Vi điều khiển là gì? Cấu trúc vi điều khiển? Phân loại vi điều khiển? Yêu cầu cần đạt khi học vi điều khiển Công nghệ lớp 12?

Nội dung chính

• Vi điều khiển là gì? Cấu trúc vi điều khiển? Phân loại vi điều khiển? Ứng dụng vi điều khiển?
• Những yêu cầu cần đạt khi học vi điều khiển Công nghệ lớp 12 là gì?
• Mục tiêu môn Công nghệ trong chương trình giáo dục cấp trung học phổ thông là gì?

Vi điều khiển là gì? Cấu trúc vi điều khiển? Phân loại vi điều khiển? Ứng dụng vi điều khiển?

Vi điều khiển (Microcontroller – MCU) là một mạch tích hợp (IC) được thiết kế để điều khiển các thiết bị và hệ thống điện tử. Nó bao gồm bộ vi xử lý (CPU), bộ nhớ (RAM, ROM, EEPROM, Flash) và các thiết bị ngoại vi (cổng I/O, bộ định thời, bộ chuyển đổi ADC/DAC, giao tiếp truyền thông như UART, SPI, I2C…) trên cùng một con chip.

Vi điều khiển hoạt động như một máy tính nhỏ gọn, có khả năng thực thi các chương trình được lập trình sẵn để điều khiển các thiết bị điện tử mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.

Cấu trúc vi điều khiển:

(1) Bộ xử lý trung tâm (CPU – Central Processing Unit): Là bộ phận quan trọng nhất, đóng vai trò điều khiển và xử lý dữ liệu.

Gồm hai phần chính:

- Bộ điều khiển (CU – Control Unit): Giám sát và điều phối hoạt động của vi điều khiển.

- Bộ số học – logic (ALU – Arithmetic Logic Unit): Thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ…) và logic (AND, OR, XOR…).

(2) Bộ nhớ (Memory): Vi điều khiển có ba loại bộ nhớ chính:

- Bộ nhớ chương trình (ROM, Flash ROM): Lưu trữ chương trình điều khiển.

- Bộ nhớ dữ liệu (RAM): Lưu trữ dữ liệu tạm thời trong quá trình thực thi chương trình.

- Bộ nhớ EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory): Lưu trữ dữ liệu lâu dài ngay cả khi mất điện.

(3) Các cổng vào/ra (I/O Ports)

- Cổng vào (Input): Nhận tín hiệu từ các cảm biến, nút nhấn, bàn phím.

- Cổng ra (Output): Điều khiển đèn LED, động cơ, màn hình hiển thị…

- Cổng vào/ra đa chức năng (GPIO - General Purpose Input/Output): Có thể cấu hình làm đầu vào hoặc đầu ra theo nhu cầu.

(4) Bộ định thời và bộ đếm (Timer & Counter)

- Bộ định thời (Timer): Tạo trễ thời gian hoặc phát tín hiệu xung.

- Bộ đếm (Counter): Đếm số lần xuất hiện của một sự kiện (ví dụ: số lần nhấn nút).

(5) Các giao tiếp truyền thông (Communication Interfaces)

- UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter): Giao tiếp nối tiếp, thường dùng để kết nối với máy tính.

- SPI (Serial Peripheral Interface): Truyền dữ liệu tốc độ cao giữa vi điều khiển và các thiết bị ngoại vi.

- I2C (Inter-Integrated Circuit): Giao tiếp với nhiều cảm biến hoặc bộ nhớ ngoài thông qua hai dây (SDA, SCL).

(6) Bộ chuyển đổi tín hiệu (ADC/DAC)

- ADC (Analog to Digital Converter): Chuyển đổi tín hiệu tương tự từ cảm biến thành tín hiệu số.

- DAC (Digital to Analog Converter): Chuyển đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự.

(7) Bộ nguồn và mạch tạo xung (Clock & Power Supply)

- Nguồn điện: Vi điều khiển thường hoạt động ở mức 5V hoặc 3.3V.

- Mạch tạo xung (Oscillator): Cung cấp tín hiệu xung nhịp giúp vi điều khiển hoạt động chính xác.

(8) Bộ xử lý ngắt (Interrupt Controller): Cho phép vi điều khiển phản hồi nhanh với các sự kiện quan trọng mà không cần kiểm tra liên tục.

Phân loại vi điều khiển:

Vi điều khiển có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau:

(1) Phân loại theo kiến trúc:

- Vi điều khiển 8-bit: Xử lý dữ liệu 8-bit mỗi chu kỳ, phổ biến trong các ứng dụng đơn giản như điều khiển thiết bị gia dụng. Ví dụ: ATmega328P (Arduino Uno), PIC16F877A.

- Vi điều khiển 16-bit: Xử lý dữ liệu 16-bit mỗi chu kỳ, có tốc độ và khả năng xử lý cao hơn. Ví dụ: MSP430 của Texas Instruments.

- Vi điều khiển 32-bit: Xử lý dữ liệu 32-bit mỗi chu kỳ, có hiệu suất cao, thường dùng trong các hệ thống phức tạp. Ví dụ: STM32, ESP32, ARM Cortex-M.

(2) Phân loại theo tập lệnh:

- Kiến trúc CISC (Complex Instruction Set Computing): Cung cấp nhiều lệnh phức tạp, dễ lập trình nhưng tốc độ xử lý chậm hơn. Ví dụ: Intel 8051, PIC.

- Kiến trúc RISC (Reduced Instruction Set Computing): Lệnh đơn giản, tốc độ xử lý nhanh hơn. Ví dụ: ARM Cortex-M, AVR.

(3) Phân loại theo nhà sản xuất:

- Atmel (nay thuộc Microchip): ATmega, ATtiny, dòng AVR.

- Microchip: PIC10, PIC12, PIC16, PIC32.

- STMicroelectronics: STM8, STM32 (ARM Cortex-M).

- Texas Instruments (TI): MSP430, TIVA-C.

- Espressif: ESP8266, ESP32 (Wi-Fi & Bluetooth).

(4) Phân loại theo ứng dụng:

- Vi điều khiển dùng trong thiết bị nhúng: Điều khiển thiết bị gia dụng, ô tô, hệ thống giám sát.

- Vi điều khiển dùng trong hệ thống IoT: ESP8266, ESP32, hỗ trợ Wi-Fi, Bluetooth.

- Vi điều khiển dùng trong công nghiệp: STM32, PIC32, TIVA-C, sử dụng trong robot, hệ thống tự động hóa.

Ứng dụng vi điều khiển:

(1) Trong thiết bị gia dụng

- Điều khiển máy giặt, lò vi sóng, máy lạnh, tivi.

- Hệ thống đèn LED thông minh, cảm biến tự động.

(2) Trong IoT (Internet of Things)

- Hệ thống nhà thông minh: Điều khiển đèn, quạt, cửa cuốn bằng điện thoại.

- Thiết bị đeo thông minh như smartwatch, vòng đeo tay theo dõi sức khỏe.

(3) Trong tự động hóa công nghiệp

- Điều khiển robot công nghiệp, dây chuyền sản xuất tự động.

- Hệ thống giám sát và điều khiển từ xa.

(4) Trong ô tô và hàng không

- Hệ thống phanh ABS, túi khí, kiểm soát động cơ xe hơi.

- Điều khiển máy bay không người lái (drone).

(5) Trong y tế

Máy đo huyết áp, đo nhịp tim, máy trợ tim.

Robot hỗ trợ phẫu thuật.

(6) Trong giáo dục và nghiên cứu

- Arduino, Raspberry Pi, ESP32 dùng để học lập trình, phát triển ứng dụng nhúng.

- Các dự án khoa học, nghiên cứu AI nhúng, điều khiển robot.

Lưu ý: Nội dung trên chỉ mang tính chất tham khảo

Vi điều khiển là gì? Cấu trúc vi điều khiển? Phân loại vi điều khiển? Yêu cầu cần đạt khi học vi điều khiển Công nghệ lớp 12? (Hình từ internet)

Những yêu cầu cần đạt khi học vi điều khiển Công nghệ lớp 12 là gì?

Căn cứ theo quy định tại Chương trình Giáo dục phổ thông môn Công nghệ ban hành kèm theo Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT quy định những yêu cầu cần đạt khi học vi điều khiển Công nghệ lớp 12 như sau:

(1) Trình bày được khái niệm, phân loại và ứng dụng của vi điều khiển.

(2) Vẽ và giải thích được sơ đồ chức năng của vi điều khiển.

(3) Mô tả được cấu trúc, ứng dụng và công cụ lập trình của một bo mạch lập trình vi điều khiển.

(4) Thiết kế, lắp ráp, kiểm tra được mạch điện tử ứng dụng dùng bo mạch lập trình vi điều khiển.

Mục tiêu môn Công nghệ trong chương trình giáo dục cấp trung học phổ thông là gì?

Căn cứ theo quy định tại Chương trình Giáo dục phổ thông môn Công nghệ ban hành kèm theo Thông tư 32/2018/TT-BGDĐT quy định mục tiêu môn Công nghệ trong chương trình giáo dục cấp trung học phổ thông như sau:

Giáo dục công nghệ ở cấp trung học phổ thông tiếp tục phát triển năng lực công nghệ mà học sinh đã tích luỹ được sau khi kết thúc trung học cơ sở; rèn luyện ý thức lao động, tác phong công nghiệp cho học sinh. Kết thúc trung học phổ thông, học sinh có hiểu biết đại cương và định hướng nghề về công nghệ thông qua các nội dung: thiết kế và công nghệ, công nghệ cơ khí, công nghệ điện - điện tử (đối với định hướng Công nghiệp); công nghệ trồng trọt, công nghệ chăn nuôi, lâm nghiệp và thuỷ sản (đối với định hướng Nông nghiệp); có năng lực công nghệ phù hợp với các ngành nghề kĩ thuật, công nghệ thuộc định hướng Công nghiệp hoặc định hướng Nông nghiệp.