میکروکنترلرهای AVR

میکروکنترلرهای AVR، توسعه یافته توسط شرکت Atmel (که اکنون بخشی از شرکت Microchip Technology است)، به دلیل ویژگی‌های خاص خود به یکی از محبوب‌ترین میکروکنترلرهای ۸ بیتی تبدیل شده‌اند. این میکروکنترلرها با معماری RISC و سرعت اجرای بالا، توان مصرفی کم و قابلیت‌های گسترده‌ای مانند واسط‌های ارتباطی متنوع (مانند UART، SPI، I2C) و پشتیبانی از زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف (C و اسمبلی) شناخته می‌شوند. همچنین، AVR‌ها دارای حافظه فلش قابل برنامه‌ریزی در محل (ISP) هستند که فرآیند توسعه و ارتقاء نرم‌افزاری را تسهیل می‌کند. این ویژگی‌ها به همراه ابزارهای توسعه قدرتمند و مستندات جامع، میکروکنترلرهای AVR را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای صنعتی، خانگی و آموزشی تبدیل کرده‌اند.

تاریخچه AVR

تاریخچه میکروکنترلرهای AVR به دهه ۱۹۹۰ میلادی برمی‌گردد. این میکروکنترلرها توسط دو مهندس نروژی به نام‌های Alf-Egil Bogen و Vegard Wollan که در آن زمان برای شرکت Atmel کار می‌کردند، توسعه یافتند. هدف اصلی از توسعه این میکروکنترلرها ایجاد یک معماری جدید و کارآمد بود که بتواند عملکرد بالایی را در کنار مصرف توان پایین ارائه دهد.

در سال ۱۹۹۶، اولین میکروکنترلرهای AVR به بازار عرضه شدند. این میکروکنترلرها به دلیل استفاده از معماری RISC (Reduced Instruction Set Computer) و توانایی اجرای دستورات در یک سیکل کلاک، به سرعت محبوبیت پیدا کردند. یکی از ویژگی‌های برجسته AVR‌ها، داشتن حافظه فلش قابل برنامه‌ریزی در محل (ISP) بود که به توسعه‌دهندگان امکان می‌داد برنامه‌ها را به راحتی بر روی تراشه بارگذاری و به‌روزرسانی کنند.

شرکت Atmel با توسعه و عرضه نسخه‌های مختلفی از میکروکنترلرهای AVR، بازار گسترده‌ای را پوشش داد و توانست توجه بسیاری از مهندسان و توسعه‌دهندگان را به خود جلب کند. در سال ۲۰۱۶، شرکت Microchip Technology شرکت Atmel را خریداری کرد و از آن زمان به بعد، تولید و توسعه میکروکنترلرهای AVR تحت نظر Microchip ادامه یافت.

میکروکنترلرهای AVR با ویژگی‌هایی همچون سرعت بالا، مصرف توان کم، پشتیبانی از واسط‌های ارتباطی متنوع و ابزارهای توسعه قدرتمند، به گزینه‌ای ایده‌آل برای طیف گسترده‌ای از کاربردها در زمینه‌های مختلف تبدیل شده‌اند.

ویژگی‌ها و مزایای میکروکنترلرهای AVR

میکروکنترلرهای AVR به دلیل ویژگی‌ها و مزایای فراوان خود در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی و کاربردهای صنعتی محبوبیت زیادی کسب کرده‌اند. برخی از مهم‌ترین ویژگی‌ها و مزایای این میکروکنترلرها عبارتند از:

معماری RISC (Reduced Instruction Set Computing): استفاده از معماری RISC باعث می‌شود که میکروکنترلرهای AVR دستورالعمل‌های سریع‌تر و بهینه‌تری داشته باشند. این معماری به کاهش تعداد دستورالعمل‌های پیچیده و افزایش سرعت اجرای برنامه‌ها کمک می‌کند.

فلش حافظه قابل برنامه‌ریزی: این ویژگی به کاربر امکان می‌دهد که برنامه‌ها را به سادگی و با استفاده از ابزارهای استاندارد برنامه‌ریزی کند. حافظه فلش قابلیت چندین بار برنامه‌ریزی و پاک شدن را دارد که این امر به توسعه و به‌روزرسانی مکرر نرم‌افزارها کمک می‌کند.

پشتیبانی از زبان‌های برنامه‌نویسی مختلف: میکروکنترلرهای AVR از زبان‌های برنامه‌نویسی مختلفی مانند Assembly، C و ++C پشتیبانی می‌کنند. این تنوع زبان‌های برنامه‌نویسی باعث می‌شود توسعه‌دهندگان بتوانند از زبان‌های مورد علاقه و تخصصی خود استفاده کنند.

قابلیت‌های جانبی متعدد: این میکروکنترلرها دارای انواع پورت‌های I/O، تایمر/کانترها، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC)، مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DAC)، واحدهای PWM، UART، SPI و I2C هستند. این قابلیت‌ها امکان ارتباط و کنترل دستگاه‌های مختلف را فراهم می‌کنند.

مصرف انرژی کم: AVRها به دلیل معماری بهینه و طراحی مدارات داخلی، مصرف انرژی کمتری دارند و مناسب برای کاربردهای با باتری هستند. این ویژگی مخصوصاً در دستگاه‌های قابل حمل و سیستم‌های با انرژی محدود اهمیت دارد.

پشتیبانی گسترده: به دلیل محبوبیت بالا، منابع آموزشی و مثال‌های متعددی برای برنامه‌نویسی و استفاده از این میکروکنترلرها وجود دارد. این منابع شامل کتاب‌ها، مقالات، ویدئوهای آموزشی و انجمن‌های کاربری می‌شوند که به توسعه‌دهندگان کمک می‌کنند تا سریع‌تر و موثرتر با این میکروکنترلرها کار کنند.

برخی از مدل‌های محبوب میکروکنترلرهای AVR

میکروکنترلرهای AVR دارای مدل‌های مختلفی هستند که هر کدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در زیر به برخی از مدل‌های پرکاربرد و محبوب اشاره می‌شود:

1. ATmega328: این مدل یکی از محبوب‌ترین میکروکنترلرهای AVR است و به خصوص در بردهای Arduino Uno استفاده می‌شود. ATmega328 دارای 32 کیلوبایت حافظه فلش، 2 کیلوبایت SRAM و 1 کیلوبایت EEPROM است. این میکروکنترلر دارای 23 پورت ورودی/خروجی دیجیتال، 6 کانال ورودی آنالوگ، تایمرهای 8 و 16 بیتی، واحدهای PWM، واسط‌های ارتباطی UART، SPI و I2C است. کاربرد اصلی آن در پروژه‌های آموزشی، خانگی و برخی کاربردهای صنعتی است.
2. ATmega16: این مدل نیز یکی دیگر از میکروکنترلرهای پرکاربرد AVR است که در پروژه‌های مختلف صنعتی و آموزشی استفاده می‌شود. ATmega16 دارای 16 کیلوبایت حافظه فلش، 1 کیلوبایت SRAM و 512 بایت EEPROM است. این میکروکنترلر دارای 32 پورت ورودی/خروجی دیجیتال، 8 کانال ورودی آنالوگ، تایمرهای 8 و 16 بیتی، واحدهای PWM، واسط‌های ارتباطی UART، SPI و I2C است. این مدل برای کاربردهای متوسط تا پیچیده مناسب است و به دلیل قابلیت‌های متعدد خود در بسیاری از پروژه‌های صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
3. ATtiny85: یک میکروکنترلر کوچک و کم‌هزینه که برای کاربردهای ساده و مصرف پایین انرژی مناسب است. ATtiny85 دارای 8 کیلوبایت حافظه فلش، 512 بایت SRAM و 512 بایت EEPROM است. این میکروکنترلر دارای 6 پورت ورودی/خروجی دیجیتال، 4 کانال ورودی آنالوگ، تایمرهای 8 بیتی، واحدهای PWM و واسط‌های ارتباطی UART، SPI و I2C است. به دلیل اندازه کوچک و مصرف انرژی پایین، ATtiny85 برای کاربردهای کم‌مصرف، دستگاه‌های پوشیدنی و پروژه‌های ساده الکترونیکی مناسب است.

این مدل‌ها به همراه سایر مدل‌های AVR، تنوع زیادی از میکروکنترلرها را برای کاربردهای مختلف ارائه می‌دهند و به توسعه‌دهندگان امکان انتخاب بهینه براساس نیازهای پروژه را می‌دهند.

ابزارهای توسعه AVR

برای توسعه و برنامه‌نویسی میکروکنترلرهای AVR، محیط‌های توسعه مختلفی وجود دارد که به برنامه‌نویسان امکان می‌دهند برنامه‌های خود را نوشته، کامپایل و دیباگ کنند. دو مورد از پرکاربردترین این محیط‌ها عبارتند از:

AVR Studio (اکنون Microchip Studio): این محیط توسعه توسط شرکت Atmel ارائه شده و بعد از خریداری Atmel توسط Microchip، به Microchip Studio تغییر نام داده است. این محیط توسعه قدرتمند به برنامه‌نویسان امکان می‌دهد تا برنامه‌های خود را نوشته، کامپایل و دیباگ کنند. Microchip Studio دارای ویژگی‌های متعددی از جمله ویرایشگر کد پیشرفته، اشکال‌زدایی دقیق، شبیه‌سازی و پشتیبانی از انواع میکروکنترلرهای AVR است. این محیط توسعه از ابزارهای استاندارد برنامه‌ریزی و دیباگ مانند AVRISP mkII و JTAGICE3 نیز پشتیبانی می‌کند. همچنین، Microchip Studio با ادغام با کامپایلر GCC، امکان نوشتن برنامه‌ها به زبان‌های C و ++C را فراهم می‌کند.

Arduino IDE: یک محیط توسعه بسیار محبوب و ساده برای میکروکنترلر ها است که به خصوص برای مبتدیان مناسب است. Arduino IDE از بسیاری از میکروکنترلرهای AVR پشتیبانی می‌کند و به کاربران امکان می‌دهد تا برنامه‌های خود را به راحتی نوشته و بر روی بردهای Arduino بارگذاری کنند. این محیط توسعه دارای ویرایشگر کد ساده و کاربرپسند است و شامل کتابخانه‌های متعددی برای تسهیل در نوشتن برنامه‌ها می‌شود. Arduino IDE از زبان برنامه‌نویسی C++ استفاده می‌کند و با ارائه ابزارهای مختلف برای ارتباط با سخت‌افزار و اجرای کدها، فرآیند توسعه را برای کاربران ساده می‌کند. این محیط به دلیل سادگی و گستردگی پشتیبانی از بردهای مختلف Arduino، به یکی از انتخاب‌های اصلی برای پروژه‌های آموزشی و خانگی تبدیل شده است.

Bascom AVR :یک زبان برنامه‌نویسی و محیط توسعه (IDE) است که برای برنامه‌نویسی میکروکنترلرهای AVR توسعه داده شده است. این محیط توسعه به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد تا به زبان بسیار ساده و شبیه به BASIC برنامه‌نویسی کنند و برنامه‌های مختلف را برای میکروکنترلرهای AVR ایجاد و توسعه دهند.

ویژگی‌ها و مزایا:

1. ساختار شبیه BASIC: بر اساس ساختار زبان برنامه‌نویسی BASIC طراحی شده است که برای برنامه‌نویسانی که با این زبان آشنا هستند، بسیار آسان و قابل فهم است.
2. پشتیبانی از میکروکنترلرهای AVR: به‌طور خاص برای استفاده با میکروکنترلرهای AVR توسعه داده شده است، از جمله مدل‌های مختلفی مانند ATmega و ATtiny.
3. محیط توسعه یکپارچه: Bascom AVR شامل یک IDE کامل است که شامل ویرایشگر کد، کامپایلر، ابزارهای شبیه‌سازی، و امکانات دیباگر می‌باشد که به برنامه‌نویسان کمک می‌کند تا به راحتی برنامه‌های خود را توسعه دهند و آن‌ها را بر روی میکروکنترلرهای AVR اجرا کنند.
4. کتابخانه‌های گسترده: Bascom دارای کتابخانه‌های گسترده‌ای است که امکان استفاده از اجزای مختلف سخت‌افزاری مانند پورت‌های IO، تایمرها، UART، SPI، I2C و … را فراهم می‌کند.
5. سازگاری با دستگاه‌های جانبی: Bascom AVR به راحتی با دستگاه‌های جانبی و ماژول‌های مختلفی که به AVR متصل می‌شوند، سازگاری دارد و امکان کنترل و مدیریت آن‌ها را فراهم می‌آورد.

استفاده‌های کاربردی:

Bascom AVR به خاطر سادگی زبان برنامه‌نویسی BASIC و ویژگی‌های کارآمد خود، برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرد از جمله:

• توسعه پروژه‌های الکترونیکی آموزشی
• کنترل سیستم‌های تعبیه شده
• ساخت پروژه‌های DIY (خودساخته)
• کنترل دستگاه‌های خانگی هوشمند
• استفاده در پروژه‌های صنعتی کوچک

با استفاده از Bascom AVR، برنامه‌نویسان می‌توانند به سرعت و با کمترین پیچیدگی، پروژه‌های متنوعی را برای میکروکنترلرهای AVR ایجاد و توسعه دهند و به کاربردهای مختلفی در حوزه‌های الکترونیکی و مهندسی پیش بروند.

این دو محیط توسعه با توجه به نیازها و سطح تجربه برنامه‌نویسان، امکانات و ابزارهای متفاوتی را ارائه می‌دهند که به تسهیل فرآیند توسعه و برنامه‌نویسی برای میکروکنترلرهای AVR کمک می‌کنند.

کاربردها

میکروکنترلرهای AVR به دلیل ویژگی‌های متنوع و انعطاف‌پذیری بالا در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برخی از کاربردهای اصلی این میکروکنترلرها عبارتند از:

1. سیستم‌های تعبیه شده (Embedded Systems): میکروکنترلرهای AVR به دلیل کارایی بالا و مصرف انرژی کم، در سیستم‌های تعبیه شده که نیاز به عملکرد مطمئن و پایدار دارند، بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها شامل دستگاه‌های پزشکی، سیستم‌های مانیتورینگ و کنترل دسترسی می‌باشند.
2. کنترل‌های صنعتی: AVRها در کنترل‌های صنعتی برای اتوماسیون و کنترل فرآیندهای مختلف به کار می‌روند. این میکروکنترلرها در دستگاه‌های کنترل موتور، سنسورهای صنعتی و سیستم‌های PLC کاربرد دارند و به دلیل دقت و قابلیت اطمینان بالا مورد توجه قرار گرفته‌اند.
3. محصولات خانگی هوشمند: میکروکنترلرهای AVR در توسعه محصولات خانگی هوشمند مانند ترموستات‌های هوشمند، سیستم‌های امنیتی خانگی، دستگاه‌های روشنایی هوشمند و لوازم خانگی هوشمند , و هوشمند سازی محیط های صنعتی کاربرد دارند. این محصولات با استفاده از AVRها قابلیت اتصال به اینترنت و کنترل از راه دور را فراهم می‌کنند.
4. رباتیک: AVRها به دلیل قابلیت‌های پردازشی قوی و پشتیبانی از واسط‌های ارتباطی متعدد، در پروژه‌های رباتیک بسیار محبوب هستند. این میکروکنترلرها در کنترل ربات‌های خودمختار، بازوهای رباتیک و سیستم‌های حرکتی دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرند.
5. پروژه‌های DIY و آموزشی: میکروکنترلرهای AVR به دلیل سادگی در برنامه‌نویسی و استفاده، انتخاب مناسبی برای پروژه‌های DIY و آموزشی هستند. بسیاری از کیت‌های آموزشی و پروژه‌های خانگی از این میکروکنترلرها استفاده می‌کنند تا دانشجویان و علاقه‌مندان به الکترونیک بتوانند به راحتی با اصول اولیه میکروکنترلرها آشنا شوند و پروژه‌های خود را پیاده‌سازی کنند.

به طور کلی، میکروکنترلرهای AVR به دلیل کارایی بالا، مصرف انرژی کم و پشتیبانی گسترده، یکی از انتخاب‌های اصلی در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی و مهندسی به شمار می‌روند و همچنان به عنوان یکی از ابزارهای قدرتمند در دست توسعه‌دهندگان باقی می‌مانند. این میکروکنترلرها با ارائه قابلیت‌های متنوع و انعطاف‌پذیری بالا، امکان پیاده‌سازی ایده‌های خلاقانه و بهینه‌سازی پروژه‌ها را فراهم می‌کنند، که باعث شده است تا در زمینه‌هایی مانند سیستم‌های تعبیه شده، رباتیک، محصولات خانگی هوشمند و کنترل‌های صنعتی مورد توجه قرار گیرند. با بهره‌گیری از محیط‌های توسعه‌ای پیشرفته و کتابخانه‌های گسترده، توسعه‌دهندگان می‌توانند به سرعت و به سادگی برنامه‌های خود را بر روی این میکروکنترلرها اجرا کرده و به نتایج مطلوب دست یابند.

یک پروژه ساده در AVR

پروژه آبیاری هوشمند توسط سنسور رطوبت سنج خاک

برای پیاده‌سازی سیستم آبیاری هوشمند با استفاده از BASCOM AVR و میکروکنترلر ATmega16 بدون بخش کنترل از راه دور، باید مراحل زیر را انجام دهیم:

1. اتصال سنسور رطوبت سنج خاک به میکروکنترلر.
2. اندازه‌گیری مقدار رطوبت خاک.
3. تحلیل داده‌های رطوبت خاک.
4. کنترل پمپ آب و شیر برقی بر اساس مقدار رطوبت خاک.
5. نمایش مقدار رطوبت روی LCD.

قطعات مورد نیاز:

• میکروکنترلر ATmega16
• سنسور رطوبت سنج خاک
• پمپ آب
• شیر برقی
• LCD (مثلاً 16×2)
• رله برای کنترل پمپ آب و شیر برقی

اتصالات:

• LCD:
  • RS: به پورت C0
  • E: به پورت C1
  • D4: به پورت C2
  • D5: به پورت C3
  • D6: به پورت C4
  • D7: به پورت C5
• سنسور رطوبت سنج خاک: خروجی سنسور به پورت ADC0 (مثلاً پورت A0) متصل می‌شود.
• رله‌ها:
  • رله پمپ آب: به پورت D0
  • رله شیر برقی: به پورت D1

$regfile = "m16def.dat"       ' فایل تعریف میکروکنترلر
$crystal = 16000000            ' تنظیم فرکانس کریستال
' LCD تنظیمات
Config Lcd = 16 * 2
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.2 , Db5 = Portc.3 , Db6 = Portc.4 , Db7 = Portc.5 , E = Portc.1 , Rs = Portc.0
' تنظیمات پورت‌های ورودی و خروجی
Config Portd.0 = Output          ' پمپ آب
Config Portd.1 = Output          ' شیر برقی
Config Adc = Single , Prescaler = Auto , Reference = Avcc
' متغیرها
Dim Moisture As Word
Dim Threshold As Word
' مقدار اولیه
Threshold = 500 ' مقدار آستانه رطوبت خاک
Do
    ' خواندن مقدار رطوبت خاک
    Start Adc
    Moisture = Getadc(0)
    Stop Adc
    ' نمایش مقدار رطوبت خاک روی LCD
    Cls
    Lcd "Moisture: " ; Moisture
    ' کنترل پمپ آب و شیر برقی بر اساس مقدار رطوبت خاک
    If Moisture < Threshold Then
        Portd.0 = 1 ' روشن کردن پمپ آب
        Portd.1 = 1 ' باز کردن شیر برقی
    Else
        Portd.0 = 0 ' خاموش کردن پمپ آب
        Portd.1 = 0 ' بستن شیر برقی
    End If
    ' تاخیر
    Wait 1
Loop
End

توضیحات کد:

1. تنظیمات اولیه: تنظیم فرکانس کریستال و فایل تعریف میکروکنترلر.
2. تنظیمات LCD: پورت‌ها و پین‌های متصل به LCD تعریف می‌شوند.
3. تنظیمات پورت‌ها: پورت‌های ورودی و خروجی برای پمپ آب و شیر برقی تعریف می‌شوند.
4. تنظیمات ADC: برای خواندن مقدار رطوبت خاک از ADC استفاده می‌شود.
5. متغیرها: متغیرهای مورد نیاز تعریف می‌شوند.
6. حلقه اصلی:
   • مقدار رطوبت خاک خوانده می‌شود.
   • مقدار رطوبت خاک روی LCD نمایش داده می‌شود.
   • بر اساس مقدار رطوبت خاک، پمپ آب و شیر برقی کنترل می‌شوند.
   • یک تاخیر برای جلوگیری از اجرای مداوم حلقه قرار داده می‌شود.

این کد یک سیستم ساده برای آبیاری هوشمند است که به طور خودکار، بر اساس مقدار رطوبت خاک، پمپ آب و شیر برقی را کنترل می‌کند. با توجه به مقدار آستانه تعیین شده، اگر مقدار رطوبت خاک کمتر از این مقدار باشد، سیستم آبیاری فعال می‌شود و پمپ آب و شیر برقی شروع به کار می‌کنند. در غیر این صورت، سیستم آبیاری غیر فعال می‌شود و پمپ آب و شیر برقی خاموش می‌گردند. این روش باعث می‌شود که مصرف آب بهینه‌سازی شده و فقط در صورت نیاز، عملیات آبیاری انجام شود.

همچنین با اضافه شدن ماژول فرستنده و گیرنده به این پروژه، قابلیت کنترل از راه دور از طریق SMS و WiFi فراهم می‌شود. این ماژول‌ها به میکروکنترلر ATmega16 متصل شده و امکان ارسال و دریافت دستورات کنترلی از طریق پیامک و اینترنت را فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، کاربر می‌تواند با ارسال یک پیامک یا از طریق یک اپلیکیشن موبایل، سیستم آبیاری را فعال یا غیر فعال کند، یا وضعیت رطوبت خاک را دریافت کند. این ویژگی‌ها به کاربران این امکان را می‌دهد که از هر مکانی و در هر زمانی، سیستم آبیاری خود را کنترل و مانیتور کنند، که منجر به بهبود مدیریت منابع آب و افزایش کارایی سیستم آبیاری می‌شود.

چکیده

میکروکنترلرهای AVR، توسعه یافته توسط شرکت Atmel و اکنون تحت مالکیت Microchip Technology، یکی از محبوب‌ترین و پرکاربردترین میکروکنترلرهای ۸ بیتی هستند. این میکروکنترلرها به دلیل معماری RISC، حافظه فلش قابل برنامه‌ریزی، پشتیبانی از زبان‌های برنامه‌نویسی متنوع، قابلیت‌های جانبی متعدد و مصرف انرژی کم، در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی و مهندسی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

مدل‌های مختلف AVR مانند ATmega328، ATmega16 و ATtiny85، به دلیل ویژگی‌های خاص خود در کاربردهای گسترده‌ای از جمله سیستم‌های تعبیه شده، کنترل‌های صنعتی، محصولات خانگی هوشمند، رباتیک و پروژه‌های DIY و آموزشی مورد توجه قرار گرفته‌اند.

برای توسعه و برنامه‌نویسی این میکروکنترلرها، محیط‌های توسعه‌ای مانند Microchip Studio و Arduino IDE استفاده می‌شوند که امکانات و ابزارهای متنوعی را برای برنامه‌نویسان فراهم می‌کنند.

به طور کلی، میکروکنترلرهای AVR با ویژگی‌های متنوع و انعطاف‌پذیری بالا، همچنان یکی از انتخاب‌های اصلی در بسیاری از پروژه‌های الکترونیکی و مهندسی هستند و به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهند تا ایده‌های خود را به راحتی پیاده‌سازی کنند.