微控制器应用(yòng)

2021-05-17

微控制器应用(yòng)

在本文(wén)中，我们将介绍最常见的微控制器应用(yòng)程序，并提供在不同应用(yòng)程序中微控制器用(yòng)法的示例。有(yǒu)各种类型的微控制器芯片，在特定应用(yòng)和场景中，某些芯片比其他(tā)芯片更受青睐。

 

微控制器（μC）是具有(yǒu)内部外围设备和接口的单个微计算机芯片。要了解微控制器的历史，我们必须了解基础知识，这些基础知识导致了微控制器的发展。金属氧化物(wù)半导體(tǐ)场效应晶體(tǐ)管（MOSFET）的发展可(kě)以追溯到1959-60年，在微控制器的起源中起着至关重要的作用(yòng)。另一个重大发展是在同年由Atalla提出的集成電(diàn)路概念的引入。随着时间的流逝，如摩尔定律所预测的，MOS晶體(tǐ)管的密度不断增加。

英特尔公司于1971年开发了第一个微控制器，称為(wèi)i4004。经过最初的开发，具有(yǒu)更多(duō)功能(néng)和内存的更高级版本被开发出来，被称為(wèi)16位8086微控制器。所有(yǒu)这些发展為(wèi)开发具有(yǒu)更多(duō)控制和功能(néng)的微控制器（如AVR）提供了更高级的版本。 

单片机概述 

经过多(duō)年的发展，如今各种类型的微控制器都可(kě)用(yòng)。微控制器是一种压缩计算机，可(kě)以用(yòng)来控制我们日常生活中的各种组件和设备。可(kě)以根据最多(duō)128位的不同字長(cháng)对微控制器进行分(fēn)类。这些应用(yòng)程序还包括物(wù)联网，机动車(chē)辆，家用(yòng)電(diàn)器，机器人设备和办公设备。 

微控制器的结构允许用(yòng)户完全控制特定的应用(yòng)程序。用(yòng)户可(kě)以使用(yòng)微控制器使小(xiǎo)型系统自动化。微控制器具有(yǒu)完整的控制设备，因為(wèi)它具有(yǒu)处理(lǐ)器，外围设备和用(yòng)于处理(lǐ)数据存储的存储器。因此，可(kě)以肯定地说，任何必须处理(lǐ)一些信息，存储获取和处理(lǐ)的数据并显示计算出的信息的产品都可(kě)以具有(yǒu)微控制器芯片。微控制器的基本结构/组件為(wèi)： 

中央处理(lǐ)器（CPU） 

所有(yǒu)微控制器都有(yǒu)一个称為(wèi)中央处理(lǐ)器（CPU）的大脑。任何CPU的任務(wù)都是获取要执行的指令，对其进行分(fēn)析并执行所需的任務(wù)。在微控制器中，CPU会从程序存储器中提取指令，并执行所需的任務(wù)，然后，CPU移动以获取下一条指令。 

记忆 

微控制器具有(yǒu)内置存储器，形式為(wèi)闪存，ROM和RAM。这些存储器用(yòng)于存储程序代码和来自IO端口的数据。不同的微控制器具有(yǒu)不同的存储器大小(xiǎo)，这限制了微控制器在不同应用(yòng)中的使用(yòng)。 

IO端口

输入/输出（IO）端口用(yòng)于从传感器，用(yòng)户输入等外部源获取数据，并控制LED，LCD，打印机，電(diàn)动机，继電(diàn)器等外部设备。 

串行通讯端口 

微控制器中使用(yòng)的串行端口非常有(yǒu)用(yòng)，因為(wèi)它在不同设备之间提供了非常重要的接口。微控制器具有(yǒu)不同类型的串行通信接口，包括UART，SPI和I2C。 

计时器 

定时器是微控制器的重要因素。计时器有(yǒu)两种使用(yòng)方式：（i）作為(wèi)产生脉冲的计时器和时钟信号，以及（ii）作為(wèi)用(yòng)于对外部事件进行计数的计数器。定时器的工作也与频率有(yǒu)关，因為(wèi)它在微控制器的时钟上工作。 

ADC和DAC接口 

模数转换器（ADC）可(kě)用(yòng)于测量来自传感器的模拟信号。数据以模拟形式读取，然后使用(yòng)微控制器的ADC功能(néng)转换為(wèi)数字。数模转换器（ADC）与ADC相反，后者将数字数据转换為(wèi)模拟形式以驱动模拟设备。 

中断控制 

中断用(yòng)于确保微控制器的有(yǒu)效工作。中断有(yǒu)助于微控制器不等待特定信号并按常规例行任務(wù)。当该信号到达时，将调用(yòng)一个中断例程，然后在执行该例程后，程序将返回其原始状态。中断可(kě)以是外部的也可(kě)以是内部的。 

单片机应用(yòng) 

微控制器可(kě)以用(yòng)于许多(duō)应用(yòng)程序中，包括简单的应用(yòng)程序（例如控制基本设备）到高级应用(yòng)程序（从设备获取反馈并根据反馈执行操作）。这里讨论了一些微控制器应用(yòng)： 

计数操作顺序 

最早的微控制器应用(yòng)之一是序列计数器。微控制器具有(yǒu)一个称為(wèi)“计时器”的特殊功能(néng)，可(kě)用(yòng)于对操作序列进行计数。微控制器还可(kě)以根据出现的次数来决定任何操作。这可(kě)以用(yòng)图1来说明。在此图中，我们假设一个“检测器”，当有(yǒu)人穿过门时，它会发送一个从低到高的脉冲。控制器（使用(yòng)时间功能(néng)）计算通过登机口的人数。当特定人数的人通过大门时，蜂鸣器将被激活。

图1：计数操作顺序的图示 

产生特定频率的信号 

在实际应用(yòng)中，有(yǒu)些过程可(kě)能(néng)需要单独的时钟才能(néng)工作。在此应用(yòng)中，微控制器可(kě)以以预定义的频率运行，这在某些应用(yòng)中可(kě)能(néng)根本无济于事。因此，微控制器提供了一种使用(yòng)“定时器”在输出端生成时钟脉冲的功能(néng)。该时钟脉冲可(kě)以為(wèi)1Hz或更高。在图2的图示中，微控制器产生三个不同的时钟信号，以驱动三个不同的过程。 

图2：生成不同时钟脉冲的图示 

TTL设备支持处理(lǐ)器 

通常，传感器无法与以TTL级别运行的设备（例如个人计算机（PC））接口。因此，在此应用(yòng)程序中，微控制器為(wèi)计算机提供了支持。模拟或数字传感器都与微控制器连接。解释了从传感器接收到的数据后，就会通过串行通信接口将其发送到计算机。要记住的重要一点是，微控制器在CMOS级别工作，而计算机在TTL下工作。因此，要在两种类型的设备之间传输数据，需要一个電(diàn)平转换器来实现。图3中显示了一个示例图，其中从传感器读取数据，并在进行初始处理(lǐ)后将其发送到计算机。 

图3：从传感器获取数据并将信息发送到计算机的图示 

控制交流设备 

借助继電(diàn)器，微控制器提供了一种控制交流设备的简便方法。如前所示，这是一个稍微复杂的微控制器应用(yòng)程序。一个简单的交流控制電(diàn)路如图4所示，其中的灯泡可(kě)以用(yòng)任何交流设备代替（通过更换正确的继電(diàn)器）。微控制器只是向继電(diàn)器发送一个直流信号，从而改变其开关的位置，而在继電(diàn)器的另一端，则连接了交流设备，可(kě)以根据接触开关的位置来打开/关闭交流设备。这是最简单的图示，但是使用(yòng)适当额定值的继電(diàn)器，就可(kě)以使用(yòng)微控制器控制交流设备。

图4：如何使用(yòng)微控制器控制交流设备的图示 

微波控制–实时微控制器应用(yòng) 

微控制器还可(kě)以用(yòng)于控制不同的设备，例如微波炉。如图5所示，微控制器可(kě)用(yòng)于从用(yòng)户处获取输入以设置时间，启动和停止操作。另一方面，它可(kě)以在7段显示器上显示状态，可(kě)以使用(yòng)继電(diàn)器操作转盘和灯。 

图5：实际应用(yòng)的图示，其中可(kě)以使用(yòng)微控制器控制微波炉 

感光控制装置 

如前所述，微控制器用(yòng)于读取传感器读数。因此，我们可(kě)以连接光传感器，以便检测光强度并自动控制路灯等设备。这也有(yǒu)助于节省電(diàn)力，因為(wèi)白天绝不会打开灯。 

温度传感与控制装置 

使用(yòng)传感器的另一种微控制器应用(yòng)可(kě)能(néng)是需要温度控制的设备，例如空调。该微控制器可(kě)用(yòng)于测量当前温度，并且根据温度值，可(kě)以打开或关闭相应的设备。

火灾探测报警到控制室 

发生火灾时，微控制器可(kě)以发挥重要作用(yòng)，以迅速采取行动。微控制器可(kě)以使用(yòng)热量和烟雾传感器检测火情。可(kě)以使用(yòng)Wi-Fi，移动网络将微控制器直接与消防部门控制室链接。这样，可(kě)以使消防部门的响应时间最小(xiǎo)化，并可(kě)以减少损坏。 

数据通讯 

数据通信是使用(yòng)多(duō)个设备的任何系统的重要组成部分(fēn)。微控制器具有(yǒu)多(duō)种协议来传输和接收数据，包括串行通信，SPI，I2C。后者有(yǒu)助于在多(duō)个设备之间进行通信，这使微控制器成為(wèi)设备中通信的更好选择。 

速度计和自动制动 

众所周知，汽車(chē)正在向自动驾驶汽車(chē)发展。微控制器可(kě)以用(yòng)于多(duō)个目的，速度计和自动制动。超声波传感器可(kě)以用(yòng)来检测汽車(chē)的速度，而自动制动算法也可(kě)以基于超声波传感器来开发。