Электроника для начинающих полностью

Мы собираемся вступить в королевство контроллеров, которые часто называют микроконтроллерами и обозначают, как MCU, что является сокращением от «micro controller unit» — микропроцессорное устройство управления. Микроконтроллер содержит флеш-память некоторого объема, в которой хранятся программы, которые вы можете написать самостоятельно. Флеш-память похожа на память в портативном медиаплеере или в карте памяти, которую вы используете в цифровом фотоаппарате. Она не требует электроэнергии при ее эксплуатации. Дополнительно к этому микросхема микроконтроллера имеет процессор, который и должен обрабатывать инструкции вашей программы. Он имеет оперативную память (RAM — Random Access Memory) для временного хранения значений и постоянное запоминающее устройство (ROM — Read-Only Memory), которое указывает контроллеру, как выполнять задачи, например, определять изменение входного напряжения и преобразовывать его в цифровую форму для внутреннего использования. Микроконтроллер также содержит прецизионный генератор, что дает возможность синхронизировать все процессы во времени. Если собрать все перечисленное вместе, то микроконтроллер, по сути, представляет собой крошечный компьютер, который к тому же можно купить всего лишь за $5.

Предположим у вас есть теплица, температура в которой никогда не должна падать ниже точки замерзания. Вы установили датчик температуры, и у вас имеется два разных нагревательных прибора (обогревателя). Вы хотите включать первый обогреватель, если температура упадет ниже 6 °C. Но, если по какой-либо причине обогреватель сломается, то вам нужно включить второй резервный обогреватель, когда температура упадет ниже 5 °C.

Запрограммировать микроконтроллер, чтобы он выполнял это, действительно очень просто. Вы даже можете добавить дополнительные функции. Например, если у вас будет второй датчик температуры на случай выхода из строя первого, то вы можете указать микроконтроллеру, чтобы он пользовался показаниями того датчика, который дает минимальное значение температуры.

Другим применением микроконтроллера может быть детально продуманная система охранной сигнализации. Микросхема может отслеживать состояние различных датчиков, регистрирующих проникновение, и выполнять различные заранее запрограммированные шаги в зависимости от состояния датчиков. Вы также можете добавить различные задержки времени до срабатывания охранной системы.

Многие микроконтроллеры обладают дополнительными крайне полезными встроенными функциями, как например, способностью управлять серводвигателями, которые поворачиваются на определенный угол после подачи определенного набора импульсов. Серводвигатели широко используются в радиоуправляемых моделях катеров, самолетов и любительских роботов.

Возможно вы будете удивлены, если микроконтроллеры могут все это делать, то почему же мы не использовали их раньше? Зачем я потратил такое огромное количество времени, описывая разработку охранной сигнализации, используя отдельные компоненты, если все это может сделать одна микросхема микроконтроллера?

На это есть три ответа:

1. На самом деле, одна микросхема микроконтроллера совершенно все выполнить не может. Для ее работы требуется использование и других компонентов, которые помогают ей взаимодействовать с окружающим миром, например, транзисторы, реле, датчики и усилители. Чтобы достаточно разумно их использовать, вам необходимо знать каким образом все эти элементы работают.

2. Микроконтроллеры могут вносить различные проблемы и ошибки, которые присущи только им и которые связаны с совместным использованием программного и аппаратного обеспечения. Позже я остановлюсь на этом более подробно.

3. Микроконтроллеры имеют свои определенные требования и ограничения, для большинства из них требуется стабилизированный источник питания напряжением 5 В, и их выводы не могут быть источником или приемником достаточно большого тока. Кроме того, для их использования требуется знание языка программирования, который может отличаться, в зависимости от типа микроконтроллера, а чтобы загрузить программу в микросхему, вы должны иметь возможность подключить ее к компьютеру и только после этого выполнить загрузку, что не всегда удобно.

В данном эксперименте вы научитесь писать программы для небольшого и простого микроконтроллера, перенесете эту программу в его память, а также увидите, как она работает.

Основы программируемых микросхем

На заводах и в лабораториях встречается очень большое количество различных операций, которые являются повторяющимися. Например, датчик расхода электроэнергии может управлять нагревательным элементом, датчик движения может регулировать скорость вращения двигателя. Микроконтроллеры являются идеальным средством для решения таких рутинных задач.