم‌های تعبیه‌شده یا توسعه IoT علاقه‌مند است، بسیار ضروری است. همچنین دانستن اینکه که انواع میکروکنترلر چیست و بر چه اساسی تقسیم بندی می‌شوند کمک می‌کند تا هنگام خرید انتخاب بهتری داشته باشید.