Ze zitten in je auto, in je magnetron, in je wasmachine, maar ook in je pc, en ze vormen het hart van de Arduino- en ESP32-ontwikkelbordjes: microcontrollers. Onzichtbaar op de achtergrond wordt bijna ons hele leven erdoor draaiende gehouden. Welke microcontrollers bestaan er en hoe werken ze precies?

Als je een maaltijd in je magnetron zet, kies je de juiste tijd en instellingen en zet je hem aan. Aan het einde zegt je magnetron ‘ping!’ en is je maaltijd opgewarmd.

Heb je je al eens afgevraagd hoe dat werkt? Eigenlijk zit er in je magnetron een hele (kleine) computer die een programmaatje afwerkt dat enerzijds reageert op de knoppen en anderzijds, als je dat hebt, op het lcd-scherm. Ook stuurt de computer de elektronenbuis aan die de maaltijd met microgolven verwarmt. Die kleine computer is een microcontroller. Je hebt er waarschijnlijk tientallen in huis.

Een microcontroller is een chip die eigenlijk een hele computer in één pakket behuist. Daarin zitten een processor, geheugen (ram en rom) en allerlei poorten naar de buitenwereld. Terwijl je bij een gemiddelde processor voor je desktopcomputer dus nog een heel moederbord, ram-geheugen en storage nodig hebt om er iets nuttigs mee te doen, heb je bij een microcontroller slechts een beperkt aantal externe componenten nodig. Wat weerstanden en condensatoren zijn doorgaans voldoende voor een werkende microcontroller-opstelling.

Die verregaande integratie in een microcontroller is mogelijk omdat dit geen chip is voor flexibele apparaten, zoals pc’s. Microcontrollers zijn ontworpen om specifieke toepassingen uit te voeren, zoals in een magnetron, een pinautomaat, een wasmachine of een pacemaker. Een laag stroomverbruik en een lage kostprijs zijn voor die toepassingen belangrijk.

Lage prestaties met hoge impact

Low-end microcontrollers hebben dan ook een processorsnelheid van maar enkele MHz en slechts enkele kilobytes ram-geheugen. Kijk bijvoorbeeld naar de Arduino Uno, een populair ontwikkelbordje om mee te experimenteren. De microcontroller op dat bordje is de AVR ATmega328P. Die werkt op een kloksnelheid van 16 MHz, heeft 2 KB sram, 1 KB eeprom en 32 KB flashgeheugen.

Vergeleken met de gigahertzen, gigabytes en terabytes die we op onze pc’s gewend zijn, lijken die specificaties ondermaats. Maar toch kun je hiermee ongelooflijk veel projecten aansturen: muziekinstrumenten, robotautootjes, weerstations, je planten automatisch water geven... Je kunt het zo gek niet bedenken of iemand heeft het al weleens met die kleine ATmega328P gedaan.

Pinnetjes

Als je een low-end microcontroller zoals een ATmega328P van een Arduino Uno ziet, is het eerste wat opvalt de pinnetjes die eruit steken. Elk van die pinnetjes heeft een functie. Sommige sluit je aan op een voeding, zodat de chip stroom krijgt, maar de meeste dienen om met de omgeving te communiceren.

Komt de chip in een dip-behuizing, dan kun je die pinnetjes eenvoudigweg in een breadboard prikken. Door dan jumperwires in een gaatje in dezelfde rij als een pin te steken, verbind je het draadje met die pin. Op die manier bouw je eenvoudig elektronische schakelingen op met componenten die met de microcontroller kunnen communiceren.

Een Arduino Uno-bordje is dan eigenlijk gewoon een printplaatje waarop de ATmega328P is geplaatst en alle pinnetjes verbonden zijn met ofwel de headers op het bordje, ofwel met andere componenten van het printplaatje, zoals de spanningsregelaar, statusleds en de resetknop. Je kunt het eigenlijk vergelijken met een moederbord voor een processor: een Arduino Uno maakt een ATmega328P-microcontroller alleen wat handiger om te gebruiken en om andere componenten op aan te sluiten.

©PXimport

De eenvoudigste manier om met een microcontroller te communiceren is wat we GPIO noemen (general-purpose input/output). Elke GPIO-pin kunnen we aansturen door een bit op een specifiek adres in het geheugen van de microcontroller op 1 of 0 te zetten. Schrijven we er 1 naar, dan wordt een spanning van bijvoorbeeld 5 V over de pin gelegd; schrijven we er 0 naar, dan wordt de spanning 0 V.

Als je dan bijvoorbeeld tussen die pin en 0 V een led en een weerstand plaatst, gaat de led aan wanneer je 1 naar de pin schrijft en uit wanneer je er 0 naar schrijft. Bij een 1 vloeit er immers een stroom van 5 V naar 0 V. De weerstand dient om de stroom te beperken tot wat de led aankan.

Ook in de andere richting werkt dat. Als je de GPIO-pin als invoer configureert, zal de microcontroller de spanning die je aan de pin aanlegt (5 V of 0 V) interpreteren als een 1 of 0. Op die manier sluit je een knop aan op de pin. Druk je de knop in, dan maakt die intern een verbinding tussen 5 V en de pin van de microcontroller, waardoor die een 1 registreert. 

Laat je de knop los, dan wordt er doorgaans via een pull-downweerstand voor gezorgd dat de pin verbonden is met 0 V en dus een 0 registreert. Op dezelfde manier sluit je een PIR-sensor voor aanwezigheidsdetectie aan: de pin registreert dan 1 als de sensor iemand waarneemt en anders 0.

Protocols en bussen

Telkens 1 bit in of uit de microcontroller sturen, is voldoende voor eenvoudige toepassingen, maar vaak heb je complexere vormen van communicatie nodig. Daarvoor zijn er allerlei protocollen ontwikkeld. Bijvoorbeeld UART (universal asynchronous receiver-transmitter), een protocol voor seriële communicatie waarbij je bytes in twee richtingen kunt sturen. 

Het protocol beschrijft hoe je de opeenvolgende bits moet sturen. Zo bestaan er UART-modules die je in een usb-poort van je pc kunt steken. Communiceren met de microcontroller doe je dan door de RX-pin van de microcontroller met de TX-pin van de UART-module te verbinden en andersom: RX staat voor receive en TX voor transmit.

Voor communicatie met meerdere componenten, zoals sensoren, externe geheugens en schermen, maak je meestal gebruik van een bus zoals I²C (Inter-Integrated Circuit, uitgevonden door Philips) en SPI (Serial Peripheral Interface). I²C wordt ook wel Two-Wire genoemd, omdat er twee pinnen worden gebruikt: SDA om de seriële data door te sturen en SCL om een kloksignaal te sturen. 

SPI (ook weleens Four-Wire genoemd) heeft vier pinnen: SCLK voor de klok, MOSI voor communicatie van de master (meestal de microcontroller) naar de slave en MISO voor de andere richting, en SS om te selecteren met welke slave de master spreekt. Voor elke slave heb je een extra pin SS nodig. Bij de meeste microcontrollers zijn er specifieke pinnen aanwezig voor UART, I²C en SPI.

©PXimport

Digitaal of analoog

Tot nu toe hebben we het alleen maar over 0 en 1 gehad, digitale gegevens dus. Maar heel wat sensoren geven analoge gegevens door, bijvoorbeeld een temperatuursensor of druksensor waarvan de weerstand varieert met de gemeten waarde. Met een spanningsdeler haal je uit die variabele weerstand een variabele spanning, die dus een analoge voorstelling van de meetwaarde is. 

Gelukkig bestaat er een component die een analoge waarde (bijvoorbeeld een spanning) kan omzetten naar een digitale waarde (bijvoorbeeld een 10bit-getal): de ADC (analoog-digitaalomzetter).

ADC’s bestaan als losse componenten (bijvoorbeeld via I²C of SPI aan te sluiten), maar veel microcontrollers hebben ook zelf een of meer ADC’S ingebouwd. Ook in de andere richting bestaat er een component: de DAC (digitaal-analoogomzetter) zet een digitale waarde (bijvoorbeeld een 10bit-getal) om in een analoge waarde (bijvoorbeeld een spanning van 0 tot de voedingsspanning).

Sommige microcontrollers hebben ook een DAC ingebouwd. Al met al zijn microcontrollers dus de perfecte componenten om de digitale en analoge wereld te verenigen. Een Raspberry Pi bijvoorbeeld heeft geen ADC ingebouwd, terwijl een Arduino-bordje er meerdere heeft.

Microcontrollerfamilies

Net zoals er voor pc’s allerlei processorfamilies bestaan, heb je ook diverse families van microcontrollers. De belangrijkste onderverdeling is op basis van de processorarchitectuur. Populair bij hobbyisten zijn de 8bit-AVR-microcontrollers van Atmel (in 2016 overgenomen door Microchip). Ze zijn onderverdeeld in twee subfamilies: de ATtiny-serie met minder pinnen, geheugen en functies (de basismodellen hebben zelfs geen ram-geheugen, UART, I²C en SPI) en de krachtigere ATmega-serie die in de meeste Arduino-bordjes zit.

Een familie die zowel bij hobbyisten als industriële ontwikkelaars populair is, zijn de PIC-microcontrollers, die al sinds 1976 meegaan. Hun populariteit is te danken aan hun lage kostprijs, brede beschikbaarheid en heel wat bestaande code.

Een andere populaire low-end microcontroller in de industrie is de 8051. Oorspronkelijk werd deze in 1980 door Intel ontwikkeld onder de naam MCS-51. In 2007 is Intel met de productie gestopt, maar tientallen andere chipfabrikanten produceren nog altijd hun eigen klonen van de 8051, vaak met een snellere klok en extra functies. Ze worden gebruikt in auto’s, meetsystemen, transceivers voor bluetooth, Zigbee en andere draadloze protocollen, in usb-sticks enzovoort.

©PXimport

Als je naar de krachtigere microcontrollers gaat, kom je bij 32- en 64bit-families uit. De laatste jaren hebben vooral de Xtensa-processors van Tensilica (in 2013 overgekocht door Cadence) een flinke opmars gemaakt. Het zijn immers de processors in de ESP8266- en ESP32-microcontrollers van het Chinese Espressif. Deze zijn populair bij hobbyisten door hun geïntegreerde wifi en (voor de ESP32) bluetooth, en omdat ze eenvoudig te programmeren zijn in de Arduino IDE of via frameworks als ESPHome. De bordjes gebouwd rond de microcontrollers van Espressif zijn dan ook populair voor doe-het-zelf-domotica.

Tot de krachtigste en flexibelste microcontrollers behoren die gebouwd rond de ARM-architectuur. De high-end versies daarvan vind je in je smartphone en ook in computerbordjes zoals een Raspberry Pi, al spreken we dan meer van een SoC. 

ARM kent veel subfamilies, maar voor de klassieke microcontrollertoepassingen zijn vooral de ARM Cortex-M-processors (32 bit) gebruikt. Die vind je bijvoorbeeld in de AT SAM-serie van Atmel die in de krachtigere Arduino-bordjes zitten, in de populaire STM32-familie van STMicroelectronics, en in de nRF-serie van Nordic Semiconductor voor draadloze toepassingen, zoals bluetooth en thread.

Ontwikkelbordjes

Voor industriële toepassingen wordt een printplaat op maat ontworpen, waarop een microcontroller staat. Maar wie zelf aan de slag wil met een microcontroller, heeft een ontwikkelbordje nodig. Dat geeft eenvoudig toegang tot de pinnen van de microcontroller via standaard pinheaders en voegt zaken zoals een spanningsregelaar en usb-naar-UART-omzetter toe, zodat je het bordje eenvoudig op je pc kunt aansluiten.

Voor elke microcontrollerfamilie bestaan er wel ontwikkelbordjes in allerlei vormen en groottes. Voor de AVR-familie zijn de Arduino-bordjes populair. Sommige daarvan, zoals de Arduino Nano, prik je op een breadboard, maar de meeste komen in een groter formaat met vrouwelijke pinheaders waarin je jumperwires steekt. 

Voor de Espressif-microcontrollers is het kleinere formaat dat je op een breadboard prikt alomtegenwoordig. Voor de nRF-serie heeft Nordic Semicondictor grote ontwikkelborden, maar ook versies in de vorm van een stick die je in de usb-poort van je pc schuift. Ook de BBC micro:bit en micro:bit v2 zijn leuke ontwikkelbordjes voor de nRF-microcontrollers.

©PXimport

Microcontroller programmeren

Kijken we tot slot nog even naar hoe het programmeren van een microcontroller werkt. Als je gewend bent om voor een pc of een computerbordje zoals een Raspberry Pi te programmeren, krijg je zeker een cultuurschok wanneer je voor het eerst een microcontroller programmeert. Doorgaans draait er immers geen besturingssysteem op een microcontroller. Er draait slechts één programma op: wat jij schrijft. 

Dat programma schrijf je in het ingebouwde flash-geheugen. Als je de stroom uitschakelt en weer inschakelt, begint de microcontroller het programma onmiddellijk uit te voeren. Dat maakt een microcontroller betrouwbaarder in werking dan een processorbordje zoals een Raspberry Pi.

De best ondersteunde programmeertalen op microcontrollers zijn C of C++, maar die zijn niet het toegankelijkst. Het Arduino-ecosysteem lost dat op door een standaardbibliotheek en allerlei uitbreidingen aan te bieden. Die vormen een laag bovenop het onderliggende C++. 

Andere oplossingen zijn MicroPython en CircuitPython die een afgeslankte versie van Python op microcontrollers aanbieden, en Espruino dat het mogelijk maakt om JavaScript op een microcontroller te gebruiken. Voor industriële toepassingen gebruik je eerder een realtime besturingssysteem zoals Zephyr, dat je in C programmeert.

Ontwikkelomgevingen

Om het proces van code programmeren en de firmware naar je microcontroller flashen te vereenvoudigen, bestaan er allerlei ontwikkelomgevingen. Die tonen bijvoorbeeld fouten in je code, compileren met één druk op een knop je code tot machinecode in de instructieset van de processor, en flashen de firmware naar je ontwikkelbordje. 

Programmeer je een Arduino-bordje, dan doe je dat doorgaans in de Arduino IDE (wat staat voor integrated development environment). Maar dankzij de ondersteuning van andere bordjes kun je met de Arduino IDE ook ESP8266- of ESP32-bordjes programmeren.

Ook populair is PlatformIO, een opensource-plug-in die van Microsofts ontwikkelomgeving Visual Studio Code een ontwikkelomgeving voor microcontrollers maakt. Het voordeel van PlatformIO is dat je met één ontwikkelomgeving voor diverse platforms en frameworks voor microcontrollers kunt ontwikkelen, inclusief Arduino, Espressifs framework en Zephyr. 

Visual Studio Code is bovendien ook bruikbaar om voor een Raspberry Pi of je pc te programmeren. Op deze manier verenig je dus al je programmeerprojecten in één omgeving.

Je staat in de parfumerie en ziet drie flacons die er bijna identiek uitzien. De naam is hetzelfde en het merk is hetzelfde, maar het prijsverschil tussen die drie is groot. Dat komt doordat er eigenlijk drie verschillende varianten zijn: parfum, eau de parfum en eau de toilette. Hoewel het verleidelijk is om simpelweg op het prijskaartje af te gaan, is het slim om te weten wat je precies koopt. De verschillen tussen die drie zijn namelijk groter dan je denkt. Hoe dat precies zit, lees je hier.

Om de juiste keuze te maken, moet je eerst begrijpen hoe een geur eigenlijk in elkaar zit. In de basis bestaat elk luchtje uit een mengsel van alcohol, water en geurstoffen (ook wel parfumolie genoemd). De alcohol fungeert als de drager: zodra je sprayt, verdampt de alcohol en blijven de geurstoffen achter op je huid. Het grote onderscheid tussen de verschillende varianten zit hem puur in de concentratie van die parfumolie. De vuistregel is simpel: hoe hoger het percentage geurstoffen, hoe intenser de geur is en hoe langer je er plezier van hebt.

Parfum (extrait de parfum)

Als we het in de volksmond hebben over 'parfum', bedoelen we vaak gewoon een lekker luchtje. Maar in de officiële termen is parfum (of extrait de parfum) de meest pure en kostbare variant die je kunt kopen. Met een concentratie aan geurstoffen die meestal tussen de 20 en 40 procent ligt, is dit de absolute topklasse.

Omdat de concentratie zo hoog is, bevat deze variant relatief weinig alcohol. Dit maakt puur parfum vaak een uitstekende keuze voor mensen met een gevoelige huid, omdat alcohol de huid kan uitdrogen. De geur is vol, diep en blijft met gemak de hele dag - en vaak zelfs de volgende ochtend nog - hangen. Je hebt er extreem weinig van nodig; vaak wordt parfum daarom niet in een sprayfles verkocht, maar in een klein flesje waarmee je een paar druppels op de huid dept.

Eau de parfum (EDP)

Kijk je in het badkamerkastje van de gemiddelde Nederlander, dan is de kans groot dat je daar een eau de parfum aantreft. Met een geurconcentratie van 15 tot 20 procent biedt deze variant de gulden middenweg. Het is minder zwaar en olieachtig dan puur parfum, maar krachtig genoeg om een hele werkdag of een avond uit mee te gaan. Meestal blijft een eau de parfum zo'n zes tot acht uur goed waarneembaar.

Eau de parfum richt zich vaak op de zogenoemde 'hartnoten' van een geur. Dit zijn de geuren die tevoorschijn komen nadat de eerste alcohol is verdampt. Hierdoor is de geur vaak wat dieper en warmer, wat hem geschikt maakt voor zowel dagelijks gebruik als speciale gelegenheden.

Eau de toilette (EDT)

De term 'eau de toilette' klinkt chique, maar betekent letterlijk 'toiletwater'. Dit stamt uit de tijd dat men deze geur gebruikte om zich in de ochtend mee op te frissen ('toilet maken'). Deze variant is met een percentage van 5 tot 15 procent geurstoffen een stuk lichter en vluchtiger dan (eau de) parfum.

Waar een eau de parfum de diepte in gaat, focust een eau de toilette zich meestal op de toptonen. Dit zijn vaak frisse citrus- of fruitgeuren die je direct ruikt bij het sprayen, maar die ook sneller vervliegen. Een eau de toilette blijft gemiddeld drie tot vijf uur hangen. Het is dan ook een goede keuze voor mensen die niet van zware, bedwelmende geuren houden, of voor gebruik op kantoor waar je je collega's niet wilt overweldigen. Houd er wel rekening mee dat je deze geur halverwege de dag waarschijnlijk even opnieuw moet aanbrengen.

Prijs versus kwaliteit: wat is nu echt goedkoper?

Het lijkt een simpele rekensom: een grote fles eau de toilette is aan de kassa vaak goedkoper dan een klein flesje eau de parfum. Toch kan die goedkopere fles op de lange termijn duurkoop zijn. Omdat eau de toilette sneller vervliegt, heb je de neiging om royaal te sprayen en dit gedurende de dag te herhalen. Hierdoor gaat de fles veel sneller leeg.

Bij een eau de parfum of puur parfum is de aanschafprijs hoger, maar heb je aan één keer een beetje aanbrengen in de ochtend vaak genoeg voor de hele dag. Je doet dus aanzienlijk langer met de flacon.

Wanneer draag je wat?

Als je twijfelt over welke variant je moet kopen, laat dit dan afhangen van het seizoen en de gelegenheid. Warmte versterkt namelijk geur. In de zomer, wanneer je huid warm is, kan een zwaar parfum al snel te overheersend en plakkerig aanvoelen. Een lichte, frisse eau de toilette is dan perfect. In de winter is het juist andersom: kou zorgt ervoor dat geuren minder goed vrijkomen en snel wegvallen. In die maanden, en zeker 's avonds tijdens een diner of feestje, komt een rijkere eau de parfum of parfum veel beter tot zijn recht.

Haal alles uit je geur

Heb je eenmaal je keuze gemaakt, dan wil je natuurlijk dat je zo lang mogelijk lekker ruikt. Een veelgemaakte fout is het wrijven van de polsen na het sprayen. Doe dit niet; door de wrijving creëer je warmte die de geurmoleculen kapotmaakt, waardoor vooral de frisse toptonen direct verdwijnen en de geur vlakker wordt.

Daarnaast hecht parfum slecht op een droge huid. Wil je dat je geur echt lang blijft hangen? Smeer je huid dan eerst in met een geurloze bodylotion of een crème uit dezelfde geurlijn voordat je gaat sprayen. De vetten in de crème houden de geurstoffen vast, zodat jij - of je nu kiest voor eau de toilette of parfum - de hele dag heerlijk ruikt.

Traditionele oordopjes sluiten luisteraars af van hun omgeving, maar JBL gooit het met zijn nieuwe Sense Pro over een andere boeg. Het minispeakertje van dit zogenoemde open ear-model bevindt zich namelijk pal voor jouw gehoorgang. Met name in het verkeer is dat wel zo veilig, want tijdens het luisteren hoor je óók omgevingsgeluid. We nemen de proef op de som.

De JBL Sense Pro is een interessant product voor mensen die reguliere oordopjes niet zo prettig vinden zitten. Je hoeft deze apparaatjes namelijk niet in je oor te proppen. Met behulp van flexibele siliconen oorhaken blijven ze goed op hun plek zitten. Dankzij het zachte materiaal ervaar je tijdens lange luistersessies niet zo gauw irritaties. De Sense Pro zit erg comfortabel in de ronding van je oor. Bedenk wel dat je deze in-ears bij bepaalde activiteiten enigszins voelt wiebelen, bijvoorbeeld wanneer je wild met je hoofd draait of tijdens het sporten. Logisch, want de behuizing zit tenslotte niet klem in jouw gehoorgang. Het is een kwestie van wennen.

©Maikel Dijkhuizen

Accu en bediening

Zodra deze bluetooth-oordopjes na enige oefening eenmaal goed op hun plek zitten, kan het luisteren beginnen. Met een luistertijd van ongeveer acht uur op een enkele batterijlading houdt de Sense Pro het lang vol. De inbegrepen oplaadcase bevat een accu met een capaciteit van nog eens dertig uur. Na slechts tien minuten opladen kunnen de oortjes er weer vier uur tegenaan. Kortom, je hebt onderweg of op afgelegen plekken niet zo snel te maken met lege accu's.

De IP54-gecertificeerde behuizing is spatwaterdicht. Laat ze in de regen dus lekker zitten. Het linker- en rechteroordopje bevatten een klein aanraakpaneeltje. Tik eenmaal aan de linkerkant om het volume harder te zetten en tik tweemaal voor een zachter geluid. Je raakt het rechteroordopje aan om muziek te pauzeren en liedjes te skippen. Via het bedieningspaneel beantwoord je ook nog inkomende oproepen. Voor handsfree gesprekken zijn er maar liefst vier microfoons ingebouwd. Al met al werkt de bediening prima, zodat je jouw smartphone in je zak of tas kunt laten zitten.

©Maikel Dijkhuizen

Gedetailleerd geluid

Op audiovlak heeft JBL zijn zaakjes goed voor elkaar. De Sense Pro levert een kraakhelder geluid met een hoge detaillering. Zelfs bij het luisteren van bombastische muziekstukken zijn alle instrumenten duidelijk te horen. Met de standaard geluidsinstellingen blijft het basniveau voor muziekgenres als hiphop en dance wel iets achter. Geen probleem, want in de JBL Headphones-app pas je het geluid naar eigen smaak aan. Activeer bijvoorbeeld de equalizerinstelling 'Bass' of zelfs 'Extreme Bass'.

Als je graag naar films en series kijkt, komt de ondersteuning voor ruimtelijk geluid goed van pas. Zet in dat geval de optie 'Spatial Sound' aan en ervaar meer audio-effecten. Een nadeel is dat personen in jouw omgeving het geluid afkomstig van de Sense Pro wellicht kunnen horen. Dat komt door de open constructie van de oordopjes. Overigens geldt dit met name wanneer je het volume hoog hebt staan.

©Maikel Dijkhuizen

JBL Sense Pro kopen?

Zoek je in-ears met een goed geluid die jouw oren niet volledig afsluiten van de omgeving? Als je de hoge adviesprijs van 179,99 euro voor lief neemt, bevelen we de JBL Sense Pro van harte aan. Deze oordopjes zitten comfortabel en laten zich eenvoudig bedienen. Bovendien bieden ze ook nog eens een hoge audiokwaliteit en lange accuduur. De Sense Pro is in vijf kleurstellingen te koop.