Mikrocontroller bilden trotz ihrer anfänglichen Komplexität die Grundlage vieler moderner Technologien.
Mikrocontroller sind das Rückgrat eines Grossteils der heutigen Technologie. Sie sind in unzählige Geräte eingebettet, um Aufgaben zu automatisieren, Steuerungen zu verwalten und intelligente Interaktionen zu ermöglichen. Anfang der 70er Jahre eingeführt, revolutionierten sowohl Mikrocontroller als auch Mikroprozessoren die Elektronik, indem sie die Rechenleistung in kompakte Chips integrierten.
In diesem Leitfaden werden die Grundlagen von Mikrocontrollern erläutert, einschliesslich ihrer Definition, ihrer Funktionsweise und der Gründe, warum sie in modernen Anwendungen unentbehrlich sind.
Was ist ein Mikrocontroller?
Ein Mikrocontroller funktioniert ähnlich wie ein Minicomputer und ist für die Ausführung einer oder weniger spezifischer Aufgaben konzipiert. Im Gegensatz zu grossen Computern, die eine Vielzahl von Programmen ausführen können, sind Mikrocontroller für die Durchführung spezieller, sich häufig wiederholender Aufgaben konzipiert. Sie sind klein, energieeffizient und perfekt für die direkte Einbindung in Geräte. Alltägliche Gegenstände wie Waschmaschinen, Drohnen und intelligente Thermostate verfügen alle über Mikrocontroller.
Jeder Mikrocontroller besteht aus drei Hauptkomponenten:
- CPU (Central Processing Unit): das „Gehirn“ des Mikrocontrollers, das Anweisungen verarbeitet.
- Speicher: speichert sowohl das Programm (im ROM/Flash) als auch die zur Ausführung des Programms benötigten Daten (im RAM).
- Input/Output (I/O) Ports: diese Ports ermöglichen dem Mikrocontroller die Kommunikation mit anderen Geräten oder Komponenten, wie Sensoren, Motoren und Displays.
Hauptunterschiede zwischen Mikrocontrollern und Mikroprozessoren
Häufig werden Mikrocontroller mit Mikroprozessoren verwechselt. Daher sollten Sie zunächst feststellen, ob Sie eine Mikroprozessoreinheit (MPU) oder eine Mikrocontrollereinheit (MCU) benötigen. Diese beiden Arten von Prozessorchips werden in fast allen elektronischen Geräten verwendet. Einige verwenden sogar beide, aber sie dienen unterschiedlichen Zwecken:
| Mikrocontroller | Mikroprozessor |
| Konzipiert für spezifische, spezielle Aufgaben | Konzipiert für komplexe, multitaskingfähige Vorgänge |
| Enthält CPU, Speicher und E/A in einem Chip | Erfordert separate Speicher- und E/A-Komponenten |
| Ideal für eingebettete Systeme (z. B. Geräte, Spielzeug) | Ideal für Computer und Tablets |
Wie Mikrocontroller funktionieren
Als Gehirn des Mikrocontrollers ruft die CPU speicherbasierte Anweisungen ab und führt sie aus. Nachdem sie die Anweisungen aus dem Speicher abgerufen und dekodiert hat, führt sie die zugewiesenen Aufgaben aus. Die Daten und Anweisungen, die die CPU benötigt, werden im Speicher abgelegt. Mikrocontroller verwenden in der Regel zwei Arten von Speicher: ROM, in dem die Programmanweisungen dauerhaft gespeichert werden, und RAM, in dem temporäre Daten gespeichert werden, auf die die CPU während des Betriebs des Mikrocontrollers schnell zugreifen kann.
E/A-Ports, die je nach Modell entweder digitale oder analoge Signale unterstützen, ermöglichen dem Mikrocontroller die Kommunikation mit externen Geräten. Timer und Konverter sind Beispiele für integrierte Peripheriegeräte, die die Funktionalität erhöhen.
Ein Mikrocontroller muss mit einer bestimmten Sprache programmiert werden, bevor er eingesetzt werden kann. Nach der Programmierung führt der Mikrocontroller die ihm zugewiesenen Aufgaben aus und führt die gespeicherten Anweisungen aus.
Arten von Mikrocontrollern und ihre Anwendungen
Zu den beliebtesten Mikrocontrollern gehören:
- Arduino (AVR) Mikrocontroller: Arduino-Mikrocontroller sind für ihre benutzerfreundliche Software und die umfangreiche Unterstützung durch die Community bekannt. Sie eignen sich hervorragend für Anfänger und werden häufig im Bildungsbereich eingesetzt.
- PIC-Mikrocontroller: Diese werden aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit häufig in Industrie- und Automobilanwendungen eingesetzt.
- ARM Cortex-M-Mikrocontroller: Sie sind in fortschrittlicher Verbraucherelektronik zu finden und bieten eine hohe Verarbeitungsleistung und Flexibilität, was sie für komplexere Projekte beliebt macht.
Mikrocontroller können eine Vielzahl elektronischer Geräte steuern, insbesondere bei Anwendungen, die sich wiederholende Vorgänge oder schnelle Berechnungen erfordern. Hier sind Beispiele für Geräte, die von Mikrocontrollern gesteuert werden:
- Computer
- Robotik
- Eingebettete Systeme
- Haushaltsgeräte
- Industrielle Ausrüstung
- Wearables
- Internet der Dinge (IoT)
- Sicherheitssysteme
- Sensoren und Sensorarrays
Erste Schritte mit Mikrocontrollern
Damit Ihr erster Arbeitsversuch mit Microcontrollern erfolgreich ist, befolgen Sie folgende Schritte:
1. Wählen Sie einen Mikrocontroller oder ein Entwicklungsboard
Der optimale Mikrocontroller für Ihre Anwendung hängt von den Anforderungen an die Verarbeitungsleistung, den Speicher, die E/A und die Peripheriegeräte ab; es gibt nicht den „besten“ Mikrocontroller. Um einen geeigneten Mikrocontroller zu finden, berücksichtigen Sie die Anforderungen Ihres Projekts sorgfältig. Besonders empfehlenswert für Anfänger sind die Mikrocontroller AVRs oder PICs, da es eine Fülle von Online-Schulungen und Support-Foren gibt.
Bei Entwicklungsplatinen handelt es sich um gedruckte Schaltungen (PCBs), die einen bestimmten integrierten Mikrocontroller-Schaltkreis (IC) und die erforderlichen Zusatzschaltungen enthalten, um das Prototyping und die Programmierung zu erleichtern und zu beschleunigen. Bekannte Entwicklungsplatinen wie der Raspberry Pi und der Arduino Uno sind zu beliebten Optionen in der Do-it-yourself-Elektronik-Community geworden und haben die Art und Weise revolutioniert, wie Menschen Elektronik lernen und Projekte bauen.
2. Einrichten Ihrer Entwicklungsumgebung
Ein erfolgreicher Start hängt von der Einrichtung der richtigen Entwicklungsumgebung ab. Das Arduino IDE (Integrated Development Environment) ist aufgrund seiner Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit eine beliebte Option für Arduino-Boards. Das Arduino-IDE ist ein kostenloses Programm, mit dem Benutzer Code schreiben, erstellen und in den Mikrocontroller hochladen können. Plattformen wie PlatformIO ermöglichen eine kompliziertere Entwicklung in IDEs wie Visual Studio Code und unterstützen eine Vielzahl von Boardtypen für anspruchsvollere Mikrocontroller. Die Installation der erforderlichen Software, der Anschluss des Entwicklungsboards an den PC und die Befolgung der grundlegenden Einrichtungsrichtlinien für das Board Ihrer Wahl sollten Ihre ersten Schritte sein.
3. Grundlegenden Code schreiben
Um Erfahrungen mit der Programmierung von Mikrocontrollern zu sammeln, beginnen Sie mit einfachen Programmieraufgaben. Das Blinken einer LED ist ein gängiges Einführungsprojekt, mit dem die Grundlagen der Ausgabesteuerung vermittelt werden. Um mehr darüber zu erfahren, wie Mikrocontroller mit ihrer Umgebung interagieren, können Sie Eingaben von Sensoren, wie Temperatursensoren, lesen. Um Ihnen zu helfen, die Syntax und Struktur des in eingebetteten Systemen verwendeten Codes zu verstehen, bietet die Arduino IDE Beispielskizzen, die typische Funktionen veranschaulichen.
4. Übergang zu komplexen Projekten
Nach der Beherrschung der Grundlagen gehen Sie schrittweise zu immer komplexeren Projekten mit zahlreichen Eingängen, Ausgängen und Kontrollsystemen über. Sie könnten beispielsweise einen bewegungsgesteuerten Alarm entwickeln, der ertönt, wenn eine Bewegung erkannt wird, oder einen temperaturgesteuerten Ventilator, der sich einschaltet, wenn ein Sensor eine bestimmte Temperatur registriert. Diese Projekte verbessern grundlegende Fähigkeiten wie den Umgang mit vielen Eingaben und Ausgaben, die Einrichtung von Rückmeldesystemen und die Verwendung von bedingten Ausdrücken. Nur wenn Sie mit immer komplizierteren Einstellungen experimentieren, entwickeln und verbessern Sie Ihre Programmierfähigkeiten und lernen, wie man mit immer schwierigeren Steuerungsaufgaben umgeht. Sobald Sie sich sicher fühlen, versuchen Sie sich an Projekten, die mehrere Eingänge und Ausgänge umfassen, wie ein temperaturgesteuerter Lüfter oder ein bewegungsgesteuerter Alarm.
Fazit
Das Verständnis von Mikrocontrollern ist in der heutigen technologiebasierten Welt von entscheidender Bedeutung, insbesondere für diejenigen, die in den Bereichen Technik, Automatisierung oder IoT arbeiten möchten. Wenn Sie die Grundlagen erlernen und mit kleinen Projekten experimentieren, können Sie die Leistungsfähigkeit dieser winzigen Geräte schnell erfassen und sich auf den Weg zu fortgeschritteneren Anwendungen machen. Ganz gleich, ob Sie Roboter bauen, IoT-Geräte entwickeln oder Systeme automatisieren wollen, Mikrocontroller sind ein unverzichtbares Werkzeug in Ihrem technischen Werkzeugkasten.
