微控制器和嵌入式系统的 IC 技术简介

我们日常生活中使用的每个电子设备都设计有电气和电子工程电路。这些电气和电子电路可以使用各种技术来设计，例如真空管技术、晶体管技术、集成电路或 IC 技术、微处理器技术和微控制器技术。这些技术可以使用分立的电气和电子元件、集成电路、微处理器和微控制器来实现。在本文中，我们将讨论 IC 技术和微控制器 IC 技术等先进 IC 技术中最适合嵌入式系统的技术。但是，在进一步深入之前，我们必须先了解什么是 IC 技术和微控制器 IC 技术。

集成电路技术

在早期，使用真空管设计的嵌入式系统设备尺寸非常大且价格更高。第一个点接触晶体管于 1947 年由贝尔实验室的 John Bardeen 和 Walter Brattain 开发。然后，晶体管的发明减少并取代了计算机设计中笨重昂贵的真空管。随后，晶体管的使用减小了电路的尺寸，因为这些晶体管尺寸更小、更经济、性能更快、可靠并且消耗的功率非常少。使用晶体管和其他分立电子元件构建的电路称为分立电路。

随着集成电路或 IC 技术的发明，电气和电子电路和计算机的设计发生了革命性的变化。集成电路体积非常小，非常可靠，最经济，并且使用起来非常简单。 IC 技术的这一概念于 1958 年引入，该 IC 技术使许多电子电气设备如手机、笔记本电脑、计算机和许多其他设备小型化。集成电路可以定义为集成在一个小的半导体材料板上的一组电子电路，通常称为硅芯片。每个IC都可以非常紧凑，在非常小的面积内包含数十亿个晶体管和其他组件。

几代 IC 技术

有不同代的集成电路，根据集成电路芯片上使用的晶体管数量进行分类。它们是： 小规模集成 (SSI)，包含少数几十个晶体管的集成电路。 1960 年代见证了中等规模集成 (MSI)，即包含数百个晶体管的集成电路芯片。 1970 年代出现了大规模集成 (LSI)，其中每个芯片上集成了数万个晶体管。 1980 年代出现了超大规模集成 (VLSI)，其中每个芯片上集成了数十万个晶体管。此外，超大规模集成（ULSI）、每个芯片集成超过一百万个晶体管、晶圆级集成（WSI）、片上系统（SOC）和三维集成电路（3D-IC）正在开发中。 555定时器IC、741运算放大器、CMOS、NMOS、BICMOS技术等集成电路被认为是IC技术的实际例子。

有不同类型的集成电路，例如用于各种嵌入式系统应用的 ADC、DAC、放大器、电源管理 IC、时钟和定时器 IC 以及接口 IC。

IC技术的应用

基于非微控制器的太阳能充电控制器项目是IC技术的简单应用。在该项目中，实现了受控充电机制，在不使用微控制器的情况下避免欠充、过充和深度放电情况。一组运算放大器用作比较器，用于连续监测面板电压和负载电流。绿色和红色 LED 用于指示。绿色 LED 用于指示电池充满电状态，在充电或过载或深度放电情况下由红色 LED 指示。

功率半导体开关MOSFET用于切断负载，如果红色LED指示电池电量不足或过载情况。如果绿色 LED 指示电池已充满电，则太阳能将使用晶体管旁路到电路中的虚拟负载。因此，电池受到过充电保护。该项目可以通过GSM调制解调器和微控制器进一步增强，以实现太阳能系统和控制室的通信，以监控系统状态。

微控制器 IC

微控制器是一种高级 IC 或集成电路，它与附加外围设备相结合。随着微处理器技术、微控制器技术等IC技术的进步，嵌入式系统应用的开发和使用也在不断增加。晶体管技术的缺点，IC技术随着先进的IC技术微处理器和微控制器技术而减弱。微处理器将计算机中央处理单元 (CPU) 的功能集成在单个或几个集成电路上。微控制器单元可以被视为单个集成电路上的小型计算机，该集成电路由小型中央处理单元、晶体振荡器、定时器、看门狗和模拟 I/O 组成。有不同类型的寄存器，用于某些特定任务的中断。微控制器有不同的类型，例如 AVR 微控制器、PIC 微控制器等。但通常 8051 微控制器 IC 用于大多数嵌入式系统应用。

如果我们使用IC技术，那么在嵌入式系统中执行一些任务需要多个分立元件。如果我们使用微控制器技术等先进的 IC 技术，那么只需编写几条简单的编程线，我们就可以执行多项任务。因此，采用微控制器技术可以降低嵌入式系统中分立元件的数量、电路尺寸、复杂性和成本。

微控制器技术的应用

采用微控制器的太阳能充电控制器是微控制器先进IC技术的典型应用。为了有效利用太阳能，包括太阳能灯笼、太阳能路灯以及太阳能房屋和花园照明系统在内的太阳能照明系统正在农村和城市地区使用。太阳能发电系统主要由光伏组件、充电电池、负载和太阳能充电控制器四大组成部分组成。

使用微控制器技术的具有四大块的太阳能发电系统框图如图所示。在这四个组件中，考虑使用微控制器的太阳能充电控制器，它在提高太阳能系统的整体性能方面发挥着重要作用。用于太阳能充电控制器电路的硬件组件有AT89C2051微控制器、串行ADC0831、稳压IC7805、功率半导体开关MOSFET、液晶显示器、可充电电池、充电控制、黄昏到黎明传感器和负载控制。

电池用于提供 5V DC 稳压电源，为微控制器供电，微控制器用于使用 ADC 监控电池电压。使用分压器将 0V-20V 的电压按比例降低到 V-5V，该分压器在 ADC 的引脚 2 处设置电阻器，这些值显示在 LCD 显示屏上。使用并联调节技术，允许充电电流流入电池并在电池充满电时停止对电池充电。根据从黄昏到黎明传感器接收到的输入信号，微控制器切换充电或负载继电器。 LCD显示屏由单片机驱动，显示充电信息。

如果电池充满电（高达 14V），则继电器通过 MOSFET 通电以中断充电。然后微控制器将启动 5 分钟定时器，LCD 将消息显示为电池已满。如果此计时器已过，则电池会通过继电器重新连接到太阳能电池板，因此只要存在太阳能电压，太阳能充电电流就会产生脉冲。如果太阳能电池板电压低于黄昏至黎明传感器的齐纳二极管电压，则微控制器接收来自黄昏至黎明传感器的信号，然后通过 MOSFET 激活负载，并在 LCD 显示屏上显示负载开启消息。如果电压低于黄昏到黎明传感器的 10V，则微控制器通过 MOSFET 关闭负载。

嵌入式系统的最佳技术

在本文中，之前简要讨论了 IC 技术和微控制器 IC 技术及其示例、类型以及微控制器和 IC 技术在嵌入式系统应用中的实际应用。上面讨论的太阳能充电控制器采用以前的 IC 技术和采用先进的 IC 技术，如微控制器 IC 技术，显示了两种技术之间的差异。并且这也表明这两种技术仍在根据需求使用。这两种技术在用于嵌入式系统时各有优缺点。

与使用分立元件构建的电路尺寸相比，IC 技术减小了电路尺寸。先进的微控制器 IC 技术通过用单个微控制器 IC 替换电路中的许多集成电路来减小电路尺寸。因此，IC技术的电路成本低于分立或晶体管技术。与使用 IC 技术设计的电路的成本相比，微控制器 IC 技术电路的成本更低。同样，对于几个参数，微控制器技术比IC技术和分立元件或晶体管技术更适合嵌入式系统。

图中展示了采用不同技术设计的嵌入式系统应用。对于嵌入式系统的某些特定应用，IC 技术比微控制器技术更可取。但大多数嵌入式系统应用都使用微控制器技术，因为与 IC 技术相比，它更先进且具有更多优势。此外，Edgefx Technologies 将根据您对嵌入式系统的兴趣为您的学术项目工作选择特定技术，为您提供技术帮助。