ไมโครคอนโทรลเลอร์, Sensor และ Actuator

ในระบบสมองกลฝังตัว (Embedded System) หรือระบบควบคุมอัตโนมัติ มักจะมีองค์ประกอบหลักๆ ที่ทำงานร่วมกันคือ ไมโครคอนโทรลเลอร์, Sensor และ Actuator ซึ่งมีความสัมพันธ์กันดังนี้

1. การใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller)

ไมโครคอนโทรลเลอร์ คืออะไร: เป็นชิปวงจรรวม (Integrated Circuit – IC) ขนาดเล็ก ที่รวมเอาหน่วยประมวลผลกลาง (CPU), หน่วยความจำ (ทั้งหน่วยความจำสำหรับเก็บโปรแกรม เช่น Flash Memory และหน่วยความจำสำหรับพักข้อมูลขณะทำงาน เช่น RAM) และส่วนอินพุต/เอาต์พุต (I/O Ports) เข้ามาไว้ในชิปตัวเดียว เปรียบเสมือนเป็น “สมอง” หรือ “ตัวควบคุมหลัก” ของระบบ

การใช้งาน: มีหน้าที่หลักในการ ประมวลผล และ ควบคุม โดยจะทำตามโปรแกรม (ชุดคำสั่ง) ที่เราเขียนและอัปโหลดเข้าไปในตัวมัน หน้าที่พื้นฐานคือ:

• รับข้อมูลจากภายนอก: โดยส่วนใหญ่จะรับข้อมูลที่เป็นสัญญาณไฟฟ้าผ่านทางขาอินพุต (Input Pins) ซึ่งมักจะมาจาก Sensor
• ประมวลผลข้อมูล: นำข้อมูลที่ได้รับมา คิดวิเคราะห์ คำนวณ หรือตัดสินใจตามตรรกะของโปรแกรมที่เขียนไว้
• ส่งคำสั่งออกไป: ส่งสัญญาณไฟฟ้าออกไปทางขาเอาต์พุต (Output Pins) เพื่อสั่งการให้อุปกรณ์ภายนอกทำงาน ซึ่งส่วนใหญ่อุปกรณ์ที่รับคำสั่งและลงมือทำนี้คือ Actuator
• ทำงานวนซ้ำ: ไมโครคอนโทรลเลอร์จะทำงานตามโปรแกรมในลักษณะ Loop คือ ทำงานตามขั้นตอนไปเรื่อยๆ และวนกลับมาทำซ้ำใหม่ เพื่อให้ระบบสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของข้อมูลอินพุตได้ตลอดเวลา

ไมโครคอนโทรลเลอร์ถูกใช้งานอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ที่เราใช้ในชีวิตประจำวัน เช่น เครื่องใช้ไฟฟ้า (เครื่องซักผ้า, ไมโครเวฟ, ตู้เย็น), ของเล่นอิเล็กทรอนิกส์, ระบบควบคุมในรถยนต์, อุปกรณ์ทางการแพทย์, และในงานด้านอุตสาหกรรม

2. การใช้งาน Sensor

Sensor คืออะไร: คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ ตรวจจับ หรือ รับรู้ การเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมทางกายภาพ หรือสถานะของระบบ แล้ว แปลง สิ่งที่ตรวจจับได้นั้นให้อยู่ในรูปแบบของสัญญาณไฟฟ้าที่ไมโครคอนโทรลเลอร์สามารถอ่านและนำไปประมวลผลต่อได้ เปรียบเสมือนเป็น “ประสาทสัมผัส” ของระบบ

การใช้งาน: ทำหน้าที่เป็น “อินพุต” ให้กับไมโครคอนโทรลเลอร์ เพื่อให้ไมโครคอนโทรลเลอร์รู้ว่าเกิดอะไรขึ้นในโลกภายนอก หรือสถานะปัจจุบันของสิ่งที่ต้องการควบคุมเป็นอย่างไร เช่น:

• Sensor วัดอุณหภูมิ: บอกว่าขณะนี้มีอุณหภูมิเท่าใด
• Sensor วัดแสง: บอกว่ามีความเข้มแสงเท่าใด
• Sensor ตรวจจับความเคลื่อนไหว: บอกว่ามีการเคลื่อนไหวเกิดขึ้นหรือไม่
• Sensor วัดระยะทาง: บอกว่าวัตถุอยู่ห่างออกไปเท่าใด
• Sensor วัดความเร็วรอบ: บอกว่ามอเตอร์หมุนด้วยความเร็วเท่าใด

สัญญาณที่ได้จาก Sensor อาจเป็นสัญญาณ Analog (ค่าเปลี่ยนแปลงได้ต่อเนื่อง เช่น แรงดันไฟฟ้า) หรือสัญญาณ Digital (ค่าเป็น 0 หรือ 1 เช่น มีแสง/ไม่มีแสง)

3. การใช้งาน Actuator และอุปกรณ์ที่เป็น Actuator

Actuator คืออะไร: คืออุปกรณ์ที่ทำหน้าที่ รับสัญญาณคำสั่ง จากไมโครคอนโทรลเลอร์ (ซึ่งเป็นผลลัพธ์จากการประมวลผล) แล้ว แปลงสัญญาณนั้นให้เป็นการกระทำทางกายภาพ ที่ส่งผลต่อสิ่งแวดล้อมภายนอก หรือเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบ เปรียบเสมือนเป็น “กล้ามเนื้อ” หรือส่วนที่ “ลงมือทำ” ตามคำสั่งจากสมอง (ไมโครคอนโทรลเลอร์)

การใช้งาน: ทำหน้าที่เป็น “เอาต์พุต” ที่ไมโครคอนโทรลเลอร์ใช้ในการควบคุมหรือเปลี่ยนแปลงระบบ เพื่อให้ระบบทำงานตามที่ต้องการ เช่น:

• ถ้า Sensor วัดอุณหภูมิได้ต่ำกว่า Setpoint (อุณหภูมิที่ต้องการ) ไมโครคอนโทรลเลอร์ก็จะสั่งให้ Actuator (เช่น ฮีตเตอร์) ทำงาน
• ถ้า Sensor ตรวจจับวัตถุได้ในระยะใกล้เกินไป ไมโครคอนโทรลเลอร์ก็จะสั่งให้ Actuator (เช่น มอเตอร์) หยุดทำงาน

อุปกรณ์ที่จัดเป็น Actuator มีหลากหลายประเภทมาก ขึ้นอยู่กับลักษณะของการกระทำที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น:

• มอเตอร์ไฟฟ้า (Electric Motors):
  • มอเตอร์กระแสตรง (DC Motor): แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกลแบบการหมุน ใช้ในการขับเคลื่อน, พัดลม
  • สเต็ปเปอร์มอเตอร์ (Stepper Motor): หมุนเป็นขั้นๆ ควบคุมตำแหน่งได้แม่นยำ ใช้ในเครื่องพิมพ์ 3D, เครื่อง CNC
  • เซอร์โวมอเตอร์ (Servo Motor): ควบคุมตำแหน่งการหมุนเป็นมุมต่างๆ ได้แม่นยำ ใช้ในแขนกล, หุ่นยนต์
• โซลินอยด์ (Solenoid): สร้างแรงผลักหรือดึงในแนวตรง เมื่อได้รับกระแสไฟฟ้า ใช้ในวาล์วไฟฟ้า, ล็อคประตูไฟฟ้า
• รีเลย์ (Relay) และ Solid State Relay (SSR): ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ที่ควบคุมด้วยไฟฟ้า ใช้เปิด-ปิดวงจรไฟฟ้าที่มีกำลังสูงกว่าที่ไมโครคอนโทรลเลอร์จะควบคุมได้โดยตรง ใช้ควบคุมไฟบ้าน, ฮีตเตอร์, มอเตอร์ AC
• หลอด LED (Light Emitting Diode): แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นแสง ใช้เป็นไฟแสดงสถานะ, ไฟส่องสว่าง
• ลำโพง (Speaker) หรือ Buzzer: แปลงสัญญาณไฟฟ้าเป็นคลื่นเสียง
• ฮีตเตอร์ (Heating Element): แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นความร้อน
• วาล์วไฟฟ้า (Electric Valve): ควบคุมการไหลของของเหลวหรือก๊าซด้วยการใช้ไฟฟ้าสั่งการ
• ปั๊ม (Pump): สูบหรือดันของเหลว

โดยสรุปแล้ว ไมโครคอนโทรลเลอร์คือสมองที่รับข้อมูลจาก Sensor (ประสาทสัมผัส) มาประมวลผล แล้วส่งคำสั่งออกไปให้ Actuator (กล้ามเนื้อ) ทำงาน ทำให้เกิดเป็นระบบที่สามารถรับรู้สิ่งต่างๆ และตอบสนองได้อย่างอัตโนมัติครับ