Conceptos Básicos, Tipos y Aplicaciones de los Microcontroladores

Introducción al Microcontrolador:

Un microcontrolador (μC o uC) es un microordenador de chip único fabricado a partir de la integración a escala muy grande o VLSI  (sigla en inglés de very large-scale integration). Un microcontrolador también se conoce como controlador integrado. Actualmente, varios tipos de microcontroladores disponibles en el mercado con diferentes longitudes de palabra, como microcontroladores de 4 bits, 8 bits, 64 bits y 128 bits. El microcontrolador es una microcomputadora comprimida fabricada para controlar las funciones de los sistemas integrados en máquinas de oficina, robots, electrodomésticos, vehículos de motor y otros dispositivos. Un microcontrolador está compuesto por componentes como-memoria, periféricos y lo más importante, un procesador. Los microcontroladores se utilizan básicamente en dispositivos que necesitan delegar el control para ser usados por el usuario del dispositivo.

 Conceptos básicos del Microcontrolador:

Cualquier dispositivo eléctrico que almacene, mida, muestre información o calcule, dentro de él contiene un microcontrolador. La estructura básica de un microcontrolador consta de:

1. CPU:  El cerebro de los microcontroladores se denomina CPU. La CPU es el dispositivo que se utiliza para buscar datos, decodificarlos y, al final, completar con éxito la tarea asignada. Con la ayuda de la CPU, todos los componentes del microcontrolador están conectados en un solo sistema. La CPU recupera la instrucción enviada por la memoria programable.
2. Memoria:  En un microcontrolador la memoria funciona igual que en un  microprocesador. El chip de memoria almacena todos los programas y los datos. Los microcontroladores están construidos con cierta cantidad de ROM o RAM (EPROM, EEPROM, etc.) o memoria flash para el almacenamiento del código fuente del programa.
3. Puertos de entrada/salida:  Los puertos de E/S se emplean básicamente para conectar o manejar diferentes dispositivos tales como impresoras, LCD, LED, etc.
4. Puertos en seriales:  Estos puertos proporcionan interfaces seriales entre el microcontroladores y los otros periféricos, como el puerto paralelo.
5. Temporizadores:  Se puede incorporar un microcontrolador con uno o más temporizadores o contadores. Los temporizadores y los contadores controlan todo el conteo y las operaciones de temporización dentro de un microcontrolador. Los temporizadores se emplean para contar pulsos externos. Las principales operaciones que realizan los temporizadores son: generaciones de pulsos, funciones de reloj, medición de frecuencia, modulaciones, oscilaciones, etc.
6. ADC (convertidor de analógico a digital):  El ADC se emplea para convertir señales analógicas a digitales. Las señales de entrada deben ser analógicas para el ADC. La producción de señales digitales puede emplearse para diferentes aplicaciones digitales (como dispositivos de medición).
7. DAC (convertidor digital a analógico):  Este convertidor ejecuta la funcion opuestas al ADC. Este dispositivo se emplea generalmente para supervisar dispositivos analógicos como motores de CC, etc.
8. Interprete de control:  Este controlador se emplea para dar un control retrasado a un programa en funcionamiento. La interpretación puede ser interna o externa.
9. Bloque de funcionamiento especial:  Algunos microcontroladores fabricados para aplicaciones especiales como sistemas espaciales, robots, etc. forman parte de este bloque de funciones especiales. Este bloque especial tiene puertos adicionales para llevar a cabo algunas operaciones especiales.

Tipos de Microcontroladores:

Los microcontroladores se dividen en categorías según su memoria, arquitectura, bits y conjuntos de instrucciones. Así que veamos los tipos de microcontroladores:

Bits:

• El microcontrolador de 8 bits ejecuta la lógica de las operaciones aritmeticas. Ejemplos de microcontrolador de 8 bits es Intel 8031/8051.
• El microcontrolador de 16 bits se ejecuta con mayor precisión y rendimiento en contraste con 8 bits. Ejemplo de microcontrolador de 16 bits es Intel 8096.
• El microcontrolador de 32 bits se emplea principalmente en dispositivos controlados automáticamente, como máquinas de oficina, dispositivos médicos implantables, etc. Requiere instrucciones de 32 bits para llevar a cabo cualquier operación lógica o aritmética función.

Memoria:

• Microcontrolador de  memoria externa:  Cuando una estructura integrada se construye con un microcontrolador que no forma parte de todos los bloques de funcionamiento existentes en un chip, se denomina microcontrolador de memoria externa. Para ilustrar, el microcontrolador 8031 ​​no tiene memoria de programa en el chip.
• Microcontrolador de Memoria Incorporada:  Cuando se construye una estructura incrustada con un microcontrolador que forma parte de todos los bloques funcionales que existen en un chip, se denomina microcontrolador de memoria incrustado. Para ilustrar, el microcontrolador 8051 tiene todos los programas, memoria de datos, contadores y temporizadores, interrupciones, puertos de E/S  y, por lo tanto, es un microcontrolador de memoria integrado.

Conjunto de Instrucciones:

• CISC-CISC:   Significa computador con set de instrucciones complejas, le permite al usuario aplicar 1 instrucción como una alternativa a muchas instrucciones simples.
• RISC-RISC:  Significa Ordenador de conjunto de instrucciones reducido. RISC reduce el tiempo de operación al acortar el ciclo de reloj por instrucción.

Arquitectura de memoria:

• Microcontrolador de Arquitectuar de Memoria Harvard
• Microcontrolador de Arquitectura de Memoria Princeton

8051 Microcontrolador:

El más universalmente empleado es el conjunto de microcontroladores que provienen de la familia 8051. Los microcontroladores 8051 siguen siendo una opción ideal para un gran grupo de aficionados y expertos. En el transcurso de vida del 8051, la humanidad se convirtió en testigo presencial del conjunto de microcontroladores más revolucionario. El microcontrolador original 8051 fue inicialmente inventado por Intel. Los otros dos miembros de esta familia 8051 son:

• 8052:  Este microcontrolador tiene 3 temporizadores y 256 bytes de RAM Además, tiene todas las características del microcontrolador 8051 tradicionalmente. El microcontrolador 8051 es un subconjunto del microcontrolador 8052.
• 8031:  Este microcontrolador tiene menos ROM, aparte de que tiene todas las características de un microcontrolador 8051 tradicional. Para la ejecución, se puede agregar una ROM externa de 64K a su chip.

El microcontrolador 8051 pone en funcionamiento 2 tipos diferentes de memoria, como-NV-RAM, UV-EPROM y Flash.

8051 Microcontrolador Arquitectura:

El microcontrolador 8051 es un microcontrolador de ocho bits lanzado en el año 1981 por Intel Corporation. Está disponible en DIP de 40 pines (paquete doble en línea). Tiene 4kb de ROM (espacio programable en el chip) y 128 bytes de espacio RAM  incluidos, si se desea, se pueden interconectar 64KB de memoria externa con el microcontrolador. Hay cuatro puertos paralelos de 8 bits que son fácilmente programables y direccionables. Un oscilador de cristal en chip está integrado en el microcontrolador que tiene una frecuencia de cristal de 12MHz. En el microcontrolador hay un puerto de entrada/salida en serie que tiene 2 pines. Dos temporizadores de 16 bits también estan incorporados en él; estos temporizadores se pueden emplear como temporizadores para el funcionamiento interno y como contador para el funcionamiento externo. El microcontrolador consta de 5 fuentes de interrupción, a saber: interrupción del puerto serie, interrupción del temporizador 1, interrupción externa 0, interrupción del temporizador 0, interrupción externa 1. El modo de programación de este microcontrolador incluye GPR (registros de propósito general), SFR (registros de función especial ) y SPR (registros de propósito especial).

Microcontrolador PIC:

Controlador de interfaz periférica ( PIC) provisto por Micro-chip Technology para categorizar sus microcontroladores de chip solitarios. Estos dispositivos han sido extremadamente exitosos como microcontroladores de 8 bits. La principal causa detrás de esto es que la tecnología de microchips se ha estado actualizando constantemente la arquitectura de los dispositivos e incluye muchos periféricos necesarios para el microcontrolador para satisfacer las necesidades de la clientela. Los microcontroladores PIC son muy populares entre aficionados e industriales; esto es solo causa de amplia disponibilidad, bajo costo, gran base de usuarios y  capacidad de programación en serie.

Arquitectura del microcontrolador PIC:

La arquitectura de los microcontroladores PIC de 8 bits se puede categorizar de la siguiente manera:

1. Arquitectura de Rango Base:  En la arquitectura de línea base se incluyen microcontroladores PIC de la familia PIC10F, aparte de eso, una fracción de PIC12. Las familias de PIC16 también están incluidas. Estos dispositivos hacen uso de la arquitectura de palabras de programa de 12 bits con alternativas de paquete de seis a veintiocho pines. El conjunto de atributos definido brevemente de la arquitectura de línea de base permite las soluciones de producto más lucrativas. Esta arquitectura es perfecta para los gadgets con batería habilitada. La serie PIC10F200 es otro microcontrolador flash de 8 bit a un precio razonable con un paquete de 6 pines.
2. Arquitectura de rango medio -En este miembro de la línea media esta el PIC12 Se agregan familias PIC16 que atribuyen arquitectura de palabras de programa de 14 bits. Los gadgets PIC16 de gama media ofrecen una amplia variedad de alternativas de paquetes (del paquete 8 al 64), con niveles bajos a altos de incorporación periférica. Este dispositivo PIC16 atribuye una variedad de dispositivos analógicos, digitales y de amplificación; periféricos en serie, como-SPI, USART, I2C, USB, LCD y Convertidores a/d. Los microcontroladores PIC16 de rango medio han suspendido la capacidad de control con una carga de hardware de ocho niveles.
3. Arquitectura de alto rendimiento -La arquitectura de alto rendimiento incluye la familia de dispositivos PIC18. Estos microcontroladores hacen uso de una arquitectura de palabras de programa de 16 bits junto con alternativas de paquetes de 18 a 100 pines. Los dispositivos PIC18 son microcontroladores de alto rendimiento con convertidores analógicos a digitales incorporados. Todos los microcontroladores PIC18 integran una arquitectura RISC altamente desarrollada que admite dispositivos flash. El PIC18 tiene atributos de cimentación mejorados, 32 niveles de carga profunda y varias interrupciones internas y externas.

Nota: Lista de proyectos de microcontroladores PIC superiores para estudiantes de ingeniería

Microcontrolador AVR:

AVR también conocido como Advanced Virtual RISC, es una arquitectura Harvard personalizada de microcontrolador RISC de 8 bit de chip solitario. Fue inventado en el año 1966 por Atmel. La arquitectura de Harvard significa que el programa y los datos se acumulan en diferentes espacios y se usan simultáneamente. Fue una de las principales familias de microcontroladores que empleó memoria flash en el chip básicamente para almacenar programas, en contraste con EPROM, EEPROM o ROM programables solo una vez, utilizados por otros microcontroladores al mismo tiempo. La memoria flash es una memoria programable no volátil (constante en el apagado).

Arquitectura del microcontrolador AVR:

La arquitectura de los microcontroladores AVR fue desarrollada por Alf-Egil Bogen y Vegard Wollan. El nombre AVR se deriva de los nombres de los desarrolladores de arquitectura del microcontrolador. El AT90S8515 fue el primer microcontrolador que se basó en la arquitectura AVR; por otro lado, el primer microcontrolador que golpeó el mercado comercial fue AT90S1200 que se lanzó en el año 1997.

Todas las SRAM, Flash y EEPROM están incorporados en un solo chip, lo que elimina el requisito de cualquier otra memoria externa en el dispositivo. Varios dispositivos forman parte de la alternativa de bus externo paralelo, para agregar dispositivos adicionales de memoria de datos. Aproximadamente, todos los dispositivos, excepto los chips TinyAVR, incluyen una interfaz en serie, que se utiliza para vincular un flash serial grande y Fichas de EEPROM.

Microcontrolador ARM:

ARM es el nombre de una empresa que diseña arquitectura micro-procesadores. También se dedica a otorgar licencias a los productores que fabrican chips originales. En realidad, ARM es una arquitectura RISC genuina de 32 bits. Inicialmente fue desarrollado en el año 1980 por Acorn Computers Ltd. Este microprocesador de base ARM no tiene memoria flash incorporada. ARM está especialmente diseñado para dispositivos con microcontroladores, es fácil de programar y usar, sin embargo, es lo suficientemente potente como para manejar los dispositivos integrados más exigentes.

Arquitectura de los Microcontroladores ARM:

La arquitectura ARM es un procesador RISC de 32 bits desarrollado por ARM Ltd. Debido a sus atributos de ahorro de energía, las unidades de procesamiento central ARM prevalecen en el mercado de la electrónica móvil, donde un menor gasto de energía es el objetivo de diseño vital. La arquitectura ARM forma parte de los elementos RISC subyacentes:

• Máximo funcionamiento de ciclo único
• Constante de 16 y  archivo de registro de 32 bits
• Arquitectura de Cargar o almacenamiento.
• Ancho de instrucción preestablecida de 32 bits para simplificar el transporte y la decodificación, con una densidad de código mínima.
• Para el acceso a la memoria desalineados no hay soporte.

Aplicaciones del Microcontrolador:

Los microcontroladores son destinado a dispositivos integrados, en comparación con los microprocesadores que se utilizan en PC u otros dispositivos de uso múltiple. Los microcontroladores se emplean en invenciones y dispositivos administrados automáticamente, como herramientas eléctricas, dispositivos médicos implantables, sistemas de control de motores de automóviles, máquinas de oficina, dispositivos de control remoto, juguetes y muchos más sistemas integrados. Al reducir el tamaño y el gasto en comparación con un diseño que utiliza un microprocesador diferente, dispositivos de E/S y memoria, los microcontroladores lo hacen a un precio mas económico para controlar digitalmente más aplicaciones y operaciones. Los microcontroladores de señal mixta son generalmente para armar componentes analógicos que requiere el control de estructuras electrónicas no digitales.

Aplicación del microcontrolador en dispositivos del día a día:

• Sensores de luz y dispositivos de control
• Detectores de temperatura y dispositivos de control
• Detección de incendios y dispositivos de seguridad
• Dispositivos de instrumentación industrial
• Dispositivos de control de procesos

Aplicación de microcontroladores en dispositivos de control industrial:

• Dispositivos de instrumentación industrial
• Dispositivos de control de proceso

Aplicación de Microcontrolador en Medición y Dispositivos de medición:

• Voltimetros
• Medición de objetos giratorios
• Medidor de corriente
• Sistema de medicion Portátiles

Enlace relacionado: Diferencia entre el microcontrolador y el microprocesador