Όταν επινοήθηκε ο όρος “μηχατρονική”, οι περισσότεροι άνθρωποι δεν είχαν ιδέα, σε τι ακριβώς αναφέρεται. Η μηχατρονική έχει συνδεθεί με πλείστα διαφορετικά αντικείμενα, συμπεριλαμβανομένων των εγκαταστάσεων παραγωγής, του ελέγχου κίνησης, της ρομποτικής, του ευφυούς ελέγχου, των ολοκληρωμένων συστημάτων, των ελεγκτών δονήσεων και θορύβου, των αυτοκινούμενων συστημάτων, της μοντελοποίησης και του σχεδιασμού, των αισθητήρων, καθώς επίσης και των μικροσυσκευών, όπως λ.χ. τα ηλεκτρομηχανικά συστήματα.

Ο όρος “Μηχατρονική" αναφέρεται στον συνδυασμό των επιστημών της Μηχανολογίας, της Ηλεκτρονικής - Ηλεκτρολογίας και της Πληροφορικής (Μηχατρονική = Μηχανολογία + Ηλεκτρονική + Πληροφορική). Θεωρείται ο εμπλουτισμός των κατά βάση μηχανολογικών συστημάτων με ηλεκτρονικά εξαρτήματα, που αρκετά συχνά εμπεριέχουν λογισμικό.

Αναλυτικότερα, η μηχατρονική αποτελείται από:

1. Συστήματα ελέγχου
2. Ηλεκτρονικά συστήματα
3. Μηχανολογικά συστήματα
4. Υπολογιστές

Οι εφαρμογές της μηχατρονικής αφορούν την αεροναυπηγική, τη βιομηχανία αυτοκινήτων, την κατασκευή υλικών κ.ά., όπως φαίνεται και στον εξωτερικό κύκλο της παρακάτω εικόνας.

Για να περιγραφεί η αλληλεπίδραση μεταξύ των επιστημονικών πεδίων, ο πιο αποδεκτός όρος θεωρείται ο όρος "μηχατρονική", ακριβώς επειδή αναφέρεται σε ένα δυναμικό σύστημα ολοκληρωμένης συνεργασίας της μηχανολογίας με την ηλεκτρονική, μέσω του ευφυούς ελέγχου των υπολογιστών, αλλά και κύρια εφαρμογή στον σχεδιασμό και την κατασκευή βιομηχανικών προϊόντων ή διαδικασιών. Διότι για την επίτευξη αυτής της συνεργασίας, απαιτούνται λογισμικό, αισθητήρες, ελεγκτές, συστήματα δράσης κλπ.

Ο όρος "μηχατρονική" επινοήθηκε από τον Tetsuro Mori, ανώτερο μηχανικό της ιαπωνικής εταιρείας Yaskawa, το 1969. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1970, η μηχατρονική βρήκε εφαρμογή στην σερβοτεχνολογία, στην οποία απλές βοηθητικές τεχνολογικές εφαρμογές σχετίζονται με μεθόδους ελέγχου, π.χ. στις αυτόματες πόρτες και στην αυτόματη εστίαση φακών φωτογραφικών μηχανών. Εν συνεχεία, κατά τη δεκαετία του 1980, η μηχατρονική χρησιμοποιήθηκε στην τεχνολογία των πληροφορικών συστημάτων, με τη βοήθεια της οποίας ενσωματώθηκαν μικροεπεξεργαστές σε μηχανικά συστήματα για τη βελτίωση των επιδόσεών τους. Τέλος, τη δεκαετία του 1990, η μηχατρονική εστίασε στην τεχνολογία των επικοινωνιών, προκειμένου να συνδυάσει και να ενοποιήσει προϊόντα σε μεγάλα δίκτυα, συμπεριλαμβανομένης της παραγωγής των ευφυών συστημάτων, των τεχνολογιών και των λοιπών παραγώγων.

Ένα μηχατρονικό σύστημα αποτελείται κυρίως από μηχανισμούς κίνησης και ελέγχου, αλλά και από αισθητήρες. Είναι ένα σύστημα που ενσωματώνει την ψηφιακή επεξεργασία σήματος και τη μεταφορά του σε ένα τελικό σημείο δράσης, δημιουργώντας κινήσεις ή ενέργειες. Πρόκειται δηλαδή για ένα ολοκληρωμένο σύστημα με αισθητήρες, μικροεπεξεργαστές-μικροελεγκτές, καθώς και συστήματα δράσης.

Τα συστήματα της μηχατρονικής μπορούν, δημιουργώντας βρόχους αυτόματου ελέγχου, να διαιρεθούν σε ομάδες λειτουργίας, που ενδέχεται να αποτελούν μέρος μεγαλύτερων ενοτήτων. Το γενικό διάγραμμα ενός μηχατρονικού συστήματος παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα, όπου φαίνεται ότι ένα μηχατρονικό σύστημα αποτελείται από αισθητήρες, έναν μικροεπεξεργαστή και από το μηχανολογικό μέρος του.

Οι αισθητήρες (sensors), όπως τα επιταχυνσιόμετρα, οι κάμερες, τα σόναρς, τα θερμόμετρα, κτλ, αντιλαμβάνονται μια εξωτερική ποσότητα (ήχο, θερμοκρασία κ.α.). Η ποσότητα αυτή εισάγεται προς επεξεργασία σε αναλογική ή ψηφιακή μορφή, ενισχυμένη ή όχι. Κατά την επεξεργασία γίνεται εκτίμηση των παραμέτρων. Στην έξοδο βγαίνει ένα σήμα (μια οδηγία) για τους ενεργοποιητές, οι οποίοι ενεργοποιούν ένα μηχανολογικό σύστημα. Τις περισσότερες φορές, ένας αισθητήρας μετρά την μεταβολή που προκάλεσε το σύστημα στο περιβάλλον και στέλνει εκ νέου προς επεξεργασία τα πρόσφατα δεδομένα.

Οι τεχνολογίες που ενσωματώνονται στη μηχατρονική είναι:

1. Αισθητήρες: Αποτελούν τις συσκευές που αναγνωρίζουν τις μεταβολές του περιβάλλοντος. Μετρούν θερμοκρασίες, πίεση, βάρος, κλπ.
2. Μικροεπεξεργαστές (microproccessors) και μικροελεγκτές (microcontrollers): Αποτελούν τον "εγκέφαλο" του συστήματος. Τα μεγέθη που μετρούν οι αισθητήρες, καταλήγουν στον μικροελεγκτή, ο οποίος θα αποφασίσει για μια δράση.
3. Ενεργοποιητές: Σε αυτούς καταλήγει η εντολή δράσης του μικροελεγκτή, ώστε να πραγματοποιηθεί η εντολή.
4. Συστήματα κίνησης: Διαιρούνται σε πνευματικά, υδραυλικά, μηχανικά & ηλεκτρικά.

Τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν τα μηχατρονικά συστήματα έναντι άλλων συστημάτων είναι τα ακόλουθα:

• Μεγαλύτερη ακρίβεια.
• Φιλικότητα στο χρήστη.
• Χαμηλότερο κόστος.
• Περισσότερα χαρακτηριστικά και δυνατότητες.
• Μεγαλύτερη ευελιξία στην εφαρμογή.
• Φιλικότερα στο περιβάλλον.
• Περισσότερη ασφάλεια.
• Μεγαλύτερη αξιοπιστία.
• Μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα.
• Μικρότερος όγκος.
• Καλύτερη απόδοση.
• Προσαρμοστικός σχεδιασμός - επαναπρογραμματισμός.

Κάθε ζωντανός οργανισμός, όταν λάβει ένα μήνυμα, το επεξεργάζεται για να λάβει μια απόφαση δράσης. Παρόμοια, σε ένα μηχατρονικό σύστημα το ερέθισμα (σήμα), που λαμβάνεται από τους αισθητήρες, οδηγείται στον μικροελεγκτή, ο οποίος το αναλύει και παίρνει μια απόφαση δράσης.

Ο μικροελεγκτής (microcontroller) αποτελεί μια παραλλαγή του μικροεπεξεργαστή, ο οποίος μπορεί να λειτουργήσει με ελάχιστα εξωτερικά εξαρτήματα, λόγω των πολλών ενσωματωμένων υποσυστημάτων που διαθέτει. Ένας μικροελεγκτής είναι ένα μικρό υπολογιστικό κύκλωμα, σχεδιασμένο σε ένα και μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης. Όπως κάθε υπολογιστικό κύκλωμα, περιέχει κεντρική μονάδα επεξεργασίας, έναν αριθμό καταχωρητών, κυκλώματα μνήμης και κυκλώματα ελέγχου περιφερειακών συσκευών. Κάθε μικροελεγκτής είναι ικανός να ανταλλάξει σήματα με το εξωτερικό περιβάλλον, να εκτελέσει πράξεις ανάμεσα σε μεταβλητές και να καταχωρίσει κάποιες τιμές στη μνήμη RAM που διαθέτει.

Το ολοκληρωμένο κύκλωμα που αποτελεί τον μικροεπεξεργαστή περιέχει την Λογική και Αριθμητική Μονάδα (ALU), τους στοιχειώδεις καταχωρητές (registers), την πολύ υψηλής ταχύτητας προσωρινή μνήμη RAM (cache memory) και τον ελεγκτή μνήμης (memory controller). Όμως, για τη λειτουργία ενός πλήρους ενσωματωμένου υπολογιστικού συστήματος, απαιτούνται πολλά εξωτερικά και περιφερειακά υποσυστήματα, όπως:

• Το κύκλωμα συνδετικής λογικής (glue logic), που αποτελεί μια ειδική μορφή ψηφιακών κυκλωμάτων, τα οποία επιτρέπουν τη σύνδεση διαφορετικών τύπων λογικών κυκλωμάτων, όπως λ.χ. τη σύνδεση των εξωτερικών μνημών και των άλλων περιφερειακών παράλληλης σύνδεσης στην αρτηρία δεδομένων (bus) του επεξεργαστή.
• Η μνήμη προγράμματος (τύπου ROM, FLASH, EPROM, κλπ), η οποία περιέχει το λογισμικό του συστήματος. Σε κάποια μοντέλα είναι δυνατό το κλείδωμα αυτής της μνήμης, μετά την εγγραφή της, ώστε να προστατευτεί το περιεχόμενό της από αντιγραφή.
• Η μνήμη RAM.
• Η μόνιμη μνήμη αποθήκευσης παραμέτρων λειτουργίας (τύπου EEPROM ή NVRAM), η οποία να μπορεί να γράφεται στον πυρήνα του μικροελεγκτή. Αυτή η μνήμη έχει, έναντι της FLASH, το πλεονέκτημα της δυνατότητας διαγραφής και εγγραφής οποιουδήποτε μεμονωμένου byte.
• Το κύκλωμα αρχικοποίησης (reset).
• Ο διαχειριστής αιτήσεων διακοπής (interrupt request controller) από τα περιφερειακά.
• Το κύκλωμα επιτήρησης τροφοδοσίας (brown-out detection), το οποίο αρχικοποιεί ολόκληρο το σύστημα και παρακολουθεί την τροφοδοσία, όταν αυτή πέσει κάτω από τα ανεκτά όρια, προλαμβάνοντας έτσι την αλλοίωση των δεδομένων.
• Το κύκλωμα επιτήρησης λειτουργίας (watchdog timer), το οποίο αρχικοποιεί το σύστημα, αν αυτό εμφανίσει σημάδια δυσλειτουργίας λόγω κολλήματος (hang).
• Ο τοπικός ταλαντωτής για την παροχή παλμών χρονισμού (clock).
• Ένας ή περισσότεροι χρονιστές-απαριθμητές υψηλής ταχύτητας (hardware timer-counter) για τη δημιουργία καθυστερήσεων, τη μέτρηση της διάρκειας και την απαρίθμηση των γεγονότων, καθώς και άλλων λειτουργιών ακριβούς χρονισμού.
• Το ρολόι πραγματικού χρόνου (Real Time Clock, RTC), το οποίο τροφοδοτείται από ανεξάρτητη μπαταρία και γι' αυτό πρέπει να έχει πολύ χαμηλή κατανάλωση ρεύματος.
• Μια σειρά ανεξάρτητων ψηφιακών εισόδων και εξόδων (Parallel Input-Output, PIO).

Γενικά, όλες οι οικογένειες μικροελεγκτών ενσωματώνουν τα περισσότερα από τα παραπάνω περιφερειακά συστήματα με διαφοροποιήσεις, κυρίως στην ύπαρξη ή μη εσωτερικής μνήμης προγράμματος, καθώς επίσης και στο είδος της μνήμης αυτής. Έτσι, υπάρχουν:

• Μικροελεγκτές χωρίς μνήμη προγράμματος, οι οποίοι χαρακτηρίζονται ως ROM-less. Αυτοί παρέχουν πάντοτε μια παράλληλη αρτηρία (bus) δεδομένων, πάνω στην οποία συνδέονται εξωτερικές μνήμες προγράμματος και RAM.
• Μικροελεγκτές με μνήμη ROM, η οποία κατασκευάζεται με το λογισμικό της (Mask ROM) ή γράφεται μόνο μια φορά (One Time Programmable, OTP). Ένα σημαντικό πλεονέκτημά τους είναι ότι όταν αγοράζονται σε πολύ μεγάλες ποσότητες, το κόστος τους παραμένει ιδιαίτερα χαμηλό.
• Μικροελεγκτές με μνήμη FLASH, οι οποίοι μπορούν συνήθως να προγραμματιστούν πολλές φορές. Αυτή είναι και η πιο διαδεδομένη κατηγορία. Συχνά, ο προγραμματισμός της μνήμης μπορεί να γίνει ακόμη και πάνω στο κύκλωμα της ίδιας της ενσωματωμένης (embedded) εφαρμογής (Δυνατότητα In Circuit Programming, ISP). Αυτοί οι μικροελεγκτές έχουν, ουσιαστικά, αντικαταστήσει τους παλαιότερους τύπους EPROM, που έσβηναν με υπεριώδη ακτινοβολία.

Ο μικροελεγκτής με τα υποσυστήματά του έχουν τη δυνατότητα να κάνουν πολλούς υπολογισμούς. όμως ο άνθρωπος είναι αυτός που θα δώσει τις απαραίτητες οδηγίες στον μικροελεγκτή για τους υπολογισμούς που θα εκτελέσει. Είναι απαραίτητο, λοιπόν, να υπάρχει ένας τρόπος επικοινωνίας του ανθρώπου με τον μικροεπεξεργαστή, καθώς και μια κοινή γλώσσα μεταξύ τους. Στο σημείο αυτό επεμβαίνει το λογισμικό.

Το λογισμικό είναι ένα είδος προγράμματος, στο οποίο ο άνθρωπος-προγραμματιστής γράφει τις εντολές που απαιτείται να εκτελέσει ο μικροεπεξεργαστής και αυτές αποθηκεύονται στην μνήμη του μικροεπεξεργαστή. Ένα τέτοιου είδους λογισμικό περιλαμβάνει τον κειμενογράφο, τον συμβολομεταφραστή και τον προσομοιωτή.

• Ο κειμενογράφος (texteditor): Με τον κειμενογράφο συντάσσουμε σε μνημονική γλώσσα το πηγαίο αρχείο, το οποίο θα μεταφραστεί και θα αποθηκευθεί στη μνήμη ROM του μικροελεγκτή. Τέτοιο πρόγραμμα μπορεί να είναι ένας οποιοσδήποτε κειμενογράφος χαρακτήρων ASCII.
• Ο συμβολομεταφραστής (assembler): Πρόκειται για το πρόγραμμα που μεταφράζει το πηγαίο αρχείο σε δεκαεξαδική μορφή, κατάλληλη να τη διαχειριστεί ο προγραμματιστής της μνήμης του μικροελεγκτή. Κατά τη μετάφραση παράγονται, επίσης, τα μηνύματα σφαλμάτων. Μετά τη διόρθωση των σφαλμάτων, ο συμβολομεταφραστής παράγει ένα αρχείο, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τα επόμενα βήματα. Επιπροσθέτως, παράγονται αρχεία που περιέχουν αναφορές σφαλμάτων, καθώς και αρχεία εισόδου για τον προσομοιωτή (simulator).
• Ο προσoμοιωτής (simulator): Αυτός είναι ένα βοηθητικό και όχιυποχρεωτικό πρόγραμμα. Το πρόγραμμα αυτό παράγει μία, βήμα προς βήμα, προσομοίωση της εκτέλεσης μιας διαδικασίας και επιδεικνύει τις τιμές που λαμβάνουν οι διάφοροι καταχωρητές ειδικού σκοπού και οι θέσεις της μνήμης RAM. Με τον τρόπο αυτόν, ο χρήστης μπορεί να βεβαιωθεί ότι το πρόγραμμα επιτελεί ακριβώς αυτό, για το οποίο προορίζεται, ενώ ακόμη μπορεί να ανιχνεύσει και τα σφάλματα που τυχόν υπάρχουν.