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微控制器應(yīng)用
微控制器應(yīng)用
在本文中，我們將介紹最常見(jiàn)的微控制器應(yīng)用程序，并提供在不同應(yīng)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(yīng)用和場(chǎng)景中，某些芯片比其他芯片更受青睞。
微控制器（μC）是具有內(nèi)部外圍設(shè)備和接口的單個(gè)微計(jì)算機(jī)芯片。要了解微控制器的歷史，我們必須了解基礎(chǔ)知識(shí)，這些基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)致了微控制器的發(fā)展。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(guān)重要的作用。另一個(gè)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(shí)間的流逝，如摩爾定律所預(yù)測(cè)的，MOS晶體管的密度不斷增加。
英特爾公司于1971年開(kāi)發(fā)了第一個(gè)微控制器，稱為i4004。經(jīng)過(guò)最初的開(kāi)發(fā)，具有更多功能和內(nèi)存的更高級(jí)版本被開(kāi)發(fā)出來(lái)，被稱為16位8086微控制器。所有這些發(fā)展為開(kāi)發(fā)具有更多控制和功能的微控制器（如AVR）提供了更高級(jí)的版本。
單片機(jī)概述
經(jīng)過(guò)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(jì)算機(jī)，可以用來(lái)控制我們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N組件和設(shè)備。可以根據(jù)最多128位的不同字長(zhǎng)對(duì)微控制器進(jìn)行分類。這些應(yīng)用程序還包括物聯(lián)網(wǎng)，機(jī)動(dòng)車(chē)輛，家用電器，機(jī)器人設(shè)備和辦公設(shè)備。
微控制器的結(jié)構(gòu)允許用戶完全控制特定的應(yīng)用程序。用戶可以使用微控制器使小型系統(tǒng)自動(dòng)化。微控制器具有完整的控制設(shè)備，因?yàn)樗哂刑幚砥鳎鈬O(shè)備和用于處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器。因此，可以肯定地說(shuō)，任何必須處理一些信息，存儲(chǔ)獲取和處理的數(shù)據(jù)并顯示計(jì)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(jié)構(gòu)/組件為：
中央處理器（CPU）
所有微控制器都有一個(gè)稱為中央處理器（CPU）的大腦。任何CPU的任務(wù)都是獲取要執(zhí)行的指令，對(duì)其進(jìn)行分析并執(zhí)行所需的任務(wù)。在微控制器中，CPU會(huì)從程序存儲(chǔ)器中提取指令，并執(zhí)行所需的任務(wù)，然后，CPU移動(dòng)以獲取下一條指令。
記憶
微控制器具有內(nèi)置存儲(chǔ)器，形式為閃存，ROM和RAM。這些存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序代碼和來(lái)自IO端口的數(shù)據(jù)。不同的微控制器具有不同的存儲(chǔ)器大小，這限制了微控制器在不同應(yīng)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(jī)，電動(dòng)機(jī)，繼電器等外部設(shè)備。
串行通訊端口
微控制器中使用的串行端口非常有用，因?yàn)樗诓煌O(shè)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(jì)時(shí)器
定時(shí)器是微控制器的重要因素。計(jì)時(shí)器有兩種使用方式：（i）作為產(chǎn)生脈沖的計(jì)時(shí)器和時(shí)鐘信號(hào)，以及（ii）作為用于對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器。定時(shí)器的工作也與頻率有關(guān)，因?yàn)樗谖⒖刂破鞯臅r(shí)鐘上工作。
ADC和DAC接口
模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）可用于測(cè)量來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)。數(shù)據(jù)以模擬形式讀取，然后使用微控制器的ADC功能轉(zhuǎn)換為數(shù)字。數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）與ADC相反，后者將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬形式以驅(qū)動(dòng)模擬設(shè)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(hào)并按常規(guī)例行任務(wù)。當(dāng)該信號(hào)到達(dá)時(shí)，將調(diào)用一個(gè)中斷例程，然后在執(zhí)行該例程后，程序?qū)⒎祷仄湓紶顟B(tài)。中斷可以是外部的也可以是內(nèi)部的。
單片機(jī)應(yīng)用
微控制器可以用于許多應(yīng)用程序中，包括簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序（例如控制基本設(shè)備）到高級(jí)應(yīng)用程序（從設(shè)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(yīng)用：
計(jì)數(shù)操作順序
最早的微控制器應(yīng)用之一是序列計(jì)數(shù)器。微控制器具有一個(gè)稱為“計(jì)時(shí)器”的特殊功能，可用于對(duì)操作序列進(jìn)行計(jì)數(shù)。微控制器還可以根據(jù)出現(xiàn)的次數(shù)來(lái)決定任何操作。這可以用圖1來(lái)說(shuō)明。在此圖中，我們假設(shè)一個(gè)“檢測(cè)器”，當(dāng)有人穿過(guò)門(mén)時(shí)，它會(huì)發(fā)送一個(gè)從低到高的脈沖。控制器（使用時(shí)間功能）計(jì)算通過(guò)登機(jī)口的人數(shù)。當(dāng)特定人數(shù)的人通過(guò)大門(mén)時(shí)，蜂鳴器將被激活。
圖1：計(jì)數(shù)操作順序的圖示
產(chǎn)生特定頻率的信號(hào)
在實(shí)際應(yīng)用中，有些過(guò)程可能需要單獨(dú)的時(shí)鐘才能工作。在此應(yīng)用中，微控制器可以以預(yù)定義的頻率運(yùn)行，這在某些應(yīng)用中可能根本無(wú)濟(jì)于事。因此，微控制器提供了一種使用“定時(shí)器”在輸出端生成時(shí)鐘脈沖的功能。該時(shí)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(gè)不同的時(shí)鐘信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)三個(gè)不同的過(guò)程。
圖2：生成不同時(shí)鐘脈沖的圖示
TTL設(shè)備支持處理器
通常，傳感器無(wú)法與以TTL級(jí)別運(yùn)行的設(shè)備（例如個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC））接口。因此，在此應(yīng)用程序中，微控制器為計(jì)算機(jī)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(huì)通過(guò)串行通信接口將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)。要記住的重要一點(diǎn)是，微控制器在CMOS級(jí)別工作，而計(jì)算機(jī)在TTL下工作。因此，要在兩種類型的設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)，需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖3中顯示了一個(gè)示例圖，其中從傳感器讀取數(shù)據(jù)，并在進(jìn)行初始處理后將其發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
圖3：從傳感器獲取數(shù)據(jù)并將信息發(fā)送到計(jì)算機(jī)的圖示
控制交流設(shè)備
借助繼電器，微控制器提供了一種控制交流設(shè)備的簡(jiǎn)便方法。如前所示，這是一個(gè)稍微復(fù)雜的微控制器應(yīng)用程序。一個(gè)簡(jiǎn)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(shè)備代替（通過(guò)更換正確的繼電器）。微控制器只是向繼電器發(fā)送一個(gè)直流信號(hào)，從而改變其開(kāi)關(guān)的位置，而在繼電器的另一端，則連接了交流設(shè)備，可以根據(jù)接觸開(kāi)關(guān)的位置來(lái)打開(kāi)/關(guān)閉交流設(shè)備。這是最簡(jiǎn)單的圖示，但是使用適當(dāng)額定值的繼電器，就可以使用微控制器控制交流設(shè)備。
圖4：如何使用微控制器控制交流設(shè)備的圖示
微波控制–實(shí)時(shí)微控制器應(yīng)用
微控制器還可以用于控制不同的設(shè)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(shè)置時(shí)間，啟動(dòng)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(zhuǎn)盤(pán)和燈。
圖5：實(shí)際應(yīng)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(cè)光強(qiáng)度并自動(dòng)控制路燈等設(shè)備。這也有助于節(jié)省電力，因?yàn)榘滋旖^不會(huì)打開(kāi)燈。
溫度傳感與控制裝置
使用傳感器的另一種微控制器應(yīng)用可能是需要溫度控制的設(shè)備，例如空調(diào)。該微控制器可用于測(cè)量當(dāng)前溫度，并且根據(jù)溫度值，可以打開(kāi)或關(guān)閉相應(yīng)的設(shè)備。
火災(zāi)探測(cè)報(bào)警到控制室
發(fā)生火災(zāi)時(shí)，微控制器可以發(fā)揮重要作用，以迅速采取行動(dòng)。微控制器可以使用熱量和煙霧傳感器檢測(cè)火情。可以使用Wi-Fi，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將微控制器直接與消防部門(mén)控制室鏈接。這樣，可以使消防部門(mén)的響應(yīng)時(shí)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(gè)設(shè)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(lái)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(gè)設(shè)備之間進(jìn)行通信，這使微控制器成為設(shè)備中通信的更好選擇。
速度計(jì)和自動(dòng)制動(dòng)
眾所周知，汽車(chē)正在向自動(dòng)駕駛汽車(chē)發(fā)展。微控制器可以用于多個(gè)目的，速度計(jì)和自動(dòng)制動(dòng)。超聲波傳感器可以用來(lái)檢測(cè)汽車(chē)的速度，而自動(dòng)制動(dòng)算法也可以基于超聲波傳感器來(lái)開(kāi)發(fā)。