مدخل إلى الدوائر المتكاملة Integrated Circuits والمتحكمات الصغرية Micro-processor

تحدثنا في المقالات السابقة عن اﻷسس والمفاهيم التي يجب استيعابها لتكوين الدوائر اﻹلكترونية والتعامل معها وإجراء بعض القياسات الكهربائية فيها. كما تعرّفنا على عناصر إلكترونية سميناها فعّالة لأنها تزوّد الدوائر بالطاقة أو تستهلك الطاقة لأداء عملها مثل البطاريات والترانزيستورات وأخرى سميناها ساكنة لأنها تبدد الطاقة أو تمررها فقط. ورأينا أن تنفيذ أية دائرة إلكترونية لها وظيفة محددة يمر بمرحلتين أساسيتين:

• اﻷولى: فهم الوظيفة المطلوبة وتصوّر طريقة تنفيذها.
• الثانية: اختيار العناصر اﻹلكترونية المناسبة وربطها بالطريقة الصحيحة ﻹنجاز الوظيفة.

وقد يخطر لك السؤال التالي: "ماذا لو أردت أن أكرر هذه الوظيفة في عدة أماكن مختلفة من الدائرة؟" كأن احتاج عدة مؤقتات زمنية لمراقبة أشياء مختلفة، هل سأكرر الدائرة الكهربائية نفسها مرات عدة ثم أضيفها إلى الدائرة اﻷساسية أم ماذا؟

الجواب على هذا السؤال هو نعم وليس بالضرورة! نعم أي لا بد في الدائرة اﻹلكترونية من تكرار العناصر التي تؤدي وظيفة ما إن أردت استنساخ هذه الوظيفة أكثر من مرة، وليس بالضرورة لوجود شيء أبسط يحوّل هذه العناصر جميعها إلى عنصر واحد ضمن إطار فيزيائي واحد ندعوه دائرة متكاملة Integrated circuit.

ما تحتاجه لإكمال التمارين العملية في هذا المقال

إليك قائمة بالعناصر الإلكترونية والتجهيزات اللازمة لإكمال التطبيقات العملية:

• بطارية جهدها 5 فولط.
• مقاومات قيمها 1.2، 2.2، 10، 22 كيلو أوم.
• الدائرة المتكاملة NE555 (واحدة تكفي).
• الدائرة المتكاملة المنظمة للجهد 7805 (واحدة تكفي).
• المتحكم الصغري PIC16F84A (اختياري لمجرّد التعرف على شكله وتوزع أرجله وقراءة أرقامها).
• مؤشرات ضوئية (ليد) تعمل عند جهد 5 فولط أو أقل (ثلاثة تكفي).
• مكثفات سعتها 47 ميكرو فاراد وأخرى 1 ميكرو فاراد جهدها 16 فولط.
• مكثفات عدسية 20 نانو فاراد (اختيارية إن أردت توصيل دائرة المتحكم الصغري).
• هزاز كريستالي تردده 2 ميجا هرتز (اختياري لتوصيل دائرة المعالج الصغري).
• ديودات من طراز 1N4007 (يكفي اثنان).
• ترانزستورات قطبية من الطراز 2N2222.
• لوحة اختبار مثقبة (إن أردت فاﻷمر اختياري).
• مقياس كهربائي متعدد الوظائف AV multi-meter.

الدائرة المتكاملة

اقتباس

نحتاج في التطبيقين العمليين لهذا القسم: مصدر تغذية 6 -8 فولط، الدائرة المتكاملة 7805، الدائرة المتكاملة 555، مقاومات 10 كيلو أوم، مقاومات 2.2 كيلو أوم، مقاومات 20 كيلو أوم، مكثفة 47 ميكروفاراد، مكثفة 1 ميكروفاراد، مؤشرات ضوئية، ترانزيستور قطبي 2N2222، ديود 1N4007، مقياس متعدد الوظائف.

الدائرة المتكاملة Integrated circuits هي دائرة إلكترونية مخصصة ﻷداء وظيفة واحدة أو عدة وظائف، وتتكون ضمنًا من مجموعة من العناصر اﻷساسية مثل الترانزستورات والمكثفات والمقاومات التي تقوم بالعمل المطلوب. توضع هذه العناصر ضمن غلاف مغلق لا يظهر منه إلى العالم الخارج سوى أرجل معدنية تربط الدائرة المتكاملة بالعالم الخارجي. وقد يخطر في بالنا السؤال التالي: إن كانت الدائرة المتكاملة مكوّنة من نفس العناصر الأساسية التي نستخدمها فما فائدتها إذًا؟ إليك الجواب:

• حجم أصغر بكثير: تخيل أن الدائرة ستتكون من 12 ترانزيستور و10 مقاومات و3 مكثفات، ما الحجم الذي تشغله هذه العناصر مهما كان تصنيعها جيدًا وطريقة توصيلها احترافية؟ بالتأكيد ستشغل حجمًا لا بأس به. لكن إن صُنّعت ضمن دائرة متكاملة فقد لا تتجاوز أبعادها عدة ملليمترات في كل اتجاه.
• موثوقية أكبر بكثير: لربما قد لا حظت عند محاولتك تجريب التمارين التطبيقية التي طرحناها في المقالين السابقين صعوبة التوصيلات في بعض اﻷحيان أو هفوات صغيرة تُفقدك أعصابك قبل معرفة المشكلة، فما بالك بالدوائر التي يجب أن تؤدي وظيفتها بكل دقة؟ تضمن طريقة التصنيع المتبعة في الدوائر المتكاملة توصيلات غاية في الدقة وترتيبًا مثاليًا للعناصر إضافة إلى اﻷحجام الصغيرة جدًا لهذه العناصر.
• التعامل مع أرجل الدائرة دون الحاجة لأية تفاصيل تصميمية: لا حاجة لأن تعرف العناصر التي تتكون منها الدائرة اﻹلكترونية وكيف رُتبت، فما تتعامل معه فقط هي اﻷرجل التي يحدد صانعو الدائرة وظيفة كل منها وكيفية وصلها.

ولا تخلو فكرة الدوائر المتكاملة من عيوب تتعلق بعدم القدرة على تصنيع دوائر متكاملة تتعامل مع استطاعات كهربائية كبيرة، وقدرتها المحدودة على التخلص من الحرارة الناتجة عن تشغيلها لصغر حجمها، و حساسيتها العالية للضجيج -وهي إشارات غير مرغوبة تصل إليها عن طريق التغذية أو اﻷجهزة المحيطة-.

أنواع الدوائر اﻹلكترونية المتكاملة

للدوائر اﻹلكترونية أنواع مختلف وتصنف عادة ضمن ثلاثة فئات واسعة:

1. دوائر متكاملة تماثلية: وتتعامل مع قيم تماثلية تطبيق على أرجل الدخل وتعطي قيمًا تماثلية على أرجل الخرج نذكر منها دوائر منظمات الجهد الكهربائي ودارات قياس درجات الحرارة.
2. دوائر متكاملة رقمية: وتتعامل مع قيم رقمية في دخلها وخرجها، نذكر منها المعالجات المصغّرة Microprocessor في الحواسب. تُبنى هذه الدوائر باستخدام ترانزستورات قطبية فتعرف عندها بعائلة TTL وباستخدام ترانزستورات حقلية MOSFET فتعرف باسم CMOS.
3. دوائر رقمية تشابهية: تتعامل مع قيم رقمية في مداخلها وتعطي قيمًا تماثلية على المخارج أو العكس أو كلاهما (تتعامل مع الرقمي والتماثلي في الدخل والخرج)، نذكر منها الدوائر التي تحول درجات الحرارة مثلًا إلى أرقام وكذلك دوائر المتحكمات الصغرية micro-controller التي سنتحدث عنها في الفقرات القادمة.

تغليف الدوائر المتكاملة

عندما تُصنع الدوائر المتكاملة تظهر أرجلها إلى العالم الخارجي من حواف غلاف بلاستيكي أسود اللون عادة، وتُكتب عليه معلومات عن الشركة الصانعة وتاريخ الصنع ورقم الدائرة المميز ولواحق تتعلق بطريقة التغليف ومجالات العمل وغيرها وتختلف طريقة الترميز من شركة لأخرى لكن رقم الدائرة يبقى كما هو.

أشكال أغلفة الدوائر المتكاملة

تكون الأغلفة مستطيلة أو مربعة، وتخرج منها اﻷرجل وفق ترتيب محدد وتباعد محدد، وتصنف إلى:

• أغلفة من النوع DIP: وتكون مستطيلة تخرج اﻷرجل الطرفين بشكل متناظر.
• أغلفة من النوع SOP: وتكون مستطيلة أو مربعة، تخرج اﻷرجل من طرفيها وتكون صغيرة على شكل حرف L ومتقاربة من بعضها.
• أغلفة من النوع QFT: وتكون مربعة وصغيرة الحجم ومسطحة، تخرج اﻷرجل على شكل حرف L من جميع أطرافها.
• أغلفة من النوع BGA: وتكون مربعة الشكل وليس لها أرجل، بل يكون الخرج والدخل على شكل نقاط نافرة أسفل الدائرة وموزعة على صفوف في كل اﻷطراف.

ترقيم أرجل الدوائر المتكاملة

لكل رجل من أرجل الدائرة المتكاملة عمل محدد كأرجل تغذية وأرجل تأريض وأرجل دخل وخرج. ولكل رجل أيضًا رقم محدد، ويبدأ الترقيم بالرقم 1 وهي الرجل التي يقع إلى يسار حفرة الدائرية موجودة على سطح الغلاف يليه للأسفل الرقم 2 ثم تتزايد أرقام اﻷرجل بعكس جهة دوران عقارب الساعة.

تطبيق عملي: تنظيم الجهد باستخدام الدائرة المتكاملة 7805

نحتاج في كثير من التطبيقات إلى مصدر جهد ثابت لا يتغيّر ودون ضجيج كي يستقر عمل الدائرة اﻹلكترونية. لهذا نستخدم نوع خاص من الدوائر التكاملية التي تُدعى بمنظمات الجهد ومنها الدائرة 7805. تعطي هذه الدائرة في خرجها جهدًا موجبًا مستقرًا قدره 5 فولط وتقدم تيارًا أعظميًا شدته 1.5 أمبير على أن يكون جهد مصدر التغذية الذي نريد تنظيمه أعلى من جهد الخرج بحدود 2 إلى 3 فولط.

للدائرة 7805 ثلاثة أرجل مع خلفية معدنية لربطها مع جسم معدني أو مبدد حراري إذا كان التيار المستجر عبرها عاليًا لتخفيض الحرارة الناتجة عن عملها. فإذا أمسكتها بحيث تكون في مواجهتك تكون الرجل اليسارية هي رجل جهد الدخل الذي تريد تنظيمه والوسطى رجل التأريض واليمينة رجل الخرج التي تعطينا 5 فولط.

شكّل الدائرة البسيطة التالية:

• صل رجل الدخل إلى المسرى الموجب للوحة المثقبة ثم صل معه القطب الموجب لمكثفة 1 ميكروفاراد ومهبط الديود.
• صل الرجل اﻷخرى للمكثفة مع المسرى السالب ومصعد الديود مع رجل الخرج.
• صل الرجل الوسطى مع المسرى السالب.
• صل رجل الخرج مع الرجل الطويلة للمؤشر الضوئي وصل رجله اﻷخرى مع رجل مقاومة 2.2 كيلو أوم والرجل اﻷخرى للمقاومة مع المسرى السالب.
• صل قطبي البطارية 8 فولط إلى المسريين الموجب والسالب للوحة المثقبة.
• استخدم مقياس اﻵفو لتحديد الجهد بين المسرى السالب و رجل الخرج للدائرة 7805 ماذا تجد؟

اقتباس

هنالك دوائر أخرى من العائلة 78xx تعطي جهود 06، 09، 12 فولط مثل 7812

الدوائر المتكاملة القابلة للبرمجة

تُعرّف عملية البرمجة في اﻹلكترونيات عمومًا بأنها طريقة تحديد وظيفة العنصر اﻹلكتروني والطريقة التي يتواصل فيها مع الدائرة المحيطة به. وكما ذكرنا قبل قليل أن الدوائر اﻹلكترونية المتكاملة قد تشتمل على عدة وظائف وعندها تكون برمجة هذه الدائرة هو تحديد الوظيفة التي نريدها أن تؤديها من بين وظائف عدة.

وللبرمجة في عالم اﻹلكترونيات تصنيفان أساسيان:

1. برمجة فيزيائية: نحدد فيها وظيفة الدائرة اﻹلكترونية بتغيير طريقة توصيلها مع الدائرة المحيطة، أي تفرض على الدائرة المتكاملة وظيفة معينة وفقًا لطريقة توصيل أرجلها مع عناصر إلكترونية أخرى محددة. وأغلب الدارات المتكاملة التماثلية متعددة الوظائف تبرمج بهذا الشكل.

2. برمجة بالشيفرة: وفيها تُكتب برمجيات رقمية خاصة خارج هذه الدائرة ثم تنقل إليها، وقد تكون هذه البرمجيات دائمة أي تحمََّل مرة واحدة ولا يمكن تعديلها لاحقًا مثل الدائرة التكاملية التي تُحمّل برمجيات إقلاع الحاسب BIOS، ومن الممكن أيضًا تغيير هذه البرامج وتعديلها في أي وقت كما في الدوائر المتكاملة التي تُدعى المتحكمات الصغرية.

تُدعى البرمجيات التي تُحمّل إلى الدوائر المتكاملة "برمجيات قيادة Firmeware" وتكتب باستخدام لغات برمجة منخفضة المستوى عادة، ويمكن استخدام لغات برمجة عالية المستوى مثل C++,C, بايثون.

تطبيق عملي: البرمجة الفيزيائية للدائرة المتكاملة 555

تُصنف الدائرة 555 ضمن فئة المؤقتات أو الهزازات التي يتأرجح دخلها بين قيمة عليا (قيمة وصل) هي قيمة جهد تغذية الدائرة وقيم دنيا (قيمة فصل) هي 1.2 فولط وفقًا لطريقتي برمجة فيزيائية:

• اﻷولى تُدعى الوضع الوحيد الاستقرار وفيه تعمل الدائرة كمؤقت إذ تُبرمج كي يكون الخرج موصولًا لفترة زمنية محددة.
• الثانية: تُدعى الوضع غير المستقر وفيه يُبرمج الخرج كي يتبدل بين الفصل والوصل خلال أزمة محددة لكل حالة.

تتكون الدائرة 555 من ثمانية أرجل، لا حاجة حاليًا لشرح وظيفة كل رجل، وما سنستعرضه هي طريقة برمجة الدائرة كي تعطي الوظيفتين السابقتين. لهذا استخدم العناصر التي أشرنا إليها سابقًا لتشكيل الدائرة التالية:

برمجة الوظيفة الأولى:

• ضع الدائرة 555 لتكون أرجلها ضمن نصفين مختلفين للوحة المثقبة ثم صل الرجل رقم 1 (اﻷرضي) بالمسرى السالب والرجلين 8 (تغذية) والرجل 4 بالمسرى الموجب.
• صل الرجل رقم 7 بمقاومة R1 قيمتها 22 كيلو أوم ورجلها الثانية بالمسرى الموجب.
• صل الرجل رقم 2 بالرجل 6 بسلك ثم صلهما بالرجل الموجبة لمكثفة C1 قيمتها 47 ميكروفاراد وصل رجلها السالبة بالمسرى السالب.
• صل بمقاومة R2 قيمتها 22 كيلو أوم نقطة التقاء المقاومة 22 كيلو أوم والرجل 7 مع نقطة التقاء الرجل 6 والمكثفة.
• صل الرجل 5 إلى مكثفة 1 ميكروفاراد وصل رجلها السالبة باﻷرضي (بإمكانك تجاهل هذه الحركة حاليًا).
• صل أخيرًا رجل الخرج رقم 3 من خلال مقاومة 10 كيلو أوم بقاعدة الترانزستور وانتبه إلى أن يكون بعيدًا عن ثقوب الدائرة 555 ثم صل باعثه إلى المسرى السالب من خلال مقاومة 2.2 كيلو أوم وصل مؤشر ضوئي بين مجمّعه والمسرى الموجب.
• صل بطارية 8 فولط إلى المسريين الموجب والسالب للوحة المثقبة، وراقب ما يحدث.

ستلاحظ كيف يضيء وينطفئ المصباح بشكل منتظم وباستمرار طالما أن الدائرة موصولة بالتغذية الكهربائية وتُبرمج فترتي اﻹضاءة والتوقف من خلال تحديد قيم المقاومتين R1 و R2 وسعة المكثفة C1 وفق المعادلتين البسيطتين التاليتين:

t(off) = 0.0069xC1xR2 ..............(زمن الفصل بالثانية)
t(on)= 0.0069xC1x(R1+R2)..........(زمن التوصيل بالثانية)

برمجة الوظيفة الثانية:

• اتبع نفس الخطوات السابقة لكن لا تصل الرجل 2 بالرجل 6 بل اجعل السلك موصولًا بالرجل 2 وحرًا من الطرف اﻵخر.
• ضع السلك الموصول بالرجل 2 (رجل القدح) بالمسرى السالب للحظة ثم اخرجه وسترى أن الضوء يضيئ مدة زمنية محددة ثم ينطفئ، وتبرمج هذه المدة من خلال تحديد قيمة المقاومة R1 والمكثفة C1 وفق المعادلة التالية:

t= 0.001xR1xC1.......(زمن الوصل بالثانية)

اقتباس

يتطلب العمل مع الدوائر المتكاملة معرفة بورقة المواصفات الخاصة لكل منها، والتي تدلك على طرق التوصيل والبرمجة وقيم التغذية المخصصة لكل منها.

المتحكمات الصغرية والدوائر المتكاملة المبرمجة بالشيفرة

المتحكمات الصغرية هي دائرة عالية التكامل متعددة الوظائف من النوع الرقمي أو الرقمي-التشابهي المختلط. وهي دوائر قابلة للبرمجة بالشيفرة وبالتالي لابد أن تكون المتحكمات قادرةً على قراءة الشيفرة وتنفيذها.

تُعد هذه الدائرة بمثابة حاسوب حقيقي لكنه مصغّر ومحدود اﻹمكانية وينقصه فقط لوحة مفاتيح وشاشة عرض (وفي الواقع يمكن وصل شاشات ولوحات مفاتيح خاصة إليه وبرمجته ليتواصل معهما).

يمكن للمتحكمات الصغرية التعامل مع القيم التماثلية التي تأتيه من الوسط الخارجي، مثل قراءة درجات الحرارة عبر وصله بحساسات مناسبة، كما يمكنه التحكم بأجهزة تماثلية مثل التحكم بمحركات التيار المستمر. ولهذا نجد أن المتحكمات الصغرية هي غالبًا الدماغ الذي يقود الروبوتات.

وإضافة إلى القيم التماثلية فهو قادر على فهم اﻹشارات الرقمية والمنطقية وقادر على التخاطب الرقمي مع الوسط الخارجي.

البنية العامة للمتحكم الصغري

يتكون المتحكم الصغري أيًا يكن نوعه أو الشركة المصنعة له من مكوّنات بنيوية أساسية هي:

• وحدة معالجة مركزية CPU وهي المسؤولة عن تنفيذ العمليات الرياضية والحسابية.
• وحدة إدارة الذاكرة (الكتابة والقراءة منها) بشقيها ذاكرة الوصول العشوائي RAM التي تُستخدم أثناء تنفيذ الشيفرة وذاكرة القراءة فقط ROM التي تخزن شيفرة البرنامج.
• وحدة إدارة الدخل والخرج.
• منافذ دخل وخرج.
• دوائر توقيت.
• ساعة داخلية.
• مبدلات رقمية تماثلية والعكس لتحويل كل منهما إلى اﻷخرى حسب الحاجة.
• وحدة وحدات قادر على الاتصال مع التجهيزات الخارجية وفق معايير مشتركة بين هذه العناصر (بروتوكولات نقل).

لن نهتم في الواقع إلى هذه التفاصيل كثيرًا في بداية مشوارنا لكن لا بد من الانتباه لها عند شراء معالج صغري، إذ نهتم عادة بالنقاط التالية وبما يلائم مشروعنا:

• حجم ذاكرته.
• السرعة التي يعمل عندها.
• عدد بوابات الدخل والخرج وعدد اﻷرجل في كل منها.
• عدد اﻷرجل التي تقبل دخلًا تماثليًا.
• عدد المؤقتات ودقتها.
• عدد العدادات فيه ودقتها.
• عدد وحدات الاتصال مع تجهيزات الوسط الخارجي وأنواعها (نقل تسلسلي، تفرعي،…).
• دعم الاتصال مع مع تجهيزات أخرى باستخدام واجهات مثل USB وغيرها.

يمكن للمتحكم الصغري أن يستخدم ساعته الداخلية لمزامنة قراءة الشيفرة وتنفيذها أو ساعة خارجية يؤمنها موّلد نبض خارجي وله أنواع كثيرة أشهرها الهزازات الكريستالية Crystal Oscillators التي تعمل عند ترددات مختلفة بما يلائم السرعة القصوى المطلوبة من المتحكم المستخدم.

الهيكلية الخارجية للمتحكم

يغلّف المتحكم الصغري بأحد طرق تغليف الدوائر التكاملية التي ذكرناها سابقًا ولا يخرج منه إلى الوسط الخارجي سوى اﻷرجل. تُرقم أرجل المتحكم الصغري كما تُرقم أرجل أي دائرة متكاملة أي من الرقم 1 للرجل التي تقع على يسار الحفرة المرجعية على السطح وتتزايد اﻷرقام بعكس دوران عقارب الساعة.

البوابات ووظائف اﻷرجل

تقسم اﻷرجل كما ذكرنا إلى:

• أرجل مخصصة لها وظيفة واحدة كأرجل التغذية والتصفير وأرجل الاتصال مع الساعة الخارجية.

• أرجل عامة للدخل والخرج

• أرجل عامة للدخل والخرج مع وظائف خاصة.

  تشكل كل مجموعة من اﻷرجل العامة مايُسمى بوابة Port وتضم كل بوابة ما بين 3 إلى 16 رجل وعادة ما تُصنع أرجل البوابة الواحدة وفق آلية محددة تجعلها متوافقة مع بعضها. ويمكن برمجة كل رجل لتكون دخل أو خرج بغض النظر عن بقية أرجل البوابة، لكن عندما تريد استخدام البوابة ككل فلابد أن تكون كل أرجل هذه البوابة دخل أو كلها خرج.

يمكن لبعض اﻷرجل وليس جميعها أن تستقبل قيمًا تماثلية لأنها مبنية ومصممة لهذا الغرض لكن كل اﻷرجل قادرة على فهم القيم الرقمية أو المنطقية.

أما الأرجل ذات الوظائف الخاصة، فإنها تؤدي هذه الوظائف عندما نحدد ذلك عن طريق البرنامج. وعندها تؤدي فقط هذه الوظيفة الخاصة ولا يمكن أن تستخدم للدخل أو الخرج العام. ومن هذه الوظائف نجد العدادات وتبادل البيانات مع تجهيزات أخرى. ومن الوظائف الخاصة أيضًا اﻷرجل التي تتصل بجهاز البرمجة وتنقل البرنامج الذي كتبناه من الحاسوب إلى المتحكم.

تطبيق عملي: تعرّف على المتحكم PIC16f84A

وهو متحكم صغري من إنتاج Microchip يعمل عند جهد 2 إلى 5.5 فولط وسرعة بين 32 كيلو هرتز و20 ميغا هرتز يمكن تحديدها من خلال الساعة الخارجية المتصلة به (هزاز النبضات). لهذا المتحكم بعض الميزات منها:

• بوابتين A و B تضم البوابة اﻷولى خمسة أرجل مرمّزة من A0 وحتى A4، بينما تضم الثانية ثمان أرجل مرمّزة من B0 وحتى B7.
• دارة مؤقت/ عداد (حسب برمجتها) مرمّزة بالاسم TMR0 متصلة بالرجل RA4، إذا لهذه الرجل وظيفة عامة (دخل أو خرج) ووظيفة خاصة (عد النبضات الواردة إلى هذه الرجل) ويمكن ضبط الوظيفة المطلوبة برمجيًا.
• لا يمكنه التعامل مع اﻹشارات التماثلية مباشرة أي لا يحتوي على أرجل مهيأة للتعامل مع القيم التماثلية ويحتاج إلى عنصر خارجي يُدعى محوّل تماثلي رقمي.
• يدعم الاتصال التسلسلي مع الحاسب وبعض التجهيزات اﻷخرى.
• ذاكرة برنامج مقدارها 2048 بايت وذاكرة عشوائية للعمل مقدارها 64 بايت.
• يبرمج باستخدام لغة خاصة به كما يبرمج باستخدام لغة C.

لتوصيل المتحكم إلى دائرة إلكترونية اتبع الخطوات التالية:

• صل الرجل رقم 14 إلى منبع تغذية موجب بين 3 إلى 5 فولط، يمكنك بالطبع استخدام منظم الجهد 7805 الذي تحدثنا عنه في تطبيق عملي سابق، لأنه من الضروري تنظيم الجهد الواصل إلى المتحكم وإزالة أية آثار للضجيج.
• صل الرجل رقم 5 باﻷرضي (المسرى السالب).
• صل مهتز كريستالي تردده 2 ميغا هرتز مثلًا بين الرجلين 15 و 16 ثم صل كل رجل للمهتز بالمسرى السالب من خلال مكثف عدسي 20 نانو فاراد. هذا المهتز هو من سيحدد سرعة عمل المتحكم ويضبط توقيت العمل.
• صل الرجل رقم 4 بالمسرى الموجب.

في هذه اللحظة سيدخل المتحكم في مرحلة اﻹقلاع وصولًا إلى مرحلة تنفيذ البرنامج الذي حمّلناه مسبقًا إلى ذاكرته.

كتابة برنامج للمتحكم وتحميله

لا بد قبل كل شيء من تعلّم لغة برمجة، وخاصة C أو ++C أو بايثون حتى تستطيع التفكير بطريقة برمجية إضافة إلى فهم صياغة الشيفرة. وعليك أن تعرف أن تعاملك في المتحكمات سيكون مع اﻷرجل أو مع وحدات الاتصال.

• عندما تحدد أحد اﻷرجل على أنه رجل خرج، سيمر تيار له نفس جهد التغذية وشدة أقصاها 25 ميلي أمبير إلى العنصر الذي تريده وذلك في حال أعطيته القيمة المنطقية 1.
• إن حددت أحد الأرجل على أنها رجل دخل، سيترقب المعالج بشكل مستمر وصول تيار جهده يماثل جهد التغذية إلى هذه الرجل ثم ينفّذ عملًا معينًا إذا حدث ذلك.
• إن أردت من رجل ذات وظيفة خاصة أن تنفّذ هذه الوظيفة، عليك أن تحدد ذلك في البرنامج.
• توضع الشيفرة كلها ضمن كتلة يعيد المتحكم تنفيذها باستمرار وينتقل من تعليمة إلى التي تليها بشكل متسلسل.

لنحاول أن نكتب برنامجًا بسيطًا للمتحكم PIC16F84A ينتظر ورود إشارة على الرجل RA0 ثم يجعل الأضواء الموصولة مع اﻷرجل RA1, RA2, RA3 تعمل بالتناوب لمرة واحد على أن يكون هناك فاصل زمني بين كل منها مقداره 2 ثانية ثم تنطفئ.

إليك البرنامج:

#include <16F877A.h> // لاستخدام الميزات الخاصة بالمتحكم المطلوب
#use delay(clock=2000000) // اختيار سرعة المعالج بالهرتز ويماثل تردد الهزاز الكريستالي
void main() {
    /* نضع في هذه الكتلة تعليمات برنامج المتحكم الذي يكررهابشكل مستمر
                                                طالما أنه في حالة عمل  
   */
   if(input_state(pin_a0)){
      /*ستُنفَّذ التعليمات التالية RA0 إذا وصل تيار جهد 5 فولط إلى الرجل */
       output_high(pin_a1);//ٌ لتمرر تيارًا إلى المؤشر الضوئي RA1 تفعيل الرجل 
       delay_ms(2000);// الانتظار مدة 2000 ميلي ثانية أي ثانيتين
       output_high(pin_a2);// لتمرر تيارًا إلى المؤشر الضوئي RA2 تفعيل الرجل 
       delay_ms(2000);// الانتظار مدة 2000 ميلي ثانية أي ثانيتين
       output_high(pin_a3);// لتمرر تيارًا إلى المؤشر الضوئي RA3 تفعيل الرجل 
       delay_ms(2000);// الانتظار مدة 2000 ميلي ثانية أي ثانيتين
       output_low(pin_a1);//وإطفاء المؤشر الضوئي RA1 قطع التيار عن الرجل 
       output_low(pin_a2);//وإطفاء المؤشر الضوئي RA2 قطع التيار عن الرجل 
       output_low(pin_a3);//وإطفاء المؤشر الضوئي RA3 قطع التيار عن الرجل 
   }; 
}

يُكتب هذا البرنامج ضمن أي محرر نصي ثم يُستخدم برنامج حاسوبي لتحويله إلى شكل يفهمه المتحكم وهو الترميز المنطقي بالأصفار 0 والواحدات 1 وتكون النتيجة ملف له الامتداد hex..

نحتاج بعد ذلك إلى تجهيزة خاصة تُدعى مبرمجة مهمتها نقل الملف السابق من الحاسوب إلى المتحكم، وستجد أنواعًا مختلفة من المبرمجات يخصص كل منها لعائلة أو أكثر من المتحكمات ويأتي مع كل مبرمجة التوصيلات الخاصة مع الحاسوب وبرنامج نقل ملف الشيفرة ودليل الاستعمال. وهذا الموضوع بالطبع خارج نطاق هذا المقال ويتطلب مزيدًا من الشرح والتوضيح.

اقتباس

توجد لوحات إلكترونية مخصصة للتدريب على برمجة واستخدام المتحكمات الصغرية وتأتي مع تجهيزات وعناصر إلكترونية متنوعة مرّكبة وجاهزة للاستخدام وتكون قادرة على الاتصال مع الحاسوب عبر منفذ USB لبرمجة المعالج المركّب عليها، لكنها مخصصة لنوع محدد من المتحكمات أو لعدة متحكمات فقط من هذا النوع.

الخلاصة

هكذا نكون قد انتهينا من سلسلة هذه المقالات التي تحدّثت عن علم اﻹلكترونيات والدارات الإلكترونية انطلاقًا من المفاهيم اﻷساسية وصولًا إلى المتحكمات القابلة للبرمجة والتي تُعد نواةً للتحكم بالروبوتات والحواسب المصغرة وأجهزة التحكم الصناعي وغيرها الكثير. فإن رأيت أنك مهتم بما قرأت شاركنا رأيك في نقاش الصفحة ودعنا نساعدك في توضيح ما يُشكل عليك فهمه وتوجيهك نحو خطوات قادمة.

اقرأ أيضًا

• المقال السابق: أساسيات في عالم الإلكترونيات: تشكيل الدوائر اﻹلكترونية والعناصر الفعالة
• برمجة الروبوت: الدليل الشامل
• تجميع راسبيري باي والتحضير لاستخدامه
• تصميم وتنفيذ لعبة حسية تفاعلية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو
• تصميم وتنفيذ آلة موسيقية باستخدام لوحة راسبيري باي بيكو