Ein Mikrocontroller ist ein winzig kleiner Rechner, der alle wichtigen Bauteile auf einem Chip vereinigt hat, wie
Taktgeber, Recheneinheit, Programm- und Datenspeicher, um nur die wichtigsten zu nennen.Des weiteren sind, je nach Typ des PICs, nach einer Art Baukasten-Prinzip verschiedene weitere Baugruppen auf dem Chip integriert, z.B. ein A/D-Wandler.
Hier rechts sehen Sie so einen PIC. Er trägt ein selbstgefertigtes Schildchen, damit man weiß, was für ein Programm in ihm steckt. Der eigentliche Typ, PIC12F629-I/P, ist hier uninteressant. Es gibt PICs natürlich auch in SMD-Bauform mit entsprechend kleineren Abmessungen.
Zum Unterschied dazu ist ein Mikroprozessor, wie er z.B. in PCs verbaut ist, allein nicht lebensfähig, da in ihm praktisch nur die oben genannte Recheneinheit integriert ist; die aber weitaus umfangreichere mathematische Fähigkeiten besitzt.
Es gibt viele Hersteller ähnlicher elektronischer Bauelemente. Wie wir schon auf unseren einführenden Seiten geschrieben haben: wir stellen keine Bewertung eines Produkts an, sondern beschreiben nur unsere Erfahrungen mit solchen Bauteilen, mit denen wir uns befaßt haben.
Wenn Sie schon einmal eine elektronische Schaltung entworfen haben, kennen Sie sicher die Probleme, die mit der Anordnung der Bauteile auf der Platine gehabt haben, nur, um möglichst wenige Brücken einlöten zu müssen. Die einzelnen Gatter sitzen (natürlich immer) "falsch herum" in den Bauelementen. Und das gibt dann "Knoten" in der Leiterbahnführung.
Oder: Sie haben alles fast fix und fertig und auch schon die Platine geätzt und bestückt, und stellen dann beim Testen fest, daß Sie einen Gedankenfehler im Entwurf gemacht haben; dann können Sie fast alles, was Sie bisher an Arbeit in die Realisierung gesteckt haben, wegwerfen und noch einmal (fast) ganz von vorn anfangen.
Oder: Sie betrachten Ihren Entwurf und stellen fest, "so viele Bauelemente für so eine popelige Funktion?"
Dann kommt auch bei Ihnen der Wunsch auf, "geht das nicht vielleicht auch einfacher?"
Ja, sicher.
Die Lösung für solche Probleme sind Mikrocontroller, die allerdings mit den bisher beschriebenen Problemchen reichlich unterfordert sind; merke: unterfordert!!
Sie haben den immensen Vorteil, daß sie extrem flexibel sind: Sie als Designer können bestimmen, wo am sinnvollsten die Ein- und Ausgänge liegen, was das Layout wesentlich vereinfacht; Sie können komplizierteste logische Verknüpfungen, für die Sie viele Bausteine einbauen müßten, in den Microcontoller legen, so daß Ihr Aufwand an Bauteilen mit einmal fast erschreckend gering wird; und Sie können Änderungen in Ihrer Logik durch Änderungen innerhalb des Microcontrollers (also in der Software) vornehmen, ohne deswegen gleich eine neue Platine anfertigen zu müssen.
Ein Microcontroller macht alles nacheinander (Programmablauf), aber nie etwas gleichzeitig. Das kann von immensem Vorteil sein, wenn es mal ganz komplex wird. Das "Nacheinander" bewegt sich im Bereich von Mikrosekunden, so daß dies von außen normalerweise nicht bemerkt wird.
Und er hat eine Start-Phase (direkt nach dem Einschalten), wo er völlg andere Sachen machen kann als im normalen Betrieb. Das haben wir bei der Fahrzeugerkennung ausgenutzt.
Diese fast unendliche Flexibilität hat natürlich auch Nachteile:
Sie müssen diese Bausteine programmieren, d.h. Sie müssen ihnen "sagen", wo die Ein- und Ausgänge hin sollen, oder was sie mit den Eingängen anstellen sollen und wie sie die Ausgänge schalten sollen. Von alleine wissen sie das nicht!
Keine Panik!
Bevor Sie nun sagen, "das schaffe ich nicht", versuchen Sie, langsam und mit viel Neugier an die neuen Bauteile heranzugehen. Es gibt im Internet eine wunderbare Seite von sprut, der in aller Ausführlichkeit (fast 200 Seiten) PICs beschreibt und praktisch alle Fragen beantwortet.
Des weiteren gibt es von microchip ein Programm (kostenlos) für den PC, mit dem man Software für einen PIC erstellen kann. Natürlich kann mit diesem Programm auch der Ablauf im PIC simuliert werden und somit Fehler erkannt und beseitigt werden.
Das Bindeglied zwischen PC und PIC ist ein sogenannter Brenner, der an den PC über einen USB-Port angeschlossen wird. In diesen Brenner wird der PIC zum Progammieren gesteckt.
Was ein PIC noch kann:
Er kann, ohne externe Bauelemente, wunderbar mit Zeiten umgehen:
- präzise Zeitverzögerungen von µs bis in den Stundenbereich bewirken
- Kontakte entprellen
- präzise Impulse erzeugen
- und natürlich komplexe Steuerungen vornehmen
Wobei ein PIC Probleme hat:
- beim Rechnen: Multiplizieren und Dividieren sind nur bei sehr großen PICs möglich
- bei den Zahlen: ohne Probleme geht's nur bis 255
Beim MEC sind inzwischen folgende Steuerungen mit PIC gebaut worden:
- Lichtsignal-Steuerung
- Blocksteuerung
- autarkes Haus (Lichtsteuerung)
- Weichenstraßensteuerung (Bahn)
- Schattenbahnhofssteuerung (Bahn)
- Anzahl belegter Gleise
- Weichenantrieb mit Servo
- Dimmen der Anlagenbeleuchtung
- Fotografen mit Blitzlicht
In Arbeit sind:
- Fahrzeugerkennung (Autos)
- Fahrstraßensteuerung (Autos)
- Infrarotsteuerung für das Faller-Car-System
Insgesamt sind ca. 150 PICs verbaut worden; die Anzahl steigt ständig.
Zu den Kosten:
Ein PIC ist ab 60 ct zu haben, und für einen einfachen Brenner zahlen Sie ca. 20 €.
Zeit für den Einstieg brauchen Sie allerdings viel; und bis das erste Programm richtig läuft, noch einmal so lange. Für Ungeduldige ist es also nichts.
Aber für Geduldige und Neugierige erschließt sich ein wunderbares neues Betätigungsfeld!
Motivation, es mal zu versuchen:
In Tips&Tricks 21 hatten wir eine Idee vorgestellt, wie man bei Lichtsignalen einen weichen Lichtwechsel vornehmen könnte. Gleiches ist auch mit einem PIC (mit 8 Pins) zu bewerkstelligen, der dort ein IC mit 14 Pins, 5 Widerstände, 4 Kondensatoren und 2 Transistoren ersetzt. Er selber braucht evtl. einen Spannungsregler für 5 Volt. Da, wie meistens, der PIC hierbei unterfordert ist, kann dieser kleine Riesenzwerg auch noch ein Vorsignal schalten (natürlich zeitversetzt wie im Vorbild) und auch noch ein weiteres Vorsignal, das am Mast des Hauptsignals sitzt, bei Hp0 dunkelsteuern. Natürlich wird dieses beim Umschalten von Hp0 auf Hp1 zuerst hellgeschaltet, wie im Vorbild. Das Dimmen aller LEDs geschieht mit einer Pulsweitenmodulation, kein Problem für einen PIC: für so etwas ist er gebaut.
Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner