微控制器应用

2021-05-17

微控制器应用

在本文中，我们将介绍最常见的微控制器应用程序，并提供在不同应用程序中微控制器用法的示例。有各种类型的微控制器芯片，在特定应用和场景中，某些芯片比其他芯片更受青睐。

 

微控制器（μC）是具有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。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的发展可以追溯到1959-60年，在微控制器的起源中起着至关重要的作用。另一个重大发展是在同年由Atalla提出的集成电路概念的引入。随着时间的流逝，如摩尔定律所预测的，MOS晶体管的密度不断增加。

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

单片机概述 

经过多年的发展，如今各种类型的微控制器都可用。微控制器是一种压缩计算机，可以用来控制我们日常生活中的各种组件和设备。可以根据最多128位的不同字长对微控制器进行分类。这些应用程序还包括物联网，机动车辆，家用电器，机器人设备和办公设备。 

微控制器的结构允许用户完全控制特定的应用程序。用户可以使用微控制器使小型系统自动化。微控制器具有完整的控制设备，因为它具有处理器，外围设备和用于处理数据存储的存储器。因此，可以肯定地说，任何必须处理一些信息，存储获取和处理的数据并显示计算出的信息的产品都可以具有微控制器芯片。微控制器的基本结构/组件为： 

中央处理器（CPU） 

所有微控制器都有一个称为中央处理器（CPU）的大脑。任何CPU的任务都是获取要执行的指令，对其进行分析并执行所需的任务。在微控制器中，CPU会从程序存储器中提取指令，并执行所需的任务，然后，CPU移动以获取下一条指令。 

记忆 

微控制器具有内置存储器，形式为闪存，ROM和RAM。这些存储器用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不同的存储器大小，这限制了微控制器在不同应用中的使用。 

IO端口

输入/输出（IO）端口用于从传感器，用户输入等外部源获取数据，并控制LED，LCD，打印机，电动机，继电器等外部设备。 

串行通讯端口 

微控制器中使用的串行端口非常有用，因为它在不同设备之间提供了非常重要的接口。微控制器具有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。计时器有两种使用方式：（i）作为产生脉冲的计时器和时钟信号，以及（ii）作为用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关，因为它在微控制器的时钟上工作。 

ADC和DAC接口 

模数转换器（ADC）可用于测量来自传感器的模拟信号。数据以模拟形式读取，然后使用微控制器的ADC功能转换为数字。数模转换器（ADC）与ADC相反，后者将数字数据转换为模拟形式以驱动模拟设备。 

中断控制 

中断用于确保微控制器的有效工作。中断有助于微控制器不等待特定信号并按常规例行任务。当该信号到达时，将调用一个中断例程，然后在执行该例程后，程序将返回其原始状态。中断可以是外部的也可以是内部的。 

单片机应用 

微控制器可以用于许多应用程序中，包括简单的应用程序（例如控制基本设备）到高级应用程序（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： 

计数操作顺序 

最早的微控制器应用之一是序列计数器。微控制器具有一个称为“计时器”的特殊功能，可用于对操作序列进行计数。微控制器还可以根据出现的次数来决定任何操作。这可以用图1来说明。在此图中，我们假设一个“检测器”，当有人穿过门时，它会发送一个从低到高的脉冲。控制器（使用时间功能）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 

在实际应用中，有些过程可能需要单独的时钟才能工作。在此应用中，微控制器可以以预定义的频率运行，这在某些应用中可能根本无济于事。因此，微控制器提供了一种使用“定时器”在输出端生成时钟脉冲的功能。该时钟脉冲可以为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，在此应用程序中，微控制器为计算机提供了支持。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，需要一个电平转换器来实现。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 

借助继电器，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程序。一个简单的交流控制电路如图4所示，其中的灯泡可以用任何交流设备代替（通过更换正确的继电器）。微控制器只是向继电器发送一个直流信号，从而改变其开关的位置，而在继电器的另一端，则连接了交流设备，可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，但是使用适当额定值的继电器，就可以使用微控制器控制交流设备。

图4：如何使用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 

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

图5：实际应用的图示，其中可以使用微控制器控制微波炉 

感光控制装置 

如前所述，微控制器用于读取传感器读数。因此，我们可以连接光传感器，以便检测光强度并自动控制路灯等设备。这也有助于节省电力，因为白天绝不会打开灯。 

温度传感与控制装置 

使用传感器的另一种微控制器应用可能是需要温度控制的设备，例如空调。该微控制器可用于测量当前温度，并且根据温度值，可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，微控制器可以发挥重要作用，以迅速采取行动。微控制器可以使用热量和烟雾传感器检测火情。可以使用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，可以使消防部门的响应时间最小化，并可以减少损坏。 

数据通讯 

数据通信是使用多个设备的任何系统的重要组成部分。微控制器具有多种协议来传输和接收数据，包括串行通信，SPI，I2C。后者有助于在多个设备之间进行通信，这使微控制器成为设备中通信的更好选择。 

速度计和自动制动 

众所周知，汽车正在向自动驾驶汽车发展。微控制器可以用于多个目的，速度计和自动制动。超声波传感器可以用来检测汽车的速度，而自动制动算法也可以基于超声波传感器来开发。