Les 1 - Introductie microcontrollers

• Applicatie- en mediaontwikkelaar
• MBO
• Studiejaar 1

Python intro

Programming basics-II

Les 3 / Week 7a

Welkom bij Microcontrollers

MCR-I: Microcontrollers

Les 1

🔭 Globaal overzicht modules:

MCR-I

MCR-II
MCR-III

Duur: 5 weken

Toetsing: individueel, multiple choice

• Introductie microcontrollers
• Demo’s
• Basic elektronica
• UART
• MicroPython
• Emulatie (https://wokwi.com)

🔭 Globaal overzicht modules:

MCR-I

MCR-II

MCR-III

Duur: 11 weken

Toetsing: individueel, inleveropdracht en presentatie

• Eerste programma “Hello world” aka Blinky
• Programma: reactiemeter (button, led)
• Programma: verkeerslicht (3x led)
• Programma: thermometer (DHT22)
  

🔭 Globaal overzicht modules:

MCR-I
MCR-II
MCR-III

Duur: 8 weken

Toetsing: groepen van twee, projectopdracht zoals bijv.:

• Programma: wifi accesspoint en website
• Programma: communicatie tussen C# en microcontroller (serieel via UART, RS-232, USB)
• Simulator koffieapparaat
  
  

⚡ Deze les

• Wat is een microcontroller?
• Waar worden microcontrollers gebruikt?
• Bekende microcontrollers
• Programmeren van microcontrollers
  

Microcontrollers
Wat weet je al?

Micro:bit

Welke ken je nog meer?

Waar zouden we ze tegen kunnen komen?

Wat is een microcontroller?

Eenvoudige computer op één VLSI-chip

VLSI (Very Large Scale Integration) chip:

• Klein (met enorm veel transistoren)
  
• Multifunctioneel (je vindt ze als het brein van computers, smartphones, digitale cameras en nog veel meer)
• Complex (met naast transistoren andere minuscule componenten zoals geheugen arrays, arithmetic units en andere functionele componenten)
  

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

• CPU (soms meerdere)
• (EP)ROM (flash)
• RAM, relatief weinig
• Input en output, GPIO
• Relatief lage kloksnelheid
• Goedkoop
• Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

CPU: De CPU (Central Processing Unit) van een microcontroller is het brein ervan, dat verantwoordelijk is voor het uitvoeren van berekeningen en het besturen van de taken van de microcontroller.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

(EP)ROM (flash): Erasable Programmable Read-Only Memory, maar moderne microcontrollers gebruiken vaak flashgeheugen om programma's en gegevens op te slaan. Het is niet-vluchtig geheugen dat behouden blijft, zelfs als de stroom wordt uitgeschakeld.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

RAM: Random Access Memory is het tijdelijke geheugen van de microcontroller waarin gegevens en variabelen worden opgeslagen tijdens de uitvoering van programma's. Het is vluchtig en wordt gewist wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

Input en output, GPIO: Microcontrollers hebben ingebouwde GPIO (General Purpose Input/Output) pinnen waarmee ze gegevens kunnen ontvangen (input) van sensoren en apparaten kunnen aansturen (output) via digitale signalen.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

Relatief lage kloksnelheid: Microcontrollers werken meestal op lagere kloksnelheden in vergelijking met microprocessoren, omdat ze ontworpen zijn voor specifieke toepassingen met minder rekenkracht.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

Goedkoop: Microcontrollers zijn doorgaans kosteneffectief geproduceerd, wat ze geschikt maakt voor een breed scala aan toepassingen, van consumentenelektronica tot industriële automatisering.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Wat is een microcontroller?

Typische kenmerken:

Laag energieverbruik: Microcontrollers zijn ontworpen om efficiënt met energie om te gaan, waardoor ze geschikt zijn voor apparaten en toepassingen waar energieverbruik kritiek is (die bijv. werken op batterijen), zoals draagbare elektronica of IoT-apparaten.

CPU / (EP)ROM / RAM / Input en output, GPIO / Relatief lage kloksnelheid / Goedkoop / Laag energieverbruik

Waar worden microcontrollers
gebruikt?

Waar worden microcontrollers gebruikt?

Verzamelterm: Embedded systems

• Wasmachines
• Klokken en horloges
• Auto’s
• Procesbesturing in fabrieken
• Accesspoints
• Domotica
• Fotocamera’s
• etc...
  

Enkele bekende microcontrollers...

Atmel-familie, bekend geworden door Arduino

Nordic-familie (zit in de micro:bit die jullie kennen uit het eerste lesjaar)

PIC-familie

STM32-familie

(ESP-01 t/m ESP-14, ESP32)

Grappig feit: de eerste ESP-modules waren bedoeld om te fungeren als een WiFi-module en toen men ontdekte dat de CPU krachtig genoeg was om naast WiFi ook andere taken uit te voeren is dit een populaire microcontroller geworden.

RP2040, de microcontroller van de Raspberry Pico; niet te verwarren met de Raspberry Pi

Grappig feit: de eerste ESP-modules waren bedoeld om te fungeren als een WiFi-module en toen men ontdekte dat de CPU krachtig genoeg was om naast WiFi ook andere taken uit te voeren is dit een populaire microcontroller geworden.

Old school microprocessors zoals 6502 en Z80, deze worden nog steeds gemaakt.

Grappig feit: de eerste ESP-modules waren bedoeld om te fungeren als een WiFi-module en toen men ontdekte dat de CPU krachtig genoeg was om naast WiFi ook andere taken uit te voeren is dit een populaire microcontroller geworden.

Development boards

Van sommige microcontrollers zijn zgn. development-boards om microcontrollers toegankelijker te maken, bijv. micro:bit, Arduino’s, NodeMCU en de Raspberry Pico.

Development-boards (of devboards) hebben extra elektronica zoals een USB-to-serial adapter om direct met een PC te kunnen communiceren en elektronica om de voedingsspanning te reguleren.

Programmeren van microcontrollers

Microcontroller Bootloader

Een af fabriek microcontroller wordt geleverd zonder programma, met uitzondering van een bootloader. De bootloader is een programma dat een aantal essentiële instellingen configureert.

In veel gevallen omvat de bootloader van microcontrollers ook communicatiesoftware (UART), waardoor de microcontroller kan communiceren met andere apparaten. Dit maakt het mogelijk om bijvoorbeeld programma's in te voeren.

Een universal asynchronous receiver-transmitter (UART) is een hardwarecomponent gebruikt voor asynchrone, seriële communicatie met andere elektronische systemen. De UART is, naast het omzetten van de gegevens, verantwoordelijk voor de pariteitscontrole, timing en start/stop-bits. Vaak zijn de UART zelf en het component verantwoordelijk voor de signaalverwerking onderdeel van een geïntegreerde schakeling, meestal is dat een microcontroller.

Programmeren van microcontrollers

Er zijn verschillende programmeertalen beschikbaar voor microcontrollers, waaronder:

• Assembly
• C++
• MicroPython

In deze lessen zullen we ons concentreren op het gebruik van MicroPython.

Een universal asynchronous receiver-transmitter (UART) is een hardwarecomponent gebruikt voor asynchrone, seriële communicatie met andere elektronische systemen. De UART is, naast het omzetten van de gegevens, verantwoordelijk voor de pariteitscontrole, timing en start/stop-bits. Vaak zijn de UART zelf en het component verantwoordelijk voor de signaalverwerking onderdeel van een geïntegreerde schakeling, meestal is dat een microcontroller.

Programmeren van microcontrollers

Een typisch microcontroller programma bestaat uit twee delen:

1. Setup
2. Infinite loop

Voorbeeldprojecten microcontrollers

Een impressie van wat mogelijk is...

Taxi tracking system using GPS and GSM technology

https://www.projectsof8051.com/office-cab-tracking-system-using-gps-and-gsm-technology/

RFID based PrePaid Car Parking System

https://www.projectsof8051.com/rfid-based-prepaid-car-parking-system/