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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16位8086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?？梢愿鶕?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，ROM和RAM。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LED，LCD，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UART，SPI和I2C。
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。
ADC和DAC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?？刂破鳎ㄊ褂脮r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。
圖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。
圖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。
圖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。
圖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。
圖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?？梢允褂?span>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，SPI，I2C。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)。