كاربرد میكروكنترلرها در وسایل الكترونیكی و كامپیوترها

كاربرد میكروكنترلرها در وسایل الكترونیكی و كامپیوترها

-۱- مقدمه

گر چه كامپیوترها تنها چند دهه ای است كه با ما همراهند، با این حال تأثیر عمیق آنها بر زندگی ما با تأثیر تلفن ، اتومبیل و تلویزیون رقابت می كند. همگی ما حضور آنها را احساس می كنیم، چه برنامه نویسان كامپیوتر و چه دریافت كنندگان صورت حساب های ماهیانه كه توسط سیستم های كامپیوتری بزرگ چاپ شده و توسط پست تحویل داده می شود. تصور ما از كامپیوتر معمولا داده پردازی است كه محاسبات عددی را بطور خستگی ناپذیری انجام می دهد.

ما با انواع گوناگونی از كامپیوترها برخورد می كنیم كه وظایفشان را زیركانه و بطرزی آرام، كارا و حتی فروتنانه انجام می دهند و حتی حضور آنها اغلب احساس نمی شود. ما كامپیوترها را به عنوان جزء مركزی بسیاری از فرآورده های صنعتی و مصرفی از جمله،‌در سوپرماركت ها داخل صندوق های پول و ترازوها؛ در خانه، در اجاق ها، ماشین های لباسشویی، ساعت های دارای سیستم خبردهنده و ترموستات ها؛ در وسایل سرگرمی همچون اسباب بازی ها، VCR ها، تجهیزات استریو و وسایل صوتی؛ در محل كار در ماشین های تایپ و فتوكپی؛ و در تجهیزات صنعتی مثل مته های فشاری و دستگاههای حروفچینی نوری می یابیم. در این مجموعه ها كامپیوترها وظیفه «كنترل» را در ارتباط با “دنیای واقعی” ، برای روشن و خاموش كردن وسایل و نظارت بر وضعیت آنها انجام می هند. میكروكنترلرها (برخلاف میكروكامپیوترها و ریزپردازنده ها ) اغلب در چنین كاربردهایی یافت می شوند.

با وجود این كه بیش از بیست سال از تولد ریزپردازنده نمی گذرد، تصور وسایل الكترونیكی و اسباب بازیهای امروزی بدون آن كار مشكلی است. در ۱۹۷۱ شركت اینتل ۸۰۸۰ را به عنوان اولین ریزپردازنده موفق عرضه كرد. مدت كوتاهی پس از آن، موتورولا، RCA و سپس MOS Technology و zilog انواع مشابهی را به ترتیب به نامهای ۶۸۰۰ ، ۱۸۰۱ ، ۶۵۰۲ و Z80 عرضه كردند. گر چه این مدارهای مجتمع IC) ها ) به خودی خود فایده چندانی نداشتند اما به عنوان بخشی از یك كامپیوتر تك بورد[۱] (SBC) ، به جزء مركزی فرآورده های مفیدی برای آموزش طراحی با ریزپردازنده ها تبدیل شدند.

از این SBC ها كه بسرعت به آزمایشگاههای طراحی در كالج ها،‌دانشگاهها و شركت های الكترونیك راه پیدا كردند می توان برای نمونه از D2 موتورولا، KIM-1 ساخت MOS Technology و SDK-85 متعلق به شركت اینتل نام برد.

میكروكنترلر قطعه ای شبیه به ریزپردازنده است. در ۱۹۷۶ اینتل ۸۷۴۸ را به عنوان اولین قطعه خانواده میكروكنترلرهای MCS-48TM معرفی كرد. ۸۷۴۸ با ۱۷۰۰۰ ترانزیستور در یك مدار مجتمع ،‌شامل یك CPU ،‌۱ كیلوبایت EPROM ، ۲۷ پایه I/O و یك تایمر ۸ بیتی بود. این IC و دیگر اعضای MCS-48TM كه پس از آن آمدند، خیلی زود به یك استاندارد صنعتی در كاربردهای كنترل گرا تبدیل شدند.


[۱] – Single Board Computer

-۶-۱ ابزارهای ذخیره سازی انبوه

ابزارهای ذخیره سازی انبوه نیز مثل RAM ها و ROM های نیمه رسانا جزو نقش آفرینان عرصه تكنولوژی حافظه هستند كه بطور دائم در حال رشد و بهبود است. آنچنان كه از نام آنها بر می آید این ابزارها مقادیر متنابهی اطلاعات (برنامه یا داده) را نگهداری می كنند و این حجم از اطلاعات به هیچ وجه در RAM با “حافظه اصلی” نسبتاً كوچك كامپیوتر جا نمی گیرد. این اطلاعات پیش از اینكه در دسترس قرار بگیرد باید به داخل حافظه اصلی باز شود. دسته بندی ابزارهای ذخیره سازی انبوه برطبق سادگی دستیابی به اطلاعات،‌آنها را به دو دسته تقسیم می كند ابزارهای آماده كار[۱] و ابزارهای بایگانی[۲] در روش ذخیره سازی آماده كار كه معمولا روی نوارهای مغناطیسی یا دیسك های مغناطیسی انجام می شود. اگر چه دیسك های نوری مثل ROM- CDها[۳] یا تكنولوژی WORM [4] كه بتازگی ظهور كرده اند، ممكن است سمت گیری روش ذخیره سازی بایگانی را به علت قابلیت اطمینان، ظرفیت بالا و قیمت پایین خود تغییر دهند.[۵]

۲-۶-۱ ابزارهای رابط با انسان

یگانگی انسان و ماشین توسط مجموعه ای از ابزارهای رابط با انسان تحقق می یابد كه متداول ترین آنها عبارتند از پایانه های نمایش تصویر (VDT) و چاپگرها. اگر چه چاپگرها ابزارهای صرفاً خروجی هستند كه برای چاپ كردن اطلاعات به كار می روند ولی VDT ها در واقع از دو وسیله تشكیل شده اند زیرا شامل یك صفحه كلید به عنوان ورودی و یك CRT[6] به عنوان خروجی می باشند. یك رشتة‌ خاص در مهندسی به نام “ارگونومیك” یا “مهندسی فاكتورهای انسانی” به خاطر ضرورتی كه در طراحی این ابزارهای جابنی با توجه به طبیعت انسان احساس می شد،‌به وجود آمده است و هدف آن وفق دادن مشخصات انسان با ماشین های مورد استفاده او به شكلی مطمئن ، راحت و كارا می باشد. در حقیقت تعداد شركت هایی كه این دسته از ابزارهای جانبی را تولید می كنند بیشتر از شركت های تولید كننده كامپیوتر است. در هر سیستم كامپیوتری دست كم سه تا از این ابزارها وجود دارد: صفحه كلید، CRT و چاپگر. از دیگر ابزارهای رابط با انسان می توان دستگیرة بازی [۷] ، قلم نوری،‌ماوس، میكروفن و بلندگو را نام برد.

۳-۶-۱ ابزارهای كنترل / نظارت

به كمك ابزارهای كنترل / نظارت (و برخی نرم افزارها و رابط های الكترونیكی دقیق) كامپیوترها می توانند كارهای كنترلی زیادی را بی وقفه،‌بدون خستگی و بسیار فراتر از توانایی انسان انجام دهند.

كاربردهایی نظیر كنترل حرارت یك ساختمان، محافظت از خانه، كنترل آسانسور، كنترل وسایل خانگی و حتی جوش دادن قطعات مختلف یك خودرو همگی با استفاده از این ابزارها امكان پذیر هستند.

ابزارهیا كنترل، ابزارهای خروجی یا عمل كننده[۸] هستند. آنها وقتی كه با یك ولتاژ یا جریان، تغذیه شوند می توانند بر جهان پیرامون خود اثر بگذارند (مثل موتورها و رله ها) ابزارهای نظارت، ابزارهای ورودی یا حسگر[۹] هستند كه با كمیت هایی نظیر حرارت،‌نور ، فشار، حركت و مانند آن، تحریك شده و آنها را به جریان یا ولتاژی كه توسط CPU خوانده می شود تبدیل می كنند (مثل فتوترانزیستورها، ترمیستورها و سوئیچ ها) ولتاژ یا جریان توسط مدارهای واسطه، به یك دادة دودویی تبدیل می شود و یا برعكس و سپس نرم افزار، یك رابطة منطقی بین ورودی ها و خروجی ها برقرار میك ند. سخت افزار و نرم افزار مورد نیاز برای ارتباط این ابزارها بامیكروكنترلرها یكی از موضوعات عمدة این كتاب می باشد.


[۱] – online

[۲] – archival

[۳] – Compact disk Read only Memory

[۴] – Write Once Read Mostly

[۵] – یك ROM – CD كه توان ذخیره سازی ۵۵۰ مگابایت را دارد برای ذخیره كردن ۳۲ جلد كتاب از دایره المعارف بریتانیكا كافی است.

[۶] – cathode-ray tube

[۷] – joystick

[۸] – actuators

[۹] – sensors

۲ مروری بر خانواده MCS-51TM

MCS-51TM خانواده ای از میكروكنترلرهاست كه توسط شركت اینتل به بازار عرضه شده است. دیگر تولیدكنندگان IC نظیر زیمنس، AMD ، فوجیستو و فیلیپس به عنوان تولید كننده ثانویه ، IC های این خانواده را تحت مجوز اینتل تولید می كنند. هر میكروكنترلر این خانواده از امكاناتی مناسب با یك سری طراحی های مشخص برخوردار است.

در این فصل معماری سخت افزار خانواده MCS-51TM معرفی می شود. برگه اطلاعات اینتل را برای ابزارهای سط ورودی[۱] (مثل ۸۰۵۱AH) در ضمیمه ث می توان یافت. برای جزئیات بیشتر،مثل مشخصات الكتریكی این ابزارها باید به این ضمیمه مراجعه كرد.

بسیاری از مشخصات سخت افزاری با چند دستورالعمل توضیح داده شده اند. برای هر مثال شرح مختصری داده شده. همچنین برای خلاصه دستورالعمل های ۸۰۵۱ به ضمیمه الف و برای تعریف هر دستورالعمل می توانید به ضمیمه پ مراجعه كنید.

۸۰۵۱ یك نوع IC نوعی و اولین عضو این خانواده است كه بصورت تجاری مطرح شد خلاصه مشخصات این IC از این قرار است:

qK4 بایت ROM

q 128 بایت RAM

q چهار درگاه I/O[2] (ورودی – خروجی) هشت بیتی

q دو تایمر / شمارنده[۳] ۱۶ بیتی

q رابط سریال[۴]

q K 64 بایت فضای حافظه خارجی برای كد

q K64 بایت فضای حافظه خارجی برای داده

q پردازنده بولی[۵] (كه عملیات روی بیت ها را انجام می دهد)

q 210 مكان بیتی آدرس پذیر[۶]

q انجام عملیات ضرب و تقسیم در ۴ میكروثانیه

دیگر اعضای خانواده MCS-51TM هر یك امكانات دیگری از قبیل ROM روی تراشه[۷] ، RAM, EPROM روی تراشه و یا یك تایمر سوم را دارا هستند. در ضمن هر یك از انواع IC های این خانواده یك نسخه مشابه با CMOS كم مصرف[۸] نیز دارد .

عبارت ۸۰۵۱ از روی تسامح به كل خانواده میكروكنترلرهای MCS-51TM اطلاق می شود. هر گاه بحث روی IC خاصی از این خانواده متمركز شود شماره قطعه مورد نظر ذكر خواهد شد.


[۱] – entry-level devices

[۲] – I/O port

[۳] – timer/ counter

[۴] – serial interface

[۵] – Boolean processor

[۶] – bit-addressable

[۷] – On-chip ROM

[۸] – low power CMOS

خرید فایل