MKMG moderne kompetencije za modernu gimnaziju Mikroelektronika skripta www.moderna-gimnazija.eu IV Gimnazija Marko Marulić Ulaganje u budućnost Europska unija
Fond: Europski socijalni fond Operativni program: Razvoj ljudskih potencijala 2007.-2013. Tip natječaja: Otvoreni poziv na dostavu projektnih prijedloga (bespovratna sredstva) Nadležno tijelo: Ministarstvo znanosti, obrazovanja i sporta Područje: obrazovanje, vještine i cjeloživotno učenje INFO O PROJEKTU Naziv projekta: Moderne kompetencije za modernu gimnaziju Naziv poziva za Promocija kvalitete i unaprjeđenje sustava odgoja i obrazovanja na dostavu projektnih srednjoškolskoj razini prijedloga: Broj ugovora HR.3.1.20 0027 OPĆI PODACI O NOSITELJU PROJEKTA Naziv prijavitelja IV. gimnazija "Marko Marulić" OIB 79378469023 Adresa Zagrebačka 2, Split, www.gimnazija-cetvrta-mmarulic-st.skole.hr ODGOVORNA OSOBA NOSITELJA PROJEKTA Ime i prezime Ninočka Knežević, prof. Kontakt telefon +385 21 348 380 Kontakt mail ninocka.knezevic@skole.hr PROJEKTNI PARTNERI Naziv pravne osobe OIB Mjesto Sveučilište u Splitu, Prirodoslovno-matematički fakultet 20858497843 Split Sveučilište u Splitu, Medicinski fakultet 02879747067 Split Sveučilište u Splitu, Sveučilišni odjel za stručne studije 29845096215 Split Autori: Gorjana Karaman, prof., Mercedes Knežević, Maša Raljević, prof., Ninočka Knežević prof., Maja Antolić, prof. Višnja Banić, prof., Mirjana Boban, prof., Ojdana Barčot prof., Ivana Vuletić,prof., Marina Podrug prof. Izrada skripte Mikroelektronika fakultativniog predmeta: Mikroelektronika financirana je sredstvima projekta Moderne kompetencije za modernu gimnaziju dodijeljenih iz Operativnog programa Razvoj ljudskih potencijala 2007.-2013., iz Europskog socijalnog fonda i odražava stavove autora
Primjena mikroračunala u nastavi fizike Arduino projekti za poboljšanje STEM obrazovanja Ove aktivnosti se temelje na korištenju uređaja kao što su Arduino, Raspbery Pi i Zolertia. Aktivnosti se uvode da bi se privukli učenici na primjenu tehnologije informatike u istraživanju fizikalnih pojava. Vjerujemo da će edukacijski materijali razvijeni na ovaj će način biti prihvatljiviji učenicima i da će pomoći privući učenike u područje fizike i u institucije koje se više bave tim aktivnostima i gdje će fizika biti više zastupljena i tražena. Tu prvenstveno mislimo na povećanje izbornih sadržaja fizike u srednjoj školi što će rezultirati povećanjem broja studenata na fakultetima u kojima je STEM područje više zastupljeno. Strateški ciljevi ovog kurikula su slijedeći: pridobivanje učenika koji će željeti učiti i raditi po njemu. zadržati učenike koji su prihvatili kurikul kao nešto dobro poboljšanje kvalitete obrazovanju, pružajući učenicima mogućnosti da stječu znanje kroz izradu malih projekata i vježbi čega u dosadašnjem radu nedostaje (iskustveno učenje.) 1
Arduino Što je Arduino? Da bi odgovorili na to pitanje potrebno je prvo objasniti pojam mikrokontrolera. Što je mikrokontroler? Mikrokontroler je elektronički sklop čija je zadaća automatizacija određenje radnje. Općenito, to je sklop koji ima analogne i digitalne ulaze, izlaze i definiranu unutarnju logičku proceduru koja određuje signale na izlazima u ovisnosti o signalima na ulazima. Ulazi u mikrokontroler su točke na elektroničkom sklopu na koje se spaja neki od mnogih osjetnika (senzora) čija je uloga da neko od fizičkih stanja iz okoline prevede u odgovarajući električni signal, razumljiv mikrokontroleru. Taj se ulazni signal (jedan ili više njih) obrađuje logički unutar mikrokontrolera, te se za posljedicu ima akcija na izlazu mikrokontrolera - a to je opet signal (analogni ili digitalni) koji uzrokuje radnju na nekom drugom uređaju koji je spojen na izlaz. Izlaz iz mikrokontrolera je, dakle, također spojna točka na elektroničkom sklopu. Primjeri nekoliko takvih sklopova i procedura kojima smo okruženi svakodnevno: Primjer 1: Plovak u spremniku goriva automobila je spojen na ulaz u mikrokontroler. Kada razina goriva padne na neku predefiniranu (nisku) razinu plovak pošalje jednostavni električni signal na ulaz mikrokontrolera. Mikrokontroler prima taj signal, a procedura koju je definirao proizvođač automobila kaže: "kada se primi signal sa plovka potrebno je upaliti lampicu upozorenja na kontrolnoj tabli automobila", te mikrokontroler podigne napon na izlazu na koji je spojena obična lampica. Lampica se upali i vozač je time obaviješten da je gorivo u spremniku na niskoj razini. 2
Primjer 2: U gumama automobila se nalaze osjetnici (senzori) koji mjere tlak zraka. Izmjereni tlak prevode u električni signal. Svaki osjetnik je spojen na svoj zasebni ulaz na mikrokontroleru. pa tako za 4 automobilske gume imamo 4 osjetnika spojena na 4 ulaza. Mikrokontroler ima ugrađenu logičku proceduru koja npr. kaže: "ako se na bilo kojem od ulaza očita tlak manji od (npr.) 2 bara upali lampicu za provjeru guma". Dakle, ako tlak u bilo kojoj gumi padne ispod predefinirane razine, vozač će dobiti upozorenje za provjeru guma. U drugoj verziji je moguće da mikrokontroler koristi 4 odvojena izlaza (4 odvojene lampice), te ovisno o tome s kojeg osjetnika je došao signal on pali točno određenu lampicu, pa vozač u konačnici dobiva jednu od 4 moguće poruke, npr.: "provjeri tlak u prednjoj desnoj gumi". Prva dva primjera su dana na primjeru automobila da se ukaže na mogućnost u kojoj samo jedan mirkokontroler radi sve radnje iz primjera 1 i 2: istovremeno mjeri tlakove u gumama i razinu goriva u spremniku, dakle, očitava stanja osjetnika na svojih 5 ulaza te posljedično na jednom od svojih 5 izlaza signalizira neku od poruka. Primjer 3: Mikrokontroler u kućnom hladnjaku neprestano mjeri temperaturu (osjetnik/senzor za temperaturu mu je spojen na ulaz) i svaki put kad ona naraste iznad određene granice on pali motor kompresora koji je spojen na njegov izlaz. Kompresor hladnjaka se gasi kad osjetnik temperature očita razinu nižu od neke zadane. Procedure upisane u mikrokontroler su kratki programski kodovi koji se ponavljaju bez prestanka, dokle god je mikrokontroler uključen u izvor napajanja. U primjeru 3 bi taj kod, pisan ljudskim jezikom, izgledao otprilike ovako: korak 1: očitaj temperaturu sa osjetnika korak 2: ako je temperatura veća od (npr.) 10 C upali kompresor korak 3: ako je temperatura niža od (npr.) 8 C ugasi kompresor korak 4: vrati se na korak 1 Ova bi procedura održavala temperaturu u hladnjaku između 8 i 10 C. Sad kada su pobliže objašnjeni pojmovi mikrokontrolera, ulaza, izlaza, osjetnika i logičkih procedura u mikrokontroleru može se lakše objasniti što je Arduino. Mikrokontroler je u svom fizičkom obliku ono najčešće što zovemo "čip". 3
Nekoliko mikrokontrolera je prikazano na slikama 1 i 2: sl.1: Mikrokontroler tipa "Atmel" sl.2: Mikrokontroler tipa "ATMega32" Da bi taj "čip" bio stavljen u funkciju, potrebno mu je osigurati napajanje, spojiti mu osjetnike (senzore) na ulaze i željene uređaje na izlaze. Također je potrebno naći način da mu se željene logičke procedure upišu u radnu memoriju (tzv. programiranje mikrokontrolera) Kada se sve to učini, takav prošireni sklop izgleda kao neki od primjera na sljedećim slikama: sl.3 i 4: Elektronički sklopovi ručne izrade, sa mikrokontrolerom Za svaki od mikrokontrolera postoji više načina kako spojiti ulaze, izlaze ili ga isprogramirati. Svaki od načina ovisi o iskustvu osobe koja to radi, a u svakom slučaju iziskuje određene vještine. Mnogima je manjak iskustva u izradi elektoničkih sklopova prepreka u radu sa mikrokontrolerima. Odnosno, bila je prepreka do pojave Arduino platforme. 4
Arduino platforma je standardizirani elektronički sklop koji ne samo da sadrži mikrokontroler, već i cjelokupno elektroničko okružje nužno za rad: ima gotova rješenja za spajanje na njegove ulaze i izlaze, standardizirano napajanje i možda najvažnije od svega: standardizirano okružje za programiranje ugrađenog mikrokontrolera zvanog Arduino IDE (više u nastavku). Koristeći Arduino platformu korisnik više nema potrebu razvijati elektronički sklop oko mikrokontrolera, pa je na taj način korištenje funkcionalnosti mikrokontrolera znatno približeno korisnicima bez praktičnog iskustva u elektronici. Tijekom vremena se pokazala potreba za različitim tipovima osnovnih Arduino sklopova, pa ih danas ima oko dvadesetak vrsta, od kojih su neke prikazane na slikama 5, 6 i 7: sl.5 i 6: Arduino Uno sl.7: Arduino Mini Pro 5
Arduino je osmišljen i razvijen u Italiji 2005. godine. Ubrzo je stekao popularnost radi jednostavnosti korištenja, mogućnosti razvoja dodatnih modula i relativno niske cijene. Povijest nastanka Arduina, pregled različitih modela, postojećih senzora, detalji o razvojnom okružju za programiranje i još mnoštvo dodatnih informacija su opširno obrađeni i mogu se naći na web stranicama, za početak preporuka je https://www.arduino.cc Arduino Hardware (hardver) Arduino hardware je svo elektroničko sklopovlje odnosno sva materijalna oprema koja se koristi u izradi uređaja koji se temelje na Arduino platformi. Dijelimo ih u 3 osnovne skupine: 1) Arduino uređaji 2) Arduino moduli (u eng. jeziku se za te module koristi naziv Arduino shields) 3) Osjetnici (senzori) i ostale elektroničke komponente 1) Arduino uređaji Kako je već spomenuto, Arduino uređaji su elektronički uređaji koji su sastavljeni od mikrokontrolera i elementarnog elektroničkog okružja koje pruža jednostavnu komunikaciju sa samim mikrokontrolerom. Trenutno postoji nekoliko desetaka različitih tipova Arduino uređaja koji su razvijeni ovisno o specifičnim potrebama korisnika. Neki od njih su prikazani na slikama 8 do 13: 6
sl.13: Arduino Nano sl.14: Arduino Mini sl.8: Arduino Uno sl.9: Arduino Duemilanove sl.10: Arduino Diecimila sl.11: Arduino Extreme sl.12: Arduino Lilypad 2) Arduino moduli (shields) Zbog mogućnosi široke primjene mikrokontrolera, u ovom slučaju Arduina, u automatizaciji raznih procesa u kućanstvima, industriji, računarstvu, zabavi i edukaciji razvijeni su mnogi dodatni elektronički moduli koji olakšavaju izradu željenih elektroničkih sklopova. Svima im je zajedničko da su lako (jednostavno) spojivi sa bilo kojim osnovnim Arduino uređajem pri čemu proširuju funkcionalnost elektroničkog sklopa nekim svojim svojstvom. Također im je zajednička i osnovna okosnica Arduino ideje: jednostavni su za korištenje i jeftini. 7
Opsežan popis i opis Arduino modula se može naći na na internetu, a samo neki od njih (za primjer) su : * moduli za prikaz podataka na LCD ekranima ( sl.15) * moduli za GSM mobilnu komunikaciju (sl. 16) * moduli za pohranu podataka (sl. 17) * moduli za ethernet komunikaciju (sl. 18) sl.15: LCD modul sl.16: GSM modul sl.17: Data log modul sl.18: Ethernet modul 8
3) Osjetnici (senzori) i ostale elektroničke komponente Osjetnici (i ostale komponente) su u odnosu na Arduino module nešto jednostavnija elektronička oprema, ali im je uloga slična: svojom specifičnom funkcionalnošću dodaju osnovnom Arduino uređaju mogućnost mjerenja fizičkih veličina u okolini, interakciju s korisnicima i prikaz poruka tj. signalizaciju prema korisnicima ili nekim drugim uređajima na koji su spojeni. Primjer nekih od spomenutih uređaja su: sl.19: ultrazvučni detektor sl.20: mjerač jakosti el struje sl.21: digitalni voltmetar sl.22: IC osjetnik sl.23: osjetnik metana sl.24: detektor boja sl.25: osjetnik temperature sl.26: ph osjetnik sl.27: laserski odašiljač sl.28: Osjetnik vlage 9
Ostala elektronička oprema su osnovne komponente koje čine električne sklopove: otpornci, LED diode, tipkala, prekidači, itd. sl.29: Elektroničke komponente Arduino Software (softver) Svakom mikrokontroleru je nužno definirati procedure obrade signala koje preko svojih ulaza prima iz okoline, odnosno treba definirati ovisnosti izlaznih signala u odnosu na ulazne. Instrukcijski kod koji upisujemo u Arduinov mikrokontroler je Arduino softver. To je relativno jednostavna lista instrukcija koja specificira Arduinu na koji će način očitavati signale sa svojih ulaza, koliko često će ih očitavati, kako će ih obrađivati i što će slati na svoje izlaze kao rezultat. Proces programiranja bilo kojeg Arduino uređaja je olakšan postojanjem jedinstvenog okružja u kojem se može razvijati potrebni programski kod. To okružje se zove Arduino IDE (IDE: Integrated Development Environment) i to je računalna softverska aplikacija (računalni program) koja se koristi za pisanje koda, za njegovo testiranje i za prijenos koda u memoriju Arduino uređaja. Pri tome je potrebno ostvariti vezu između računala na kojem je zapisan kod u Arduino IDE i samog Arduina - ta se veza najćešće ostvaruje USB kabelom. 10
Arduino IDE je besplatan i dostupan na internetu: https://www.arduino.cc/en/main/software Podržan je za često korištene operacijske sustave (Linux, WIndows, Mac OSX), te dolazi uz detaljnu dokumentaciju koja opisuje sam Arduino IDE kao i programski jezik koji se koristi za razvoj Arduino softvera. sl.30: Arduino IDE, izgeld sl.31: Primjer programskog koda za Arduino, 11
sl.32 i 33: Prikaz spajanja računala i Arduino uređaja za potrebe prijenosa programskog koda u Arduino Razvojna ploča Uobičajeni postupak ručne izrade elektroničkih sklopova se sastoji u spajanju osnovnih elektroničkih elemenata prema nekoj električnoj shemi. sl.34: Primjer elektroničkih elemenata sl.35: primjer električne sheme 12
Fizičko ručno spajanje elemenata se najčešće izvodi pomoću lemilice i tinola: tinol je legura olova i kositra koja ima relativno nisko talište, a lemilica je uređaj koji zagrijava tinol do točke taljenja. Tinol se tali na spojnim točkama elektroničkih elemenata, nakon čega se hladi i stvrdne. Rezultat ovog procesa je elektronički sklop kakve svakodnevno viđamo: dovoljno je otvoriti kućište nekog električnog ili elektroničkog uređaja. sl.36: Tinol sl.37: Lemilica sl.38: Primjer elektroničkog sklopa Ovakav postupak izrade elektroničkih sklopova ima nekoliko značajnih nedostataka: radi duljine trajanja samog procesa neprikladan je za eksperimentalnu izradu el. sklopova u školama, a eventualne greške u spojevima se sporo i teško ispravljaju. Zato se za svrhe eksperimentalnog spajanja, kako u školama tako i u stvarnoj izradi i testiranju elektroničkih uređaja koristi razvojna ploča - jednostavan uređaj na kojem se elektronički elementi spajaju žicama na način da se i žice i elementi utaknu u pripremljene spojne točke. Ovakvim načinom izrade elektroničkih sklopova se izbjegava korištenje lemilice (i time eliminira rizik rada sa užarenim metalima), eventualne greške u spojevima se ispravljaju prekapčanjem žica i elemenata u nekoliko sekundi, a elektronički elementi se mogu koristiti iznova, mnogo puta, za razliku od klasičnog lemljenog sklopa gdje se koriste jednokratno. sl.39: Razvojna ploča sl.40: El. shema razvojne ploče 13
sl.41-43: Primjeri el. sklopova na razvojnoj ploči Univerzalni mjerni instrument (Unimer) Neizbježan alat u radu sa elektroničkim sklopovima, uređajima i elementima je tzv. univerzalni mjerni instrument - univerzalan je u smislu mogućnosti mjerenja jakosti struje i napona i otpora u nekim zadanim granicama iznosa (nisu potrebna 3 zasebna mjerna instrumenta - odatle naziv "univerzalni"). Napredni modeli imaju dodatne mjerne mogućnosti. sl.44: Univerzalni mjerni instrument 14
Način korištenja uređaja je jednostavan: * odabere se željena mjerna veličina (jakost struje ili napon ili otpornost elementa ili nešto drugo, ovisno što pojedini model instrumenta nudi) * mjerno područje veličine se uvijek postavi na iznos koji je veći od očekivanog mjernog rezultata (npr. ako smo sigurni da mjereni napon nije veći od 5 V, postavljamo mjerno područje na prvi veći iznos od 5 V, a za instrument na slici bi to bilo 20 V. Pazimo pri tome da li mjerimo izmjenične ili istosmjerne veličine). Ako nismo sigurni oko reda veličine očekivane mjerene vrijednosti tada stavljamo na najveći mogući mjerni opseg, pa ga po potrebi smanjujemo. U svakom slučaju moramo znati da li mjerena veličina prelazi najveći dopušteni mjerni opseg ili jednostavnije rečeno: uređaj sa slike koji mjeri najviše 300 V napona (izmjeničnog ili istosmjernog) nećemo koristiti za mjerenje napona od npr. 10 000 V. Isti princip vrijedi za sva mjerenja. Rezultat se očitava na ekranu. Preporučeno je proći kratke vježbe sa stručnom osobom prije stvarnih mjerenja. Svako odstupanje od navedene procedure može rezultirati uništenjem instrumenta. 15
VJEŽBA 1. Napomena: Ova vježba se provodi u suradnji s našim projektnim partnerom, Sveučilišnim odjelom za stručne studije u Splitu, u njihovom fizikalnom laboratoriju, uz pomoć uređaja za prikupljanje i obradu podataka na računalu (COACH 5,LOGGER PRO 3), s ultrazvučnim detektorom gibanja. SNIMANJE GIBANJA U pokusu uspoređujemo vrijednosti položaja i brzine dobivene mjerenjem s računalnim modelom, te provjeravamo koliko je rezultat tog modela vjeran opis stvarnog gibanja tijela. Hodanje studenta Detektor gibanja Priprema: U programu Coach odaberite projekt Mjerenje položaja i brzine (File Open a project), pa u njemu aktivnost Mjerenje (File Open activity). Prikupljanje podataka (mjerenje): Jedan učenik neka se udalji od osjetnika 3 metra i počne se gibati prema detektoru stalnom brzinom od oko 0.5 m/s (izračunajte koliko vremena treba hodati da dođe do osjetnik). Drugi učenik treba klikom na Start (zeleni kvadrat) pokrenuti mjerenje, tj. prikupljanje podataka o udaljenosti studenta. Mjerenje treba zaustaviti kad se učenik približi na oko 0.5 metara od detektora. Naime, detektor radi tako da šalje puls ultrazvuka koji se vraća nakon odbijanja od predmet. Detektor registrira vrijeme koje je pritom prošlo, te uz poznatu brzinu zvuka određuje udaljenost 16
Snimite pokus: Save result as..., upišite naziv datoteke i snimite na server disk S:\ Modeliranje: Izađite iz aktivnosti, pa i iz projekta Mjerenje položaja i brzine i otvorite projekt Modeliranje. Odaberite aktivnost Modeliranje. U editor upišite model: Priredite x-t graf (Display - Diagram - New diagram) s vremenom t na apscisi (C 1 t; min=0 i max=10), te položajem x na ordinati (C 2 x; min=0, max=4). Pokrenite simulaciju gibanja klikom na Start. Usporedbu grafa koje ste dobili kao rezultat računa i snimke stvarnog gibanja možete napraviti ako desnim klikom miša na prozor s grafom otvorite izbornik i u njemu opciju Import Background Graph. Pozvat ćete dokument koji ste snimili i koji sadrži snimku kretanja učenika. U istom prozoru se sad nalazi graf dobiven modeliranjem i graf stvarnog gibanja. U početnim vrijednostima modela (desni okvir) mijenjajte brzinu v i početni položaj x, sve dok se dva grafa ne približe što je više moguće. Analiza vježbe: 1. Što znači mjeriti neku fizikalnu veličinu? 2. Koje su osnovne fizikalne veličine? Koje su osnovne mjerne jedinice? Kojim simbolima se označavaju? 3. Izračunajte pomak ako je x 2 = 6 m a x 1 = 2 m. 4. Izračunajte brzinu ako se taj pomak dogodio za dvije sekunde. 17
BILJEŠKE 18
VJEŽBA 2. JEDNOSTAVNI STRUJNI KRUG ARDUINO KAO IZVOR ENERGIJE Jednostavni strujni krug čini izvor istosmjernog napona, trošilo (otpornik) i spojne žice. Kao izvor energije koristimo Arduino: GND : 0V (uzemljenje) MAX STRUJA za pin napona 5V: 400mA POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 220 Ω 1 LED dioda 2 spojne žice NAČIN SPAJANJA NAPOMENA: Svjetleća dioda ili LED (skr. od engl. Light Emitting Diode) je poluvodički elektronički element koji pretvara električni signal u optički (svjetlost). Elektroni, prelazeći iz vodljivog u valentni pojas, oslobađaju energiju, koja se dijelom očituje kao toplina, a dijelom kao zračenje. Boja emitiranog svjetla ovisi o poluvodiču, kao i o primjesama u njemu i varira od infracrvenog preko vidljivog do ultraljubičastog dijela spektra. Primjenjuje se najčešće kao indikator, na komandnim i signalnim pločama uređaja i strojeva, za ukrasno osvjetljenje, u industriji zabave, za signalnu rasvjetu za bicikle i automobilska svjetla, kao djelovi za daljinski prijenos signala u upravljačkim krugovima (npr. kod televizorskih daljinskih upravljača). 19
Otpornici su elektronički elementi čija se vrijednost može odrediti multimerom ili pomoću prstenova u boji. Većina otpornika ima 4 prstena: prvi prsten određuje prvu znamenku, drugi prsten drugu znamenku, treći prsten broj nula, a četvrti prsten pokazuje toleranciju (preciznost) otpornika. BILJEŠKE 20
VJEŽBA 3. PARALELNI I SERIJSKI SPOJ OTPORNIKA U ovoj vježbi koristimo Arduino kao izvor. Otpornike spajamo serijski pa paralelno kao što prikazuju sheme. Usporedit ćemo vrijednosti dobivene korištenjem Ohmovog zakona s vrijednostima dobivenim mjerenjem. SERIJSKI SPOJ Shematski prikaz serijskog spoja dva otpornika Struja je jednakog iznosa kroz svaki element strujnog kruga. Zbroj padova napona na otpornicima je jednak ukupnom naponu izvora. Stavljajući više elemenata u seriju povećava se ukupni otpor srujnog kruga. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 2 Otpornika od 100 Ω Spojne žice Multimetar NAČIN SPAJANJA: 21
Postupak izvođenja vježbe: Na razvojnoj pločici složite strujni krug s jednom diodom i dva otpornika spojenih u seriju na izvor napona od 5 V koji dobivamo sa Arduina. Nacrtajte shematski prikaz strujnog kruga. Odredite multimetrom napone : - Napon izvora Arduina doveden na razvojnu pločicu - Napon na krajevima otpora R 1. - Napon na krajevima otpora R 2. Analiza vježbe: 1. Izračunajte ekvivalentni otpornik serijski spojenih otpornika u strujnom krugu Koristeći Ohmov zakon izračunaj jakost struje kroz strujni krug I = Izračunaj padove napona na svakom otporniku U 1 = U 2 = U 1 + U 2 = 2. Unesite vrijednosti padova napona na svakom od dva otpornika izmjerene multimetrom U 1 = U 2 = U 1 + U 2 = 3. Koliko je odstupanje izračunate vrijednosti od izmjerene vrijednosti (izrazi u postotku)? PARALELNI SPOJ Shematski prikaz paralelnog spoja dva otpornika 22
Pad napona na svakom otporniku je jednak. Zbroj struja kroz trošila jednak je struji iz baterije. Stavljanjem više trošila u strujni krug paralelno ih povezujući smanjujemo ukupni otpor u strujnom krugu. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 2 Otpornika od 460 Ω Spojne žice Multimetar NAČIN SPAJANJA: Postupak izvođenja vježbe: Na razvojnoj pločici složite strujni krug s jednom diodom i dva otpornika spojenih paralelno na izvor napona od 5 V koji dobivamo sa Arduina. Odredite multimetrom napone : - Napon izvora Arduina doveden na razvojnu pločicu - Napon na krajevima otpora R 1. - Napon na krajevima otpora R 2. Analiza vježbe: 1. Izračunajte ekvivalentni otpornik serijski spojenih otpornika u strujnom krugu Koristeći Ohmov zakon izračunaj jakost struje u strujnom krugu, te kroz svaki otpornik I = I 1 = I 2 = Izračunaj padove napona na svakom otporniku U 1 = U 2 = 2. Unesite vrijednosti padova napona na svakom od dva otpornika izmjerene multimetrom U 1 = U 2 = 3. Koliko je odstupanje izračunatih vrijednosti od izmjerene vrijednosti (izrazi u postotku)? 23
BILJEŠKE 24
VJEŽBA 4. BLINKANJE DIODE Nakon spajanja LED diode na Arduino i programiranja Arduina, LED dioda se pali i gasi u jednakim vremenskim intervalima. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 220 Ω 1 LED dioda 2 spojne žice NAČIN SPAJANJA Kod: 25
Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom BLINK 5. Pokreni program Analiza vježbe: 1. Pronađi u kodu vježbe dio koji određuje u kojem vremenskom razmaku se pali lampica. 2. Promijeni kod tako da povećaš ili smanjiš vremenski razmak blinkanja diode, te ponovo pokreni program. BILJEŠKE 26
VJEŽBA 5. LED SEMAFOR Nakon spajanja LED dioda na Arduino i programiranja Arduina, LED diode se pale i gase u jednakim vremenskim intervalima i jednakim redoslijedom. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 3 Otpornik od 330 Ω 3 LED diode (crvena, žuta, zelena) spojne žice NAČIN SPAJANJA KOD 27
Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom LED SEMAFOR 5. Pokreni program Analiza vježbe: 1. Kojim redoslijedom se pale LED lampice? 2. Što trebamo napraviti kako bi se promijenio redoslijed paljenja LED lampica ( npr. da se pale redom crvena-žuta-zelena) 3. Modificiraj programski kod tako da se zelena LED lampica upali samo 5 puta. Napiši cijeli programski kod. 4. Modificiraj programski kod iz prethodnog koraka tako da se zelena LED lampica upali samo 5 puta, a žuta LED lampica samo 4 puta. Napiši cijeli programski kod. 5. Napiši zaključak. BILJEŠKE 28
VJEŽBA 6. SVJETLOSNI OSJETNIK U ovoj ćemo vježbi naučiti koristiti Arduino za prikupljanje mjerenja (signala) dobivenih fotootpornikom LDR ((Light-Dependent Resistor ili fotoćelija), osjetnikom koji detektira svjetlost. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 220 Ω 1 Fotootpornik LDR spojne žice NAČIN SPAJANJA KOD Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom SVJETLOSNI OSJETNIK 5. Pokreni program Analiza vježbe: Koje vrijednosti očitavaš dok je mračno, a koje dok je svjetlo? 29
BILJEŠKE 30
VJEŽBA 7. NOĆNO SVJETLO U ovoj vježbi se LED dioda pali ili gasi kad količina svjetlosti postigne određenu vrijednost (određenu programom), koju detektira fotootpornik LDR (Light-Dependent Resistor ili fotoćelija). POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornika od 220 Ω 1 Otpornik od 1 kω 1 Fotootpornik LDR 1 LED dioda spojne žice NAČIN SPAJANJA Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom NOĆNO SVJETLO 5. Pokreni program 31
Kod Analiza vježbe: 1. U programu promijeni vrijednost za količinu svjetla u veću ili manju. Što primjećuješ? 2. Promijeni kod tako da LED dioda blinka kad je mrak. BILJEŠKE 32
VJEŽBA 8. SVJETLOSNA GLAZBA Kako iskoristiti analogni svjetlosni osjetnik i proizvesti glazbu uz pomoć arduina i elektronske zujalice. Promjenom intenziteta svjetlosti mijenja se frekvencija zvuka zujalice. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 1 kω 1 Fotootpornik LDR 1 LED dioda 1 PIEZO električna zujalica spojne žice NAČIN SPAJANJA Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom SVJETLOSNI SENZOR 33
KOD 34
Analiza vježbe: Približavanjem ruke osjetniku smanji i povećaj intenzitet svjetlosti, te primjeti promjenu u frekvenciji zvuka zujalice. Napomena: Piezoelektrični učinak (grč. piezo - gurati) je pojava stvaranja električnog naboja na površini posebno odrezanog kristala (čvrsti dielektrik - izolator) koji je elastično deformiran vanjskom silom. Jedna strana (površina) tog kristala nabit će se negativno, a druga pozitivno. Dakle, kristal postaje električki polariziran. Polarizacija kristala je najveća kada je naprezanje usmjereno u pravcu piezoelektrične osi kristala. Promjenom smjera deformacije dolazi do polarizacije obrnutog smjera. Piezoelektrični učinak otkrili su 1890. Jacques i Pierre Curie. Koristi se u senzorima tlaka. Najznačajniji piezoelektrični materijali su kvarc (SiO2), Seignettova sol, turmalin, topaz, kost, svila, drvo, te umjetni materijali poput raznih vrsta keramike, plastike i kristala, a u novije vrijeme PZT keramike. Iako je dugo nakon otkrića bio samo zanimljiv laboratorijski učinak, s vremenom je pronašao primjenu u brojnim uređajima. BILJEŠKE 35
VJEŽBA 9. ARDUINO OHM-METAR Ovo je veoma jednostavna ali korisna vježba koju odrađujemo pomoću Arduina. Ako nemate dovoljno vremena da bi određivali vrijednosti otpora pomoću prstenova u boji ovaj sklop će vam pomoći da na jednostavan način odredite vrijednosti nekog otpornika. U vježbi poznate vrijednost otpora možemo organizirati i označiti i koristeći njih određujemo nepoznate otpore koje mjerimo. Elektronički sklop je jednostavan i sve što trebate je otpornik poznate vrijednosti otpora, te otpornik čiju vrijednost želite izmjeriti, Arduino, razvojnu pločicu i spojne vodiče. Na razvojnoj pločici ćemo složiti djelilo napona i izmjeriti napone na otporniku čiji otpor znamo i napon na nepoznatom otporniku. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 1 kω 1 nepoznati otpornik spojne žice NAČIN SPAJANJA Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom OHMMETAR 5. Pokreni program 36
KOD Analiza vježbe: 1. Odspoji nepoznati otpornik te na mjesta njegovih krajeva umetni dvije duge spojne žice. 2. Slobodnim krajevima tih spojnih žica pokušaj izmjeriti otpor nekog nepoznatog otpornika. BILJEŠKE 37
VJEŽBA 10. ARDUINO VOLTMETAR Ovo je veoma jednostavna ali korisna vježba koju odrađujemo pomoću Arduina. Elektronički sklop je jednostavan i sve što trebate su 2 otpornika, Arduino, razvojna ploča i spojne žice. Na razvojnoj ploči ćemo složiti djelilo napona i izmjeriti napon na krajevima žica. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 10 kω 1 Otpornik od 100 kω spojne žice NAČIN SPAJANJA Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom VOLTMETAR 5. Pokreni program 38
KOD Analiza vježbe: 1. Provjeri napon na nekoj bateriji. BILJEŠKE 34 39
VJEŽBA 11. ZVUČNA TIPKOVNICA Zanimljiva vježba u kojoj uz pomoć prekidača, otpornika i elektronske zujalice možemo napraviti Arduino- glazbalo. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 2 Otpornika od 10kΩ 1 Otpornik od 1 MΩ 1 Otpornik od 220Ω 4 Mikroprekidača 1 PIEZO električna zujalica spojne žice NAČIN SPAJANJA Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program Arduino 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom ZVUČNA TIPKOVNICA 5. Pokreni program 40
KOD Analiza vježbe: Pritiskom na prekidače možemo čuti četiri različite frekvencije zvuka na elektronskoj zujalici. 41
BILJEŠKE 42
VJEŽBA 12. PARKIRNI OSJETNIK U ovoj vježbi koristi se ultrazvučni osjetnik pomoću kojeg mjerimo udaljenost do prepreke. Udaljenost se ispisuje na ekranu. U sklop je dodana i PIEZO električna zujalica te LED dioda koji zvukom i svjetlom upozoravaju kad je prepreka preblizu. POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 Otpornik od 1 kω 1 Ultrazvučni osjetnik 1 LED dioda 1 PIEZO električna zujalica spojne žice NAČIN SPAJANJA 43
KOD 44
Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program ARDUINO 3. Unesite kod programa u program 4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom ECHO SENSOR 5. Pokreni program Analiza vježbe: 1. Postavi prepreku ispred ultrazvučnog osjetnika. Izmjeri udaljenost između osjetnika i prepreke metrom. d 1 = 2. Očitaj na ekranu računala udaljenost između osjetnika i prepreke koju je izmjerio Arduino. d 2 = 3. Napravi nekoliko mjerenja te izračunaj srednje odstupanje. 4. Pomakni prepreku prema ultrazvučnom osjetniku sve dok se ne upali Piezo zujalica i LED dioda. Kolika je ta udaljenost? d g = 5. Pokušaj u programskom kodu promijeniti tu graničnu udaljenost te ponovi zadatak 4. BILJEŠKE 45
VJEŽBA 13. Ova vježba napravljena je na Arduino platformi za simulaciju elektroničkih sklopova Autodesk Circuits. Da bi započeli s radom, potrebno je u URL unijeti https://circuits.io, te izraditi account. Klikom na Open Electronics Lab Hub možete početi izgrađivati svoje sklopove online. POKRETANJE VENTILATORA PROMJENOM TEMPERATURE POTREBNI ELEMENTI: 1 Arduino 1 USB kabel 1 Razvojna ploča 1 DC motor 1 Temperaturni osjetnik (LM35) spojne žice Lopatice za ventilator NAČIN SPAJANJA Postupak izvođenja vježbe: 1. Spojite elemente online prema priloženoj shemi spoja 2. Unesite kod programa u Code Editor 3. Klikni na Settings i snimi vježbu pod nazivom VENTILATOR 4. Kliknite na ikonu Start Simulation 46
KOD Analiza vježbe: 1.Klikom na temperaturni osjetnik pojavit će se klizač kojim možete očitati i mijenjati temperaturu. Povećajte temperaturu dok se ventilator ne pokrene. 2.U programskom kodu promijeni graničnu temperaturu pri kojoj se pokrene ventilator, te ponovo pokreni program. 47
BILJEŠKE 48
Literatura i izvori www.circuits.io www.arduino.cc 49