Mikrokontrolery – przewodnik dla początkujących

Mikrokontrolery to złożone komponenty stanowiące podstawę współczesnej technologii.

Mikrokontrolery stanowią podstawę większości współczesnych technologii, znajdując zastosowanie w niezliczonych urządzeniach automatyzujących zadania, zarządzających elementami sterującymi i umożliwiających inteligentne interakcje Zostały wprowadzone na początku lat 70. ubiegłego wieku i wraz z mikroprocesorami zrewolucjonizowały elektronikę, integrując moc obliczeniową w kompaktowych układach scalonych.

W tym poradniku omówimy podstawowe pojęcia związane z mikrokontrolerami, w tym ich definicję, działanie i główne zalety wynikające z ich zastosowania we współczesnych aplikacjach.

Czym jest mikrokontroler?

Mikrokontrolery działają podobnie do minikomputerów i są przeznaczone do wykonywania jednego lub kilku określonych zadań. O ile duże komputery mogą obsługiwać wiele różnych programów, mikrokontrolery wykonują wyspecjalizowane, często powtarzające się zadania. Są małe, energooszczędne i można je wbudowywać bezpośrednio w urządzenia. Mikrokontrolery są stosowane w wielu przedmiotach codziennego użytku, w tym w pralkach, dronach i inteligentnych termostatach.

Każdy mikrokontroler składa się z trzech głównych komponentów:

• Procesor (CPU) – „mózg” mikrokontrolera, który przetwarza instrukcje.
• Pamięć – przechowuje zarówno program (w pamięci ROM/Flash), jak i dane potrzebne do uruchomienia programu (w pamięci RAM).
• Porty wejścia/wyjścia (I/O) – umożliwiają mikrokontrolerowi komunikację z innymi urządzeniami lub komponentami, takimi jak czujniki, silniki i wyświetlacze.

Główne różnice między mikrokontrolerami a mikroprocesorami

Mikrokontrolery (MCU) są często mylone z mikroprocesorami (MPU), dlatego przed wyborem odpowiedniego rozwiązania do danego zastosowania warto poznać kluczowe różnice między nimi. Oba rodzaje układów są wykorzystywane w niemal wszystkich urządzeniach elektronicznych, mają jednak różne zastosowania:

Jak działają mikrokontrolery

Procesor, będący mózgiem mikrokontrolera, pobiera instrukcje z pamięci, dekoduje je i wykonuje przypisane zadania, a dane oraz instrukcje potrzebne do jego działania są przechowywane w pamięci RAM. W ten sposób procesor koordynuje wszystkie operacje, które komputer ma wykonać. Mikrokontrolery zazwyczaj korzystają z dwóch głównych typów pamięci: pamięci ROM, która trwale przechowuje instrukcje programu, oraz pamięci RAM, która służy do tymczasowego przechowywania danych, umożliwiając CPU szybki dostęp do nich w trakcie działania mikrokontrolera.

Porty I/O, które w zależności od modelu obsługują sygnały cyfrowe lub analogowe, umożliwiają mikrokontrolerowi komunikację z urządzeniami zewnętrznymi. Przykładami wbudowanych urządzeń peryferyjnych zwiększających funkcjonalność są timer i konwertery.

Mikrokontroler musi być najpierw zaprogramowany w określonym języku, aby mógł następnie realizować przypisane mu zadania i uruchamiać zapisane instrukcje.

Rodzaje mikrokontrolerów i ich zastosowania

Na rynku istnieje wiele rodzajów mikrokontrolerów, a oto kilka najpopularniejszych z nich:

• Mikrokontrolery Arduino (AVR): Znane z prostego w obsłudze oprogramowania i szerokiego wsparcia społeczności, mikrokontrolery Arduino są świetnym wyborem dla początkujących i często znajdują zastosowanie w edukacji.
• Mikrokontrolery PIC: Powszechnie stosowane w przemyśle i motoryzacji ze względu na ich niezawodność i zdolność adaptacji.
• Mikrokontrolery ARM Cortex-M: Stosowane w bardziej zaawansowanej elektronice użytkowej, oferują dużą moc obliczeniową i elastyczność, dzięki czemu cieszą się popularnością w bardziej złożonych projektach.

Mikrokontrolery mogą sterować szeroką gamą urządzeń elektronicznych, zwłaszcza w zastosowaniach wymagających powtarzających się zadań lub szybkich obliczeń. Oto kilka przykładów zastosowania mikrokontrolerów:

• komputery,
• robotyka,
• systemy wbudowane,
• sprzęt gospodarstwa domowego,
• urządzenia przemysłowe,
• urządzenia ubieralne,
• internet rzeczy (IoT),
• systemy zabezpieczeń,
• czujniki i macierze czujnikowe.

Pierwsze kroki z mikrokontrolerami

Aby rozpocząć pracę z mikrokontrolerami, należy postępować zgodnie z poniższymi krokami:

1. Wybór mikrokontrolera lub płytki rozwojowej

Wybór odpowiedniego mikrokontrolera do danej aplikacji będzie zależał od jej wymagań w zakresie mocy obliczeniowej, pamięci, wejść/wyjść i urządzeń peryferyjnych. Należy dokładnie rozważyć potrzeby danego projektu. Mikrokontrolery, takie jak AVR i PIC, są szczególnie polecane dla początkujących ze względu na bogaty wybór dostępnych szkoleń online oraz aktywne fora dyskusyjne, które ułatwiają naukę i rozwiązywanie problemów.

Płytki rozwojowe to płytki PCB, które zawierają specyficzny układ scalony mikrokontrolera (IC) oraz obwody pomocnicze wymagane do ułatwienia i przyspieszenia prototypowania i programowania. Platformy programistyczne, takie jak Raspberry Pi i Arduino Uno, cieszą się dużą popularnością wśród społeczności miłośników elektroniki i zrewolucjonizowały sposób, w jaki ludzie uczą się elektroniki i tworzą projekty. 

2. Konfiguracja środowiska programistycznego

Kolejnym krokiem jest skonfigurowanie odpowiedniego środowiska programistycznego. Najpopularniejszą opcją programistyczną dla płytek Arduino jest Arduino IDE (Integrated Development Environment) ze względu na swoją prostotę i użyteczność. Arduino IDE to bezpłatny program, który umożliwia pisanie, budowanie i przesyłanie kodu do mikrokontrolera. Platformy takie jak PlatformIO umożliwiają bardziej złożony rozwój w środowiskach IDE, takich jak Visual Studio Code i obsługują różne typy płytek dla bardziej zaawansowanych mikrokontrolerów. Na początku należy zainstalować wymagane oprogramowanie, podłączyć płytkę rozwojową do komputera i postępować zgodnie z podstawowymi wytycznymi dotyczącymi konfiguracji, specyficznymi dla wybranej płytki. 

3. Pisanie podstawowego kodu

Aby nabrać wprawy w programowaniu mikrokontrolerów, warto zacząć od łatwych projektów. Popularnym przykładem takiego projektu jest zaprogramowanie migającej diody LED. Podczas tego zadania można nauczyć się podstaw sterowania wyjściami. Chcąc lepiej zrozumieć działanie mikrokontrolerów w interakcji z otoczeniem, warto zacząć od odczytywania danych wejściowych z czujników, takich jak czujniki temperatury. Arduino IDE oferuje przykładowe szkice, które ilustrują typowe funkcje, dzięki czemu łatwiej jest zrozumieć składnię i strukturę kodu używanego w systemach wbudowanych.

4. Zaawansowane projekty

Po opanowaniu podstaw można przejść do coraz bardziej złożonych projektów wykorzystujących liczne wejścia, wyjścia i systemy sterowania. Na przykład można zaprojektować alarm reagujący na ruch lub wentylator sterowany temperaturą, który włącza się, gdy czujnik zarejestruje określoną temperaturę. Tego rodzaju projekty rozwijają podstawowe umiejętności, w tym obsługę wielu wejść i wyjść, wdrażanie systemów sprzężenia zwrotnego i korzystanie z wyrażeń warunkowych.

Podsumowanie

W dzisiejszym świecie technologii zrozumienie mikrokontrolerów jest ważną umiejętnością, niezbędną osobom zajmującym się inżynierią, automatyką lub IoT. Poznając podstawy i eksperymentując z małymi projektami, można szybko przekonać się o mocy tych niewielkich urządzeń. Jeśli chcesz tworzyć systemy robotyki, urządzenia IoT lub automatyzować systemy, w twoim zestawie narzędzi inżynierskich nie powinno zabraknąć mikrokontrolerów.