Προγραμματιζόμενοι ελεγκτές και εφαρμογή αλγορίθμων σε παραδείγματα ρομποτικής μέσα από συγκεκριμένες δραστηριότητες.

Transcript

1 Προγραμματιζόμενοι ελεγκτές και εφαρμογή αλγορίθμων σε παραδείγματα ρομποτικής μέσα από συγκεκριμένες δραστηριότητες. Ν. Γιαννακόπουλος Εκπαιδευτικός ΠΕ19 στο 3 ο ΓΕΛ Πάτρας. Μεταπτυχιακός ΕΑΠ. gianakop@gmail.com Περίληψη Η εργασία αυτή, αναφέρεται σε ρομποτικές βάσεις αυτόματα περιστρεφόμενων φωτοβολταϊκών (Tracking P/V), που υλοποιήθηκαν με μορφή συλλογικών εργασιών (project) με χρήση του μικροελεγκτή Basic Stamp της εταιρίας Parallax, προγραμματιζόμενο με τη γλώσσα προγραμματισμού Pbasic. To σχολικό project που πραγματοποιήθηκε σχετίζονταν με την εξοικονόμηση ενέργειας και ταυτόχρονα συνδύασε μαθήματα πληροφορικής όπως προγραμματισμό και αλγόριθμους, μαζί με μαθήματα φυσικής που αφορούσαν υλοποίηση κυκλωμάτων αντίστασης πυκνωτή (κυκλώματα RC) και μέτρηση Ηλιακής ακτινοβολίας με χρήση εξοπλισμού του εργαστηρίου Φυσικών επιστημών του σχολείου και συγκεκριμένα με συσκευή Data logger (Labpro της Vernier) και το λογισμικό Logger Pro 3.2. Λέξεις κλειδιά: μικροελεγκτές, Basic Stamp, Αλγόριθμος, περιστρεφόμενα Φ/Β.. Μικροελεγκτές BasicStamp Pbasic. Ένας μικροελεγκτής είναι ένας ολόκληρος μικροϋπολογιστής σχεδιασμένος πάνω σε ένα και μόνο ολοκληρωμένο κύκλωμα υψηλής κλίμακας ολοκλήρωσης. Το ολοκληρωμένο αυτό κύκλωμα εμπεριέχει όχι μόνο τον επεξεργαστή αλλά και μνήμη RAM ROM, χρονιστές, πόρτες και άλλες κοινές περιφερειακές λειτουργικές μονάδες εισόδου εξόδου. Ο μικροελεγκτής όπως και ο μικροεπεξεργαστής, έχει σχεδιαστεί για να ανακαλεί δεδομένα, να κάνει πάνω σ αυτά περιορισμένες πράξεις και με βάση αυτές τις πράξεις να ελέγχει το περιβάλλον του. Όπως κάθε υπολογιστικό κύκλωμα, περιέχει μονάδες εισόδου/εξόδου, μία κεντρική μονάδα επεξεργασίας, έναν αριθμό καταχωρητών και κυκλώματα μνήμης, εσωτερικούς χρονιστές απαριθμητές, αριθμητική και λογική μονάδα, μνήμη προγράμματος (ROM η EPROM). Κάθε μικροελεγκτής είναι ικανός να ανταλλάξει σήματα με το εξωτερικό περιβάλλον. Δέχεται σήματα εισόδου από διάφορους αισθητήρες, (θερμότητας πίεσης φωτός κ.τ.λ). Eκτελεί πράξεις ανάμεσα σε μεταβλητές, καταχωρεί τιμές στη μνήμη RAM που διαθέτει και παράγει σήματα εξόδου που ελέγχουν άλλες συσκευές. Έτσι μπορεί να οδηγεί ηλεκτρονόμους, διόδους LED, κινητήρες και άλλα κατάλληλα κυκλώματα, που συνήθως περιλαμβάνονται σε κάθε μορφής αυτοματισμό.

2 Για να πραγματοποιήσει αυτές τις λειτουργίες ο μικροελεγκτής χρησιμοποιεί ένα πρόγραμμα που είναι υποθηκευμένο στη μνήμη του. Το πρόγραμμα αυτό γράφεται στη γλώσσα που καταλαβαίνει ο μικροελεγκτής (η οποία χαρακτηρίζεται συνήθως από περιορισμένο αριθμό εντολών instruction set, που μπορούν να γραφούν σε συμβολική μορφή assembly) και αποθηκεύεται σε αυτόν με μία συσκευή προγραμματισμού. (Petruzella, 2000; Καλόμοιρου, Μπουλταδάκης, Πεταλάς, 2002; Πογαρίδης, 2002). Οι δραστηριότητες αυτής της εργασίας έγιναν με τον μικροελεγκτή Basic Stamp της Parallax. Η συσκευή προγραμματισμού αυτού του μικροελεγκτή είναι ο ίδιος ο ηλεκτρονικός υπολογιστής εφοδιασμένος με τη γλώσσα προγραμματισμού Pbasic. Ο μικροελεγκτής Basic Stamp2 (Bs2) της Parallax αποτελείται από ένα τσιπ το PIC16C57C, επάνω στο οποίο έχουν ενσωματωθεί ο μεταγλωττιστής Pbasic (δηλαδή Parallax Basic, μια επέκταση της γλώσσας προγραμματισμού Basic που δημιούργησε η Parallax). Το τσιπ και ο μεταγλωττιστής μαζί αποτελούν το κύκλωμα BASIC STAMP 2, (εν συντομία Bs2). (Parallax,2007). Περιστρεφόμενο φωτοβολταϊκό Το Περιστρεφόμενο φωτοβολταϊκό πραγματοποιήθηκε με χρήση τεσσάρων αισθητήρων φωτός,, τεσσάρων πυκνωτών και δύο σερβοκινητήρων. Επιτρέπει την παρακολούθηση της ηλιακής τροχιάς με αναγνώριση και παραμετρικοποίηση του φωτός από τον μικροελεγκτή. Σχήμα 1: Κύκλωμα περιστρεφόμενου φωτοβολταϊκού υλοποιημένο στο BasicStamp Board εφοδιασμένο με 2 σερβοκινητήρες για την περιστροφή του Φ/Β. Αυτό έγινε χάρη στην εντολή «RCTIME, θύρα, κατάσταση, μεταβλητή», (Parallax, 2007) την οποία μας παρέχει η γλώσσα προγραμματισμού Pbasic και η οποία έχει την δυνατότητα να αποθηκεύει στην τιμή μίας μεταβλητής το χρόνο φόρτισης (Καραγιάννης, 2007; Γλέζου & Σωτηρίου, 2007) των τεσσάρων πυκνωτών που χρησιμοποιήθηκαν για την υλοποίηση του κυκλώματος του περιστρεφόμενου φωτοβολταϊκού σε συνδυασμό με τους 4 φωτοαντιστάτες (σχήμα 1).

3 Στην κατασκευή του αυτόματα περιστρεφόμενου Φ/Β ο κινητήρας Χ στρέφει το φωτοβολταϊκό στοιχείο στο οριζόντιο επίπεδο δεξιά ή αριστερά κατά το αζιμούθιο ενώ ο κινητήρας Υ το στρέφει κατά το κάθετο επίπεδο πάνω ή κάτω, δηλαδή καθ ύψος, ώστε να γίνεται εφικτή η παρακολούθηση του Ηλίου περί δύο άξονες. Επίσης οι τέσσερις αισθητήρες φωτός S1,S2,S3,S4, είναι τοποθετημένοι σε ειδική διάταξη. Αναλυτικότερα στις θέσεις 1-7 του σχήματος 2 της κατασκευής εικονίζονται τα επιμέρους τμήματά της. Σχήμα 2:Υλοποίηση κατασκευής περιστρεφόμενου Φωτοβολταϊκού Αλγόριθμος-Διάγραμμα ροής Πρόγραμμα. Το διάγραμμα ροής του αλγορίθμου του προγράμματος που μπορεί να υλοποιηθεί και σε οποιαδήποτε άλλη γλώσσα προγραμματισμού θέλουμε, είναι αυτό που παρουσιάζεται στο σχήμα 3. Δεδομένα : S1,S2,S3,S4 είναι οι μεταβλητές που περιγράφουν την φωτεινότητα για κάθε έναν από τους τέσσερις αισθητήρες φωτός. Η εισαγωγή τους (δηλαδή το διάβασμά τους) γίνεται αυτόματα από τους φωτοαισθητήρες με την εντολή RCTIME που αναφερθήκαμε παραπάνω. Επίσης δεδομένο (το οποίο δίνει μία φορά αρχικά ο χρήστης) είναι η μεταβλητή D η οποία δηλώνει τη τιμή της φωτεινότητας που θεωρούμε ως όριο διαφοράς φωτεινότητας μεταξύ του ζεύγους των αισθητήρων ώστε να πρέπει να στραφεί το φωτοβολταϊκό.

4 Σχήμα 3: Αλγόριθμος - διάγραμμα ροής για το περιστρεφόμενο φωτοβολταϊκό με 4 φωτοαισθητήρες. Ένας ενδεικτικός προγραμματισμός του ελεγκτή σύμφωνα με το παραπάνω διάγραμμα ροής δίνεται σε γλώσσα Pbasic δίνεται στο σχήμα 4:

5 Σχήμα 4: Πρόγραμμα υλοποιημένο σε γλώσσα προγραμματισμού BasicStamp κατάλληλο για την αυτόματη περιστροφή του Φ/Β. Μέτρηση ημερήσιας Ηλιακής ακτινοβολίας με σταθερό αισθητήρα φωτός και με κινούμενο πάνω στη βάση του αυτόματα περιστρεφόμενου φωτοβολταϊκού Για την τεκμηρίωση του κέρδους σε λήψη Ηλιακής ακτινοβολίας με χρήση περιστρεφόμενου φωτοβολταϊκού έναντι σταθερού πραγματοποιήθηκε σχετικό πείραμα με χρήση εξοπλισμού του εργαστηρίου Φυσικών Επιστημών του Σχολείου. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν:

6 Προσωπικός Η/Υ, συσκευή Data logger (Labpro της Vernier) και το πρόγραμμα Logger Pro 3.2., δύο αισθητήρες φωτός Light Sensor (LS-BTA της Vernier) και η βάση του αυτόματα περιστρεφόμενου φωτοβολταϊκού. Ο ένας αισθητήρας ήταν ακίνητος τοποθετημένος στον άξονα SN (Βορά-Νότου) με φορά προς S (Βορά) και γωνία ύψους 45 ο και ο δεύτερος είχε τοποθετηθεί πάνω στη βάση του αυτόματα περιστρεφόμενου Φ/Β και κινούταν σταδιακά ακολουθώντας την τροχιά του Ηλίου. Η έναρξη του πειράματος έγινε 7:30 και η λήξη 17:20 σε ημέρα με καλή Ηλιοφάνεια. Η γραφική παράσταση της λαμβανόμενης Ηλιακής ακτινοβολίας των δύο αισθητήρων σύμφωνα με τα δεδομένα που συνέλλεξε η συσκευή data Logger και επεξεργάστηκε το λογισμικό Lab pro ήταν η παρακάτω (σχήμα 5): Με κόκκινο χρώμα είναι οι τιμές τις Ηλιακής ακτινοβολίας που συνέλλεξε ο κινούμενος αισθητήρας που παρακολουθούσε τον Ήλιο και με πράσινο χρώμα οι τιμές τις Ηλιακής ακτινοβολίας που συνέλλεξε ο σταθερός. Όπως ήταν αναμενόμενο ο κινούμενος είχε συνολικά σαφώς υψηλότερες τιμές. Σχήμα5: Η γραφική παράσταση της λαμβανόμενης Ηλιακής ακτινοβολίας από τους δύο αισθητήρες όπως καταγράφηκε από το λογισμικό Logger Pro Η διαφορά ήταν έντονη τις πρωινές και απογευματινές ώρες που ο προσανατολισμός των δύο αισθητήρων (σταθερού και κινούμενου) ήταν διαφορετικός, ενώ τις μεσημεριανές ώρες που οι δύο αισθητήρες στόχευαν τον Ήλιο σχεδόν παράλληλα η συγκεντρωμένη ακτινοβολία ήταν σχεδόν ίδια και από τους δύο αλλά πάντα μεγαλύτερη αυτή του κινούμενου αισθητήρα που ακολουθούσε τον ήλιο. Τέλος η καμπυλότητα και των δύο γραφικών παραστάσεων με μέγιστη τιμή το μεσημέρι και ελάχιστες τιμές το πρωί και το απόγευμα ήταν αναμενόμενη μιας και το μεσημέρι έχουμε την μεγαλύτερη ποσότητα προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας

7 αφού ο ήλιος μεσουρανεί ενώ τις πρώτες πρωινές ώρες (Ανατολή) και τις τελευταίες απογευματινές (Δύση) η φωτεινότητα δεν είναι έντονη μιας και ο Ήλιος βρίσκεται χαμηλά στον ορίζοντα. Μεθοδολογία - Αποτελέσματα. Όλες οι δραστηριότητες και τα πειράματα προγραμματίζονταν και γίνονταν σε ομαδικές συναντήσεις με συγκεκριμένο κάθε φορά στόχο και τήρηση ημερολογίου και χρονοδιαγράμματος. Μερικές από τις εκπαιδευτικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στις ομαδικές συναντήσεις εκτός της εισήγησης και της τεχνικής των ερωτήσεων απαντήσεων που κυριαρχούσαν, ήταν αυτή των ομάδων εργασίας με ανάθεση διαφορετικών εργασιών ανά ομάδα, ο καταιγισμός ιδεών, ειδικά για θέματα που αφορούσαν το παραγόμενο πολυμεσικό υλικό τη μορφή και τα περιεχόμενα των video και της αφίσας και τέλος το πείραμα. (Courau, 2000; Κόκκος, 1998). Τα αποτελέσματα της εφαρμογής του project ως προς την εκπλήρωση των αρχικών στόχων ερευνήθηκαν με μεθόδους αξιολόγησης κυρίως μέσα από φυλλάδια αξιολόγησης τα οποία περιλάμβαναν κυρίως ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής με τέσσερις δυνατές απαντήσεις, και το οποία δίνονταν στους μαθητές να τα συμπληρώσουν πριν και μετά τη λήξη των διαφόρων ενοτήτων φάσεων του project ώστε να δίνουν χρήσιμες απαντήσεις και ανάδραση για όλη την πορεία του. (Race, 1999; Βαλάκας, 1999). Τέλος στα πλαίσια της διάχυσης των αποτελεσμάτων αναρτήθηκε σχετική ιστοσελίδα στο internet στον δικτυακό τόπο του σχολείου: με τίτλο: «Έξυπνα Φωτοβολταϊκά». Βιβλιογραφία Courau S. (2000). «Tα βασικά «εργαλεία» του εκπαιδευτή ενηλίκων» μετάφραση Ευγενία Μουτσοπούλου, (σελ ). Εκδόσεις ΜΕΤΑΙΧΜΙΟ. Parallax. (2007). BASIC Stamp Syntax and Reference Manual Version 2.2, pp. 13, 14,31, Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: Ανακτήθηκε 15/11/2007. Petruzella D. Frank. (2000). Προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές, μετάφραση: Σπυρίδων Γ. Αποστολάκης, (σελ ). Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Τζιόλας. Race P. (1999). «Το Εγχειρίδιο της Ανοιχτής Εκπαίδευσης», Επιστημονική επιμέλεια: Αλέξης Κόκκος, μετάφραση: Ελευθερία Ζέη, (σελ. 183). Εκδόσεις ΜΕΤΑΙΧΜΙΟ. Βαλάκας Ι. (1999). «Είδη και λειτουργία των εποπτικών μέσων» στο: Βαϊκούση Δ., Βαλάκας Ι., Κόκκος Α., Τσιμπουκλή Α. «Εκπαίδευση Ενηλίκων Εκπαιδευτικές Μέθοδοι Ομάδα Εκπαιδευομένων» (τόμος Δ ), (σελ.: 157). Ε.Α.Π., Πάτρα. Γλέζου Κ., Σωτηρίου, Σ. (2007). Μελέτη εκφόρτισης πυκνωτή (σελ ). 1ο Συνέδριο στη Σύρο ΤΠΕ στην εκπαίδευση. Διαθέσιμο στο δικτυακό

8 τόπο: Ανακτήθηκε 15/11/2007. Καλόμοιρου Ι., Μπουλταδάκης Σ, Πεταλάς Ι. (2002). Έλεγχος Κυκλωμάτων και Μετρήσεων με Η/Υ (σελ. 197,198). Εκδόσεις Τζιόλας, Θεσσαλονίκη. Καπλάνης Ν.Σ. (2004). Ήπιες μορφές ενέργειας ΙΙ - Ηλιακή Μηχανική, τόμος Β, (σελ ). Αθήνα: Εκδόσεις ΙΩΝ. Καραγιάννης K. (2007). Εισαγωγή στη θεωρία ηλεκτρικών κυκλωμάτων, κεφάλαιο 4 ο,(σελ.74-80). Διαθέσιμο στο δικτυακό τόπο: ef4-web.pdf. Σχολή Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής του Παν/μίου Πατρών. Ανακτήθηκε 15/11/2007. Κόκκος Α. (1998). "Τεχνικές εκπαίδευσης στις Ομαδικές Συμβουλευτικές Συναντήσεις" στο: Κόκκος Α., Λιοναράκης Α., «Ανοιχτή και εξ αποστάσεως εκπαίδευση: Σχέσεις διδασκόντων διδασκομένων» (τόμος Β ), (σελ. 195,221,222). Ε.Α.Π., Πάτρα. Πογαρίδης Δ.. (2002). Μικροϋπολογιστές Μικροελεγκτές (σελ.313, ). Αθήνα: Εκδόσεις ΙΩΝ.