معرفی میکروکنترلر AVR و کاربردهای آن در صنایع + فیلم آموزش میکروکنترلر avr

بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی که در اطرافمان می‌بینیم از برخی قطعات استفاده می‌کنند که هرکدام می‌توانند دستورالعمل‌های مخصوص به کارکرد هر دستگاه را مشخص کنند. از جمله مهم‌ترین قطعاتی که قدرت پردازش را دارند میکروکنترلر ها هستند. در اصل میکروکنترلر توانایی پردازش اطلاعات ورودی و بعد از آن ارسال اطلاعات خروجی را دارند که می‌تواند برای هر مجموعه و دستگاهی مفید باشد. در این مطلب می‌خواهیم با میکروکنترلر AVR که یکی از مهم‌ترین و بهترین نمونه‌های مربوط به این حوزه است صحبت کنیم و به کاربردهای این قطعه در مدارهای الکترونیکی اشاره کنیم.

منظور از میکروکنترلر avr چیست؟

میکروکنترلر در اصل یک ریز کنترل کننده است که مشابه یک تراشه یا IC کامپیوتری می‌باشد و وظیفه‌ی آن کنترل کردن دستگاه‌های دیگر است و برای این مهم برنامه ریزی شده است. دلیل نام گذاری آن به میکروکنترلر را می‌توان در اندازه و سایز آن دانست که می‌تواند علیرغم کوچک بودن کنترل دستگاه‌ها و ماشین آلات را انجام دهد. از طرفی چون این قطعه‌ی الکترونیکی درون بسیاری از لوازم و دستگاه‌هایی که می‌شناسیم قرار می‌گیرد مانند ماشین لباس شویی، یخچال، لپ تاپ و ... به آن کنترلر توکار هم گفته می‌شود.

عبارت میکروکنترلر از دو بخش تشکیل شده است که شامل میکرو و کنترلر می شود.

میکرو (Micro) : عبارتست از یک واحد یونانی در ریاضیات که به معنی 10 به توان 6- می باشد. از نظر مفهومی یعنی با قطعه ای سروکار داریم که بسیار کوچک است ولی سرعت اجرای دستورات در آن بالاست.

کنترلر (Controller) : این بخش هم به معنای کنترل کننده می باشد که قدرت کنترل کردن بخش های مختلفی از یک دستگاه الکترونیکی را دارد.

هر میکروکنترلر حاوی ROM، RAM و درگاه‌های ورودی و خروجی است که ابتدا داده‌ها از طریق راه‌های ورود به میکروکنترلر به آن وارد می‌شود و سپس توسط ریزپردازنده‌ای که درون آن قرار گرفته است داده‌ها را پردازش می‌کند و سپس اطلاعات به‌دست آمده را به واحد خروجی تحویل می‌دهد. بد نیست بدانیم که یک ماشین حساب ساده یا ساعت مچی هم در داخل خود یک میکروکنترلر دارد که می‌تواند دستورات داده شده را انجام دهد.

البته تا قبل از اینکه میکروکنترلر ها ابداع شوند مهندسین برای پروژه‌های خود از ترانزیستورها استفاده می‌کردند که بسیار پرهزینه و سخت‌تر بود که کار را در زمان بیشتری انجام می‌داد ولی با ظهور میکروکنترلر ها صنایع مختلف توانستند پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در میزان قیمت تمام شده و سایز محصولات خود داشته باشند. در اصل میکروکنترلر تمام ابزارهای لازم برای در اختیار داشتن مدار کوچک‌تر، سریع‌تر، ساده‌تر و البته دقیق‌تر را در یک فضای به مراتب کوچک‌تر خواهد داشت. حال برای اینکه با جزئیات دقیق هر میکروکنترلر به‌طور کامل آشنا شویم نیاز است تا از نظرات و مطالب برترین اساتید باتجربه در این زمینه در فیلم‌های آموزشی فرادرس استفاده کنیم تا بتوانیم به‌عنوان یک کارشناس متخصص در این رابطه شناخته شویم.

بررسی دلایل استفاده از میکروکنترلر

همان‌طور که اشاره شد میکروکنترلر ها در سیستم‌هایی که به‌صورت توکار هستند استفاده می‌شود و آنها ترکیبی از نرم افزار و سخت افزار هستند که هرکدام برای عملکردهای مختلفی ساخته شده‌اند. برخی از سیستم‌های توکار که میکروکنترلر ها در آنها استفاده شده‌اند عبارت‌اند از: مایکروویو، دوربین عکاسی، تجهیزات پزشکی، تلفن‌های همراه، ساعت دیجیتالی، ربات‌ها، انواع لوازم خانگی مانند ماشین لباس شویی، ماشین ظرف‌شویی، یخچال و...

مشخص است که نوع استفاده و کاربرد این قطعات بسیار بالاست و یکی از عمده دلایل کاربرد آنها این است که به‌طور چشمگیری هزینه انجام و ساخت لوازم را کاهش خواهد داد و همچنین سایز و اندازه این تجهیزات را به‌طور قابل ملاحظه‌ای کم خواهد کرد. این قطعه در مقایسه با روشی که در آن واحدهای ورودی و خروجی و همچنین بخش پردازشگر جدا از هم هستند بسیار مفیدتر و کم هزینه‌تر است. به‌طور کلی وقتی میکروکنترلر AVR قابلیت مهمی مانند میکروپروسسور داخلی، RAM، ROM رابط‌های موازی، مبدل آنالوگ به دیجیتال، رابط‌های سریال و... دارد ساختن برنامه در مجاورت آن‌ها بسیار ساده‌تر به نظر می‌رسد و به همین خاطر می‌توانیم از آنها به‌صورت وسیع‌تر استفاده کنیم. از طرفی محیط برنامه نویسی و توسعه نرم افزاری مخصوص میکروکنترلر ها امکانات بسیار گسترده‌ای دارد که برای کنترل کردن برنامه‌ها برحسب نیاز آنها ایجاد می‌شود.

ساختار و اجزای داخلی میکروکنترلر

مانند هر وسیله‌ی الکترونیکی دیگر میکروکنترلر ها هم قطعات داخلی مخصوص به خود را دارند که می‌توانند داده‌ها را ذخیره و نگهداری، پردازش و نمایش دهند. هر میکروکنترلر از بخش‌های زیر تشکیل شده است که عبارت‌اند از:

1. واحد پردازش
2. واحد حافظه
3. درگاه های ورودی و خروجی
4. درگاه های سریال
5. تایمرها
6. کنترل وقفه
7. ADC وDAC

در ادامه به بررسی هرکدام از این بخش‌های موجود در یک میکروکنترلر می‌پردازیم.

واحد حافظه

برای اینکه بتوانیم داده‌های ورودی و اطلاعات خروجی را در بخشی از یک میکروکنترلر AVR ذخیره کنیم باید واحد حافظه داشته باشیم که این بخش در کنار بخش‌های دیگر درون یک میکروکنترلر قرار گرفته است. انواع و اشکال مختلفی از یک حافظه در این قطعه می‌تواند قرار بگیرد که شامل RAM - ROM - EPROM - EEPROM و حافظه Flash می‌باشد.

درگاه های ورودی و خروجی

هر میکروکنترلر بخش‌هایی با عنوان درگاه و پورت‌های ورودی و خروجی دارد که بسته به نوع هر میکروکنترلر می‌تواند تعداد پایه‌های ورودی و خروجی متفاوت باشد. از این درگاه‌ها می‌توان برای رابط‌های دیگر مانند سنسورها و بخش‌های نمایشگر استفاده کرد.

پردازنده مرکزی

بخش مهم و اصلی یک میکروکنترلر را مغز آن تشکیل می‌دهد و وقتی داده‌ها از پین‌های ورودی به آن وارد می‌شود بخش پردازنده از طریق دستورالعمل‌ها تمامی داده‌ها را پردازش کرده و سپس اطلاعات را به پین‌های خروجی ارسال می‌کند.

پورت های سریال

میکروکنترلر ها از طریق پورت و درگاه سریال با سایر وسایل و قطعات جانبی ارتباط دارد. پورت سریال رابط ارتباطی سریال بوده که از راه آن داده‌ها به‌صورت همزمان به داخل و خارج یک داده اطلاعاتی مانند یک بیت منتقل می‌شوند.

بخش ADC و DAC

اکثر اوقات سیستم‌هایی که به‌صورت توکار هستند باید داده‌ها و اطلاعات خود از از آنالوگ به دیجیتال و همچنین بالعکس تبدیل کنند. اکثر نمونه‌های میکروکنترلر نوع AVR جهت تبدیل نیاز به مبدل ADC برای تبدیل آنالوگ به دیجیتال و همچنین مبدل DAC برای تبدیل دیجیتال به آنالوگ دارند.

تایمر ها

بخش شمارنده و تایمرها هم از بخش‌های بسیار مهم یک میکروکنترلر و سیستم توکار است که از آنها برای انجام عملیات‌های متعددی مثل شمارش پالس‌های خارجی، نوسان، تعدیل، تولید پالس و... استفاده می‌شود.

کنترل وقفه ها

از جمله ویژگی‌های مهم در میکروکنترلر ها بخش کنترل وقفه می‌باشد که این بخش نوعی از اعلان است که روند مداوم را قطع می‌کند و دستورالعمل انجام شدن وظایف تعریف شده اجرا می‌کند.

آشنایی با انواع میکروکنترلر ها

با توجه به نیاز دستگاه‌ها و سخت افزارهای مختلف میکروکنترلر های متعددی وجود دارد که هرکدام قابلیت‌ها و خصوصیات مخصوص به خود را دارند. یکی از مهم‌ترین انواع آنها میکروکنترلر AVR‌ است که به دسته‌های زیر تقسیم بندی می‌شود:

1. میکروکنترلرهای Tiny
2. میکروکنترلر mega
3. میکروکنترلر Atmega8 AVR
4. میکروکنترلر Atmega16 AVR
5. میکروکنترلر Atmega32 AVR
6. میکروکنترلر Atmega328 AVR
7. میکروکنترلر سری کلاسیک

در ادامه به شرح هرکدام از انواع میکروکنترلر های AVR می پردازیم.

میکروکنترلرهای Tiny

میکروکنترلر های Tiny در ابعاد 8، 20 و 28 موجود می‌باشد که این نوع نسبت به سایر مدل‌های دیگر امکانات کمتری دارد ولی واحد پردازش مرکزی CPU قوی‌تری دارد و اکثراً برای انجام عملیات‌ها و دستورات ساده و کم حجم استفاده می‌شود. برخی از نمونه‌های این مدل شامل ATtiny13 - ATtiny11 - ATtiny 2313 و ATtiny28 می‌باشد.

میکروکنترلر Mega

سری دوم از میکروکنترلر های AVR با نام Mega شناخته می‌شود که حافظه فلش 4 تا 512 کیلو بایت دارد که نسبت به مدل Tiny سطح بالاتر و پیشرفته‌تری دارد. بعضی از مهم‌ترین میکروکنترلر های AVR که استفاده و کاربرد بیشتری دارند شامل میکروکنترلر Atmega8 AVR - میکروکنترلر Atmega16 AVR - میکروکنترلر Atmega32 AVR - میکروکنترلر Atmega328 AVR می‌باشد.

میکروکنترلر مدل کلاسیک

مدل کلاسیک را می‌توان اولین نوع از سری تراشه‌ها و ریزپردازنده‌های میکروکنترلر AVR دانست که امکانات آن از مدل Tiny بیشتر بوده و از مدل Mega پایین‌تر است. بعضی از انواع میکروکنترلر های کلاسیک شامل AT90S1200، AT90S2313، AT90S2323 و AT90S8534 می‌باشند.

آشنایی با دستورالعمل و معماری میکروکنترلر AVR

به‌طور کلی 2 نوع دستورالعمل و معماری در میکروکنترلر ها داریم که عبارت‌اند از:

1. معماری RISC
2. معماری CISC

هر میکروکنترلر می‌تواند از معماری RISC یا CISC استفاده کند که در ادامه به‌صورت خلاصه آنها را تعریف می‌کنیم.

معماری RISC

این نوع معماری به معنای رایانه دستورالعمل کاهش یافته می‌باشد که زمان عمل انجام شدن را کاهش می‌دهد. این معماری زمان کار و فعالیت را یک چرخه از دستورالعمل‌ها را کاهش خواهد داد.

معماری CISC

در این نوع معماری تعداد کدها پیچیده و بیشتر خواهد شد چون هدف معماری CISC میکرو کنترلر AVR است. البته هرچه تعداد کدها بیشتر شود آدرس دهی نیز بیشتر خواهد شد و مدارهای مجتمع بیشتری نیز برای پشتیبانی و اجرا نیاز خواهد بود که منجر به کاهش یافتن سرعت محاسبات می‌شود. البته از طرفی برنامه نویسی در این حالت نیز اسمبلی شده که ساده‌تر بوده و از طرفی سرعت انجام و اجرای کدها و دستورات نیز کم شده‌اند.

ویژگی های میکروکنترلر نوع AVR

در ابتدا با جزئیات و خصوصیات کلی میکروکنترلر ها آشنا شدیم ولی در این بخش می‌خواهیم به سراغ ویژگی‌های خاص میکروکنترلر AVR برویم. باید بدانیم که هر میکروکنترلر دارای کاربردها و خصوصیات مخصوص به خود است که می‌تواند در نوع خود بهترین میکروکنترلر باشد و نمی‌توانیم هیچ‌کدام را نسبت به دیگری برتری بالایی بدهیم. البته باید بدانیم که ویژگی‌های این میکروکنترلر نیز خاص هستند که در ادامه به آنها اشاره خواهیم کرد:

• دارای کدهای کوچک و ساده
• تونایی اجرا و کارایی بالا در CPU
• دارای سخت افزار ضرب کننده بر روی خود
• دارای هماهنگی بسیار خوب در سیستم
• قابل بروزرسانی بسیار بالا
• دارای حافظه ی خود برنامه ریز
• دارای بهترین MCU جهت حافظه ی فلش

آشنایی با کاربردهای میکروکنترلر AVR در صنایع

همان‌طور که در بالا ذکر شد کاربردهای میکروکنترلر از نوع AVR در بخش‌های مختلفی می‌باشد و نمی‌توان گفت که این قطعه فقط برای صنعت خاصی استفاده می‌شود و گفتیم که از یک ماشین حساب ساده گرفته تا سیستم‌های کامپیوتری همگی در داخل خود از میکروکنترلر ها استفاده می‌کنند. حال باید تصور کنیم که دیگر صنایع بزرگ و پیشرفته چه استفاده‌های بزرگی از این قطعه‌ی پرکاربرد می‌کنند و این مورد باعث شده است که کاربردهای میکروکنترلر در صنایع مختلف بسیار بچشم بیاید و در بخش‌های مختلفی دیده شود.

در حالت کلی می توانیم بگوییم که کاربرد میکروکنترلر ها به سه دسته ی زیر تقسیم می شوند:

کاربردهای فضایی: خیلی از کاربردهای میکروکنترلر های بروز و پیشرفته در زمینه ی فعالیت های فضایی و نجومی شکل می گیرد که بسیار در این زمینه حساس هستند و خود نشان از اهمیت بالای میکروکنترلر ها دارد.

کاربردهای صنعتی: از برخی میکروکنترلر ها در کنترل کردن دستگاه ها و اتوماسیون های صنعتی استفاده می شود که در کلیه ماشین های کارخانجات کاربرد دارد.

کاربردهای سلامتی: میزان استفاده از میکروکنترلر ها در بخش دستگاه های پزشکی و سلامتی نیز کم نیست و از این قطعات بخوبی می توان در دستگاه های خاص بیمارستانی و حتی مچ بند هوشمند مشاهده کرد.

در ادامه برخی از کاربرد میکروکنترلر ها را در دستگاه های مختلف با ذکر نام بررسی می کنیم.

• دستگاه کنترل و سنجش دما
• دستاه ایمنی آتش و تشخیص آن
• دستگاه ابزارهای صنعتی دقیق
• دستگاه کنترل کردن فرآیندها
• دستگاه کنترل و سنجش نور
• دستگاه ولت متر
• دستگاه اندازه گیری اشیاء گردان Revol

سوال : در آخر می خواهیم بدانیم کدام یک از میکروکنترلر ها بهترین هستند؟

در پاسخ باید بگوییم که نمی توان بطور قطع پاسخ این سوال را داد چون گفتن اینکه کدام میکروکنترلر نسبت به بقیه نمونه ها دقیقتر و قوی تر است درست نیست چون هر میکروکنترلر بسته به نوع شرایط خود در یک پروژه می تواند بهتر از میکروکنترلر های دیگر باشد پس این موضوع یک امر نسبی است.

مثلاً در یک پروژه ساده‌ای مثل یک ساعت، میکروکنترلر از نوع AVR مناسب خواهد بود ولی برای پروژه‌ای دیگر چون به چندین پردازش همزمان نیاز داریم میکروکنترلر نوع AVR شاید مناسب نباشد و باید به سراغ میکروکنترلر ARM‌ برویم. ولی باید دقت داشت که میکروکنترلر های ARM قیمت بیشتری نسبت به نمونه AVR دارند که این می‌تواند در انتخاب ما تأثیرگذار باشد.

جمع بندی درباره میکروکنترلر AVR

در این مقاله درباره‌ی موضوع مهم میکروکنترلر و ویژگی‌های آن صحبت کردیم و قابلیت‌ها و کاربردهای آن را بررسی کردیم. در ادامه با یکی از مهم‌ترین نمونه‌های آن یعنی میکروکنترلر AVR آشنا شدیم که خصوصیات و ویژگی‌های این مورد را به‌صورت اختصاصی مطرح کرده و به کاربردهای نوع AVR و مزایای آن اشاره کردیم. اگر شما هم بخواهید با یکی از بهترین سخت افزارهای مهم و کاربردی برای صنایع مختلف آشنا شوید می‌توانید از تجربه‌ی اساتید خبره در مجموعه فیلم‌های آموزشی فرادرس استفاده کنید تا به تمامی جزئیات و خصوصیات آن مسلط شوید.