Hinweise für die mündliche Prüfung
Erklärungen anhand von grafischen Darstellungen
Was ist ein Mikrocontroller?
Mikrocontroller, oft auch als MCU (microcontroller unit) bezeichnet sind extrem kleine Computer, die in einem einzigen Chip untergebracht sind und als ein vollständiges, in sich geschlossenes System betrachtet werden können.
Auf diesen wir nur ein einzelnes Programm periodisch ausgeführt, weshalb sich diese für vorprogrammierte, automatisierte Aufgaben bestens eigenen. Dies geschieht in einer zeitgesteuerten, wiederholt ausgeführten Schleife.
Mikrocontroller MCUs sind nicht mit Mikroprozessoren CPU (central processing unit) zu verwechseln, wie diese z. B. in PCs oder Laptop als zentrale Recheneinheit zum Einsatz kommen!
Aus welchen Komponenten besteht ein Mikrocontroller?
Ein Mikrocontroller ist wie ein "richtiger" Computer aufgebaut, weshalb er auch über vergleichbare Komponenten verfügt.
CPU (Central Processing Unit)
Die CPU ist das "Gehirn" des Mikrocontrollers. Sie führt alle Rechenoperationen aus, steuert die Abläufe und koordiniert den Datenaustausch zwischen den anderen Komponenten. Die CPU interpretiert und verarbeitet die Anweisungen, die im Programmcode enthalten sind.
RAM (Random Access Memory)
RAM ist der flüchtige Speicher eines Mikrocontrollers. Hier werden temporäre Daten gespeichert, die während der Programmausführung benötigt werden, wie etwa Variablen und Zwischenergebnisse. Da der RAM flüchtig ist, gehen die Daten nach einem Reset oder beim Abschalten des Geräts verloren. Der RAM ist schnell und ermöglicht direkten Zugriff, weshalb er optimal für den schnellen Datenzugriff der CPU geeignet ist.
ROM (Read Only Memory)
Der nichtflüchtige Speicher speichert das Programm des Mikrocontrollers. Er ist zudem wiederbeschreibbar, was eine flexible Programmierung und Updates ermöglicht.
I/O-Ports (Input/Output Ports)
Die I/O-Ports ermöglichen dem Mikrocontroller mit der Außenwelt zu interagieren. Sie dienen dem Einlesen von Signalen (z. B. Sensoren) und dem Senden von Steuersignalen (z. B. an Aktoren). I/O-Ports sind universell konfigurierbar: digitale Eingänge, digitale Ausgänge, digitale Ausgänge mit der Möglichkeit PWM-Signals zu generieren, analoge Eingänge
Timer und Zähler
Timer und Zähler erlauben dem Mikrocontroller die präzise Zeitmessung und das Zählen von Ereignissen. Sie ermöglichen z. B. die Zeitsteuerung von Abläufen, PWM-Signale (Pulsweitenmodulation) zur Steuerung von Motoren und die Erfassung von Ereignissen, wie z. B. Tastendrücke. Meistens gibt es mehrere Timer mit unterschiedlichen Auflösungen, die unabhängig voneinander arbeiten können.
Schnittstellen (UART, SPI, I²C)
Schnittstellen ermöglichen die Kommunikation des Mikrocontrollers mit anderen Geräten, wie z. B. Sensoren, anderen Mikrocontrollern oder Computern. Sie sind essenziell für die Datenübertragung in Systemen in denen mehrere Mikrocontroller zum Einsatz kommen.
Oscillator/Clock (Taktgeber)
Der Taktgeber gibt die Arbeitsgeschwindigkeit der CPU vor und synchronisiert die Operationen im Mikrocontroller. Er sorgt für die zeitlich koordinierte Verarbeitung von Anweisungen und die präzise Ausführung der Programme.
Wo werden Mikrocontroller grundsätzlich eingesetzt und gib einige Beispiele an!
Haushaltsgeräte
- Waschmaschinen und Geschirrspüler: Mikrocontroller steuern die verschiedenen Waschprogramme, die Wasserzufuhr, Temperatur und den Motor.
- Mikrowellen: Hier übernehmen sie die Steuerung von Zeit und Leistung und sorgen für die Bedienung der Funktionen über Tasten oder Touch-Displays.
- Kaffeemaschinen: Intelligente Kaffeemaschinen nutzen Mikrocontroller, um den Brühvorgang zu steuern und benutzerdefinierte Einstellungen zu speichern.
Automobilindustrie
- Motorsteuerung: Mikrocontroller regeln Einspritzung, Zündung und Abgasreinigung für eine optimale Motorleistung und Emissionskontrolle.
- ABS und ESP: Mikrocontroller steuern das Antiblockiersystem (ABS) und die elektronische Stabilitätskontrolle (ESP), um die Fahrsicherheit zu erhöhen.
- Infotainment-Systeme: Sie ermöglichen die Bedienung von Audio-, Video- und Navigationssystemen und sorgen für die Schnittstelle zwischen Fahrer und Fahrzeug.
Medizinische Geräte
- Blutzuckermessgeräte: Mikrocontroller verarbeiten die Messdaten und zeigen die Ergebnisse auf dem Display an.
- Pulsoximeter und Herzfrequenzmonitore: Diese Geräte messen Vitaldaten und senden die Informationen für die Weiterverarbeitung oder Speicherung.
- Beatmungsgeräte: Sie steuern präzise den Luftdruck und die Atemfrequenz und sorgen für eine lebenswichtige Unterstützung von Patienten.
Industrieautomatisierung
- SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung): Mikrocontroller dienen in einfachen Steuerungen und Sensorik-Systemen zur Regelung von Produktionsprozessen und zur Erfassung von Messwerten.
- Robotersteuerung: Mikrocontroller regeln Bewegungen und greifen auf Sensordaten zu, um Maschinen und Roboterarme zu steuern.
- Sensor- und Überwachungssysteme: Temperatur-, Feuchtigkeits-, Druck- und Lichtsensoren in Produktionsstätten basieren auf Mikrocontrollern, um Betriebsbedingungen zu überwachen und Maschinensteuerungen anzupassen.
Unterhaltungselektronik
- Fernbedienungen: Mikrocontroller decodieren die Benutzereingaben und steuern die Kommunikation mit dem Hauptgerät (TV, Anlage etc.).
- Spielkonsolen-Controller: Die Eingaben des Spielers werden in Steuerbefehle umgewandelt und an die Konsole übertragen.
- Smart-TVs und Lautsprecher: Mikrocontroller sorgen für die Bedienungsoberfläche, Sprachsteuerung und die Anbindung an das Internet.
Internet of Things (IoT)
- Smart Home-Geräte: Mikrocontroller steuern intelligente Glühbirnen, Thermostate, Sicherheitskameras und Türschlösser, die über das Internet verbunden sind und sich von mobilen Geräten aus steuern lassen.
- Umweltsensoren: Sensoren zur Überwachung von Luftqualität, Temperatur und Feuchtigkeit in Wohnungen oder Büros basieren oft auf Mikrocontrollern und kommunizieren die Daten an zentrale Plattformen.
- Wearables: Fitnesstracker, Smartwatches und ähnliche Geräte verwenden Mikrocontroller, um Daten zu sammeln, zu verarbeiten und an Smartphones zu senden.
Landwirtschaft
- Automatisierte Bewässerungssysteme: Mikrocontroller steuern die Wasserzufuhr anhand von Bodensensoren und Wetterdaten.
- Drohnen für die Landwirtschaft: Drohnen, die Felder überwachen oder besprühen, verwenden Mikrocontroller für die Steuerung und Navigation.
- Tierüberwachung: Sensoren mit Mikrocontrollern können die Bewegungsdaten und Gesundheitsparameter von Nutztieren erfassen und überwachen.
Luft- und Raumfahrt
- Flugzeuginstrumente: Mikrocontroller steuern Anzeigen und Alarmsysteme im Cockpit und überwachen Flugparameter.
- Satelliten: Sie übernehmen Steuerungsaufgaben und die Übermittlung von Telemetriedaten zur Erde.
- Drohnen: Mikrocontroller steuern Flugbewegungen und empfangen GPS-Daten zur Navigation und Lagebestimmung.
Smart Grids und Energie
- Intelligente Zähler (Smart Meter): Mikrocontroller ermöglichen die Fernablesung und die Übertragung des Energieverbrauchs an Versorgungsunternehmen.
- Photovoltaik-Systeme: Mikrocontroller steuern die Effizienz und die Überwachung der Energieumwandlung und Speicherung in Solarzellen.
- Stromnetzüberwachung: Mikrocontroller helfen, Netzparameter zu überwachen und Lasten effizient zu verteilen, um Netzstabilität zu gewährleisten.
Wie werden Mikrocontroller programmiert und was benötigt man dazu?
Um Programme für Mikrocontroller zu erstellen benötigt man eine Entwicklungsumgebung auf einem Computer (z. B. Arduino IDE) mit der man den Source-Code z. B. in C schreibt. Dieser muss dann von einem Compiler in ein Programm übersetzt werden, das von der CPU in einem Mikrocontroller verarbeitet werden kann.
Weiters benötigt man meist einen Programmieradapter, welcher die Hardwareschnittstelle zwischem dem Computer und dem Mikrocontroller darstellt. Über diesen wird der kompilierte Programmcode zum Mikrocontroller übertragen.