المايكروكنترولر Microcontroller إ

أمكن باستخدام التكنولوجيا المتطورة إنتاج وحدات صغيرة من الدوائر المتكاملة (شيب chip ) هي في الواقـع عبارة عن كمبيوتر مصغر تم تصميمه لآداء وظائف محددة ، فهذه الوحدات يمكنها أن تقوم بالعمليات الحسابية المبرمجة وتنفيذ عدد من الأوامر التي تتحكم في آداء العديد من المهام للأجهزة التي نستخدمها سواء كانت أجهزة كهربية أو إلكترونية أو ميكانيكية حيث تتعدد المهام والوظائف لهذه الوحدات تبعا للبرامج التي تكتب وتختزن بها خصيصا لهذه الوظائف.
وحاليا لا تكاد ترى جهاز كهربي أو إلكتروني أو حتى ميكانيكي ، يخلو من هذه المتحكمات الدقيقة فمعظم التليفزيونات الحديثة والمحركات (الموتورات) ووحدات الإسبليتر المبرمجة المستخدمة بأنظمة الاستقبال الفضائي ، و معظم أجهزة الميكروويف وأجهزة تكييف الهواء وماكينات المصانع المطورة وإشارات المرور الضوئية المتزامنة والإعلانات المضيئة المتحركة المبرمجة على أداء حركات معينة ، وأيضا أنظمة التحكم بفرامل السيارات والتحكم الفائق بسرعة دوران محركات هذه السيارات وتوقيت زمن الإشعال بالمحرك بل والتحكم أيضا بتحديد السرعة القصوى للسيارة ، وكذلك التحكم بانظمه القياس والتحكم بضغط الإطارات ودرجة حرارة الموتور وقياس منسوب الزيت كذلك أنظمة الإنذار بالحريق أو بالسرقة ، والتحكم أيضا بالمصاعد وماكينات تصوير المستندات وماكينات الخياطة الإلكترونية وقواطع التيار الكهربي ، وأجهزة شحن البطاريات المبرمجة ...
كل ذلك وغيره أصبحوا يعملوا من خلال مجموعة متحكمات أطلق عليها في مجملها
المايكروكنترولر Microcontroller
بمعنى المتحكم الدقيق أو الصغير نظرا لأنه يتحكم بأداء الأجهزة والمعدات وجعلها تؤدي الوظائف التي تمت برمجتها عليها ....
بمعنى أن هذه المتحكمات تتضمن مجموعة برامج هي تعليمات مبرمجة ومخزنة بذاكرة الميكركونترولر الذي ينفذ هذه التعليمات أو الأوامر ومنها أوامر بدء التشغيل أوانهاء العمل أو التوقف عن آداء مهمة معينة علاوة على إجراء بعض المهام مثل عمليات التحريك والتوقف ، والتحكم بتوقيت آداء العمليات (التزامن ) والتحكم بالعدادات وإظهار البيانات وغيرها .
وتستخدم تكنولوجيا هذه المتحكمات في عمل مشروعات هامة ومفيدة يمكن لشبابنا أن ينفذوها بسهولة ويسر ، لتكون مصدر دخل لهم
وسأقوم هنا - وعلى مدى عدة مشاركات بشرح مبسط للموضوع مستخدما الشيب المسمى PIC16F84A متضمنا البرامج الهامة وشرح طرق استخدامها لبرمجة الشيب مع شرح واف لطريقة عمل البرامج اللازمة له بلغة الأسمبلي ، وسيكون هناك شرح لطرق صناعة اللوحات المطبوعة وطرق برمجة المتحكم لتنفيذ المشروعات المختلفة ، مع عرض نماذج لبعض هذه المشروعات وبرامجها ومنها :

v المحركات الخطوية وهي المحركات التي تتحرك بخطوات يمكن التحكم بهذه الخطوات بواسطة وسائل التحكم كالريموت كنترول ومنها محرك موتور أطباق الستالايت الذي نستخدمه بكثرة ، وسندرس كيف يمكن تطوير مثل هذه المواتير وغيرها لاستخدامها بعشرات المشروعات التي تستخدم بها الموتورات ومنها مثلا فتح باب جراج السيارة أو أي باب أو نافدة باستخدام الريموت كنترول ..
أوإضاءة مصباح معين أو إيقاف تشغيل مكيف الهواء أو إدارة محرك السيارة باستخدام الريموت كنترول أيضا ...
v تصميم الإعلانات المضيئة المتحركة والفلاشر وإشارات المرورالمبرمجة باستخدام المصابيح الكهربائية العادية والثنائيات الضوئية والتي تعرف بالدايودات المشعة (led ) .
v عمل الأقفال الإلكترونية لفتح وقفل أبواب المنشئات الهامة كالبنوك وغيرها من الأماكن الحيوية بأرقام سرية .
v إستخدام التليفون المحمول للتحكم عن بعد وتستخدم هذه الفكرة بالعشرات من المشروعات أهمها تشغيل وإيقاف العديد من الأجهزة المنزلية وأنت خارج المنزل .
v طرق تصميم وتنفيذ دوائر إستخدام شاشات العرض (LCD) لإظهار نصوص الكتابة والأرقام بشكل ثابت أو متحرك

وحدة الميكركونترولر عمليا :
هو chip صغير له عدة مداخل ومخارج ( منافذ) (I/O interfaces) تمثلها عدد من الأرجل أو الأطراف المتصلة بالشيب (Pins ) والتي تتصل بالأجهزة المراد التحكم بها لذلك يطلق عليه (Peripheral Interface Controller) PIC
ومعناها جهاز السيطرة بالربط البيني أو التحكم بالوصلة الخارجية حيث تتم هذه العملية من خلال الربط بين المتحكم نفسه والجهاز المتحكم به عن طريق تلك المنافذ أو البورتات ports.
أما عن مكان تواجد هذه المتحكمات فهو غالبا ما يكون بداخل تلك الأجهزة المراد التحكم بها آليا أو يتم الربط بينها وبين الأجهزة خارجيا عن طريق اتصال يتم (من خلال المنافذ) إما بجهاز كمبيوتر أو بمجسات أو بحساسات ( sensors) حرارية أو ضوئية أو ميكانيكية أو مغناطيسية ، أو عن طريق المفاتيح الإلكترونية.
ومن أشهر الوحدات المستخدمة كميكروكونترولر :
الشيب المسمى ATMEL من إنتاج شركة ATMEL و الشيب المسمى PIC16F84A من إنتاج من إنتاج شركه Microchip وهو الذي سنركز دراستنا عليه نظرا لإنتشاره الواسع والدعم الذي يلقاه من المواقع المهتمة ببرامج ومشروعات بالميكروكنترولر ، علاوة على احتوائه على ذاكرة دائمة إبروم EEPROM يمكن برمجتها ( مسحها وكتابتها ) لعدد 10 مليون مرة ، كذلك يحتوي على فلاش Flash يمكن برمجتها ( مسحها وكتابتها ) لعدد 10 آلاف مرة بالإضافة لذاكرة مؤقتة RAM
وهناك أنواع أخرى من الميكروكنترولر منها PIC16C877 ، PIC16F877
ويلاحظ وجود اختلاف في الحرفين ( C و F )PIC16C877 ، PIC16F877
الأول PIC16C877 حرف ال C يعني أن هذه الوحدات لها ذاكره Constant أي ثابتة ، وهذا النوع لا يبرمج إلا لمرة واحده فقط وقد يحتوي على عدسة صغيرة من أعلاه ولا تتم برمجته إلا بعد مسحه باستخدام الأشعة فوق البنفسجية .
و الثاني PIC16F877 حرف ال F يعني Flash وهذه تمكننا من إعادة برمجة الشيب تلقائيا حتى 1000 مره
ومنه عدة طرز أخرى مثل PIC12F629 – PIC16F818 – PIC16F876 – PIC16F876A PIC18F2320 – PIC16C925 –
أما أشهر الشركات المنتجة للميكروكونترولر فهي Microchip - Intel – Atmel
وهناك لشركات المنتجة أيضا للميكروكونترولر ولكن أقل شهرة وهي :
Siemens وتنتج مجموعات وبرامج العائلة PICXXFXX
Motorola ( وتنتج متحكمات وبرامج متخصصه في مجال الاتصالات )
Intel - Amd - Criative( وتنتج متحكمات وبرامج متخصصة في مجال الكمبيوتر الشخصي )
Army Atmel(وتنتج متحكمات وبرامج متخصصة في مجال الاستخدامات العسكرية )
Philips- Thomson- Anchor Chips وغيرها
المايكروكنترولر Microcontroller إ PIC16F84A

المايكروكنترولر Microcontroller إ PIC16F84A

المايكروكنترولر Microcontroller إ Mhafez

والمتحكم PIC16F84A هو دائرة متكاملة ذات 18 طرف (PINS ) لكل طرف وظيفة خاصة به كما سيتضح فيما بعد .
أطراف جهد التغذية :
يعمل المتحكم كأي وحدة رقمية على جهد مستمر قدره 5 فولت ( وهو جهد منظم عن طريق regulator) ) مثل ( LM7805 )
الجهد الموجب Vdd أو Vcc ( + 5 فولت) يوصل على الطرف رقم 14 والجهد السالب Vss يوصل على الطرف رقم 5 .
المايكروكنترولر Microcontroller إ 5v

المنافذ ( البوابات )
( ports ):وهذا المتحكم يملك بوابتان أو منفذان :
البوابة الأولي اسمها (منفذ أ أو A port ) ولها 5 أطراف
والبوابة الثانية اسمها (منفذ ب أو B port ) ولها 8 أطراف

توزيع المنافذ
المايكروكنترولر Microcontroller إ Pic-pins

المايكروكنترولر Microcontroller إ Pic-pins

(منفذ أ أو A) : أطرافه الخمسة هي أرقام ( 17 , 18 ,1, 2 , 3 ) (RA1 - RA0 – RA2 - RA3 – RA4 )
(منفذ ب أو B) : أطرافه الثمانية هي أرقام ( من 6 إلى 13 ) (RB1 - RB0 –RB2 - RB3 –- RB4 - RB5 – RB6 – RB7 )

وجميع أطراف المنفذان (A أو B) وعددها 13 طرف تستخدم إما كمخارج أو كمداخل حسب ما يحدده البرنامج المكتوب للمتحكم ( كلها ثنائية الإتجاه ) وكلها من النوع الرقمي ( تعمل على جهد 5 فولت)

بالنسبة لأطراف المنفذ B والتي تحمل الأرقام 10 ، 11 ، 12 ، 13 وهي التي تمثل المنافذ RB4 - RB5 – RB6 – RB7 فهي تستخدم أيضا كقواطع ( interrupt )كذلك تضاف وظيفة جديدة لــ RB6 وهي استخدامه كـ clock أثناء البرمجة
أما RB7 فتضاف له وظيفة جديدة أيضا وهي نقل البيانات ( data )
المايكروكنترولر Microcontroller إ Pic1

المذبذب : (oscillator )الأطراف 15 و 16 هم لوصل المذبذب حيث يستخدم مذبذب كريستالي يعطي تردد إما 4 أو 10 حتى عشرين ميجا هرتز MHz
وسرعة تنفيذ الأمر تساوي ربع سرعة المذبذب ولذلك تزيد سرعة المتحكم بتنفيذ الأوامر تبعا لزيادة قيمة التردد للمذبذب المستخدم .
والمذبذب يوصل دون تحديد للقطبية حيث لا قطبية له ويراعى توصيل 2 مكثف سيراميكي سعته 22 pf على كل طرف من أطرافه وبين الأرضي لمنع الشوشرة والضوضاء .
ويمكن الإستغناء عن المذبذب الكريستالي بشرط الحصول على الذبذبات من أي مصدر خارجي كمولد للذبذبات يوصل بالطرف رقم 16 .
المايكروكنترولر Microcontroller إ Crystsl

المايكروكنترولر Microcontroller إ Crystsl

الطرف الأخير رقم 4 , يستخدم لإعادة الوضع للمتحكم أو لعمل ريست Reset له حيث ينهي عمل البرنامج عند هبوط الجهد على الطرف رقم 4 لأقل من 1.2 فولت ، ونحن بحاجة لإجراء هذه العملية أحيانا خاصة عند حدوث انقطاع أو توقف أثناء قراءة وتنفيذ البرنامج ، لنضع بداية محددة لبدء عمل البرنامج من جديد أي التحكم في زمن بدء التشغيل للمتحكم نفسه .

حالات حدوث الريست:
v عند غلق الباور ثم إعادة التشغيل Power-On Reset
v أثناء فترة الراحة أو من خلال نظام التوقف للمتحكم
(Sleep regime)
Reset at watchdog timer- WDT
v يمكن عمل ريست يدوي بالتوصيل اليدوي لحظيا للطرف رقم 4 بالأرضي ويتم ذلك بواسطة مفتاح عبر مقاومة صغيرة جدا (100 أوم ) حيث يوضع الطرف 4 على حالة التوقف عن تنفيذ البرنامج (logical zero) ، وعند تحرير المفتاح ورفعه عن الأرضي يعود المتحكم لوضع البداية الصحيح (logical one) ليبدأ المتحكم بتنفيذ البرنامج مجددا .
المايكروكنترولر Microcontroller إ Crys

ملاحظة :
يجب توصيل مقاومة ثابتة مقدارها من 7ر4 – 10 كيلو بين الطرف رقم 4 ومصدر الجهد ال5 فولت Vdd لجعل هذا الطرف دائما محافظا على الوضع الطبيعي له (logical one) بعد وضع الريست Reset ليتمكن المتحكم من قراءة البرنامج من بدايته من جديد
المايكروكنترولر Microcontroller إ Cr

منقول

المايكروكنترلر :

المتحكم الصغري أو المايكروكنترلر هو في الواقع كمبيوتر صغيرمصمم خصيصا ليقوم بأعمال معينة. ويستخدم الذاكرة لتخزين الأوامر المبرمجة و القيام بتنفيذ هذه الأوامر مثل التشغيل والاطفاء , التوقيت , العد ، الحساب وغير ذلك من العمليات.

تم استعمال أول مايكروكنترولر في عام 1969 ومنذ ذلك الوقت بدأت هذه المتحكمات بالانتشار حتى بات من الصعب العمل في مجال الاليكترونيات الحديثة بدون معرفة الميكروكنترولر.

وهذه المتحكمات العجيبة موجودة في داخل العديد من الأجهزة التي نستخدمها في حياتنا اليومية. فمثلاً في السيارة نجد أن الفرامل (الكوابح) و مثبت السرعة يتم التحكم فيها عن طريق المايكروكنترولر.

ولو نظرنا إلى فرن المايكروويف في المطبخ لوجدنا بداخله مايكروكنترولر للتحكم بالتوقيت والحرارة بحسب الخيارات التى نطلبها عند الطبخ.

والأمثلة على الأجهزة التي يوجد بداخلها ميكروكنترولر كثيرة منها الهواتف الجوالة ، الثلاجات ، الغسالات ، التلفزيونات ، كاميرات الفيديو ، الكاميرات الرقمية وغير ذلك كثير.

خواص المايكروكنترولر

كما ذكرنا فإن المايكروكنترولر هو عبارة عن كمبيوتر صغير ولكن ما هي الخواص التي تميز المايكروكنترولر عن باقي الكمبيوترات ؟

أهم هذه الخواص هي:

1- يكون المايكروكنترولر عادة بداخل جهاز آخر للتحكم بذلك الجهاز كما ذكرنا سابقاً.

2- يكون في المايكروكنترولر مايحتاجه من الذاكرة مثل الرام والروم (RAM & ROM) فهو ليس بحاجة إلى شرائح خارجية للذاكرة.

3- يكون عمل المايكروكنترولر محدد بمهمة واحدة وتنفيذ الأوامر في برنامج واحد يكون مخزناً في ذاكرة المايكروكنترولر.

4- يكون استهلاك المايكروكنترولر من الطاقة صغيراًً جدا بالنسبة للكمبيوترات الأخرى فمثلا بعضها يستهلك 50 ميللي وات بينما الكمبيوتر العادي الذي نستخدمه في منازلنا قد يستهلك 50 وات.

مكونات المايكروكنترولر

تحتوي شريحة المايكروكنترولر كما هو موضح في الصورة على معالج بيانات ، ذاكرة رام و ذاكرة روم ، منافذ للمداخل والمخارج (I/O interfaces) ، مؤقتات وانظمة أخرى مثل محولات القيم التمثيلية إلى رقمية (ADC).

المايكروكنترولر Microcontroller إ Components

المايكروكنترولر Microcontroller إ Components

والآن لنعطي نبذة عن عمل كل من هذه الأجزاء:

معالج البيانات:

و يعتبر قلب المايكروكنترولر ويختلف باختلاف الجهاز المستخدم وكذلك مصنع الجهاز فمثلاً معالج البيانات المستخدم في جهاز الهاتف الجوال يختلف عن ذلك المستخدم في فرن المايكروويف.

الذاكرة:

وتنقسم إلى رام و روم. أما الرام فتستخدم لتخزين المعلومات ويتراوح حجمها بين 25 بايت و 4 كيلوبايت بحسب المايكروكنترولر.

أما الروم فيتراوح حجمها بين 512 بايت و 4096 بايت وقد يصل حجمها إلى 128 كيلوبايت في بعض المايكروكنترولات. وتستخدم الروم لتخزين البرامج التي تحتوي الأوامر التي ينفذها المايكروكنترولر.

وذاكرة الروم قد تكون من نوع الروم (ROM) حيث يمكن برمجتها مرة واحدة فقط وقد تكون من نوع إي بروم (EPROM) أو إي إي بروم (EEPRPM) حيث يمكن برمجتها عدة مرات.

منافذ المداخل والمخارج:

وهذه المنافذ الرقمية توفر للمايكروكنترولر الطريق للتعامل مع الاجهزة الخارجية. حيث يمكن استعمالها لتشغيل الدايودات المضيئة والمرحلات

ويختلف عدد هذه المنافذ بحسب المايكروكنترولر

المنفذ التسلسلي:

المنفذ التسلسلي يسمح بتبادل المعلومات بين المايكروكنترولر و الأجهزة الأخرى مثل الكمبيوتر و المايكروكنترولات الأخرى.

المؤقت:

يسمح للمايكروكنترولر بالقيام بالمهمات لفترات زمنية محددة

المحول التمثيلي إلى رقمي:

و هو يترجم المعلومات الداخلة بالهيئة التمثيلية (Analog) إلى هيئة رقمية (Digital) حتى يتمكن المايكروكنترولر من فهمها والاستجابة لها.

برمجة المايكروكنترولر

توفر الشركات المصنعة العديد من أنواع المايكروكنترولات للمحترفين والهواة حيث يمكن عمل التجارب المختلفة عليها.

هذه المايكروكنتولات يمكنها القيام بمهام مختلفة بحسب الأوامر التي تعطى لها وهذه الأوامر تسمى بالبرنامج. فبامكان الشخص تغيير العمل الذي يقوم به المايكروكنترولر بتغيير هذه الأوامر في البرنامج.

كتابة البرنامج تحتاج من الشخص إلى معرفة جيدة بلغات البرمجة مثل الأسمبلي أو غيرها من اللغات.

لتغيير البرنامج في المايكروكنترولر سيحتاج الشخص إلى جهاز وسيط لتحميل البرنامج الجديد من الكمبيوتر الشخصي إلى المايكروكنترولر. حيث يركب فيه المايكروكنترولر لتحميل البرنامج فيه ثم بعد ذلك يزال المايكروكنترولر إلى الدائرة التي سوف يستخدم فيها.

والصورتان التاليتان توضحان بعض مبرمجات المايكروكنترولر

المايكروكنترولر Microcontroller إ Programmer

المايكروكنترولر Microcontroller إ Programmer

المايكروكنترولر Microcontroller إ Programmer02

بارك الله فيك - موضوع جيد ومفيد ونرجوا المزيد
ومتعك الله بالصحة والسعادة

» Basic connecting of the microcontroller
» برنامج WinPicProg 1.91