Доброго времени суток, уважаемые любители робототехники.
Сегодня сам урок будет поделен на 4 части:
• Основные понятия электричества
• Основы и некоторые элементы схем
• Практическое занятие, на котором мы соберем необычный инструмент – терменвокс
• Программная часть занятия, на котором мы рассмотрим как терменвокс программируется
Итак, начнем
Как вы знаете (или еще не знаете, но теперь точно будете знать) одна из важнейших систем робота – это система управления, грубо говоря, его «мозг». Она включает в себя чаще всего микроконтроллер и обвязку. Микроконтроллер — это проще говоря, маленький компьютер, обрабатывающий поступающие на него данные (например, показания датчиков) в нужной последовательности и отправляющий обработанные команды на исполнительные органы (двигатели) робота. Обвязкой называются все те элементы, которые позволяют микроконтроллеру взаимодействовать с внешними устройствами тем или иным образом. Микроконтроллер включает в себя программу, написанную на конкретном языке, который воспринимает. После загрузки программы (прошивки) он начинает работать в последовательности, описанной программой.
Система управления связана с другими системами робота с помощью проводов и промежуточных схем. Схемы состоят из элементов. Некоторые виды простейших элементов мы рассмотрим в данной статье. Но кроме элементов и систем, входящих в робота, он не будет работать без простейшего – без энергии. Робот – это механизм, системы которого не работают без электричества. Давайте рассмотрим что же такое ток.
Что такое электрический ток
Все пользуются электричеством, в кармане у каждого есть мобильный телефон, когда мы приходим домой мы включаем свет , смотрим в холодильник, включаем, чайник, тостер микроволновую печь, компьютер, телевизор. Все эти приборы, как и робот, работают за счет электричества. Все знают, что ток течет по проводам, однако не все понимают что же это такое. Очень редко это объясняют даже в институтах, что уж говорить о школах. Но мы попытаемся это понять.
Итак, как же все таки течет ток по проводам? Всё очень просто. Допустим есть материал, который пропускает ток, назовем его проводник. Проводник, как и любой материал состоит из атомов, малюсеньких частичек, соединенных друг с другом за счет естественных сил. Каждый атом имеет внутри себя еще более малюсенькие элементы: электроны, протоны и нейтроны. Так вот, когда говорят, что по проводу течет ток – это значит, что эти электроны отделяются от атомов и движутся в одном направлении по проводнику
Если им на пути встречается препятствие, они отталкивают его, и чем электронов больше чем сильнее они отталкивают.
Что такое сила тока, напряжение, сопротивление
Давайте представим, что проводник поперек пересекает лист бумаги (плоскость). Так вот, чем больше электронов проходят за секунду, тем больше сила тока в проводнике.
Электроны движутся немножко колеблясь. Прямо бежать просто, колеблясь тяжелее, электронам приходится напрягаться. И чем сильнее они колеблются из стороны в сторону тем больше они напрягаются. Так вот, это колебание можно назвать напряжением.
Материал проводника, а точнее атомы, оставшиеся без электронов, пытаются притянуть к себе электроны, пролетающие мимо них, от этого электроны и колеблются. И чем сильнее атомы мешают двигаться электронам, тем больше напряжение. Материал проводника сопротивляется движению электронов и поэтому существует такое понятие сопротивление. То есть это та величина, с которой проводник мешает электронам двигаться вдоль проводника.
Эти три величины — сила тока, напряжение и сопротивление – тесно связаны между собой в определенном соотношении. Это соотношение обнаружил знаменитый немецкий физик Георг Ом. Поэтому это соотношение называется закон Ома. В упрощенном виде оно выглядит следующим образом: сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Чем больше напряжение и чем меньше сопротивление, тем больше сила тока.
С основами разобрались, в дальнейшем будем рассматривать более углубленно. Итак мы поняли что такое ток, напряжение, сопротивление. Есть энергия питающая нашего робота. Теперь давайте рассмотрим, через что проходит это ток в роботе. Ток питает энергией микроконтроллер, который является, по сути схемой, связанной с другими схемами. Что такое схема? Это электронное устройство, состоящее чаще всего из элементов и платы или проводников, которые связывают эти элементы. Схемой также можно назвать упрощенное изображение на бумаге этого устройства, показывающее, как его элементы между собой связаны. На рисунке показана реальная схема и ее изображение на бумаге (принципиальная схема).
Разновидности принципиальных схем мы рассмотрим на последующих занятиях.
Управлять электричеством в схемах можно вручную (с использованием кнопок и переключателей) или автоматически (с использованием микроконтроллера, содержащего программу).
Микроконтроллер с обвязкой на плате распределяет как, куда и каким образом распределяется ток по другим схемам. Таким образом и осуществляется управление роботом. Представителем такой управляющей платы можно назвать плату Arduino.
Беспаечная сборка схем
Бывает так, что схема придумана неправильно, и после ее сборки она сгорает, или же просто не работает. Если мы собираем схему, связывая элементы схемы через проводники пайкой а в итоге она не работает это печально. И очень тяжело определить тот элемент который не срабатывает, или перебрать схему по-другому – это очень трудоемко (выпаять элементы, связать по новому, спаять по новому). Как же облегчить себе работу?
Решение есть! Беспаечные платы. Их еще называют макетными или брэдбордами (хлебная доска). Принцип работы прост: под пластиком расположены медные проводники (их еще называют рельсами), выложенные линеечками, на которых можно соединять элементы схемы в разной последовательности. Это позволяет легко и быстро собирать, проверять и пересобирать схему как нам заблагорассудится. После сборки такой беспаечной схемы и ее проверки можно собирать и паять ее на плате.
А теперь давайте рассмотрим некоторые элементы этих схем. В продолжении данной статьи предлагаю рассмотреть резистор, конденсатор, диод, фоторезистор и пьезопищалку.
Резистор
Мы уже рассматривали, что такое сопротивление и как оно влияет на ток. Но иногда сопротивления в проводнике недостаточно, и ток течет слишком сильный. Чтобы ограничить течение тока мы используем дополнительное искусственное сопротивление, которое называется резистором. Резистор уменьшает силу тока, преобразуя в тепло лишнюю энергию.
Резисторы имеют разное внутреннее сопротивление. Чтобы их различать используется цветовая маркировка. Цветовая, потому, что если бы сопротивление писалось числом, цифры были бы очень-очень маленькими и их было бы не разобрать без увеличения. Поэтому маркируют сопротивление несколькими цветовыми полосками (сам корпус может иметь любой цвет) и выглядит это так:
Конденсатор
Все видели батарейки и аккумуляторы, которые хранят какое-то количество электричества, и будучи вставленными в бытовые приборы отдают эту энергию. Так вот конденсатор – это маленький аккумулятор, который накапливает энергию, а потом ее сбрасывает. Зачем это нужно? Ток в цепи часто течет неравномерно, напряжение электронов меняется, конденсатор забирает на себя лишнюю энергию и сбрасывает энергию в случае ее нехватки в цепь, тем самым выравнивая течение тока. Маркируется конденсатор тремя цифрами. Они указывают на основной параметр конденсатора – емкость, то есть сколько энергии он способен в себе держать.
Диод
Диод – это запирающее устройство. Как в мяче ниппель позволяет накачивать воздух в мяч, но мешает ему выйти наружу, так и диод пропускает ток только в одном направлении. Его выходы называются катод и анод. Ток по диоду течет только от анода к катоду.Это используется в схемах, в которых есть вероятность течения тока в нескольких направлениях, и это может сжечь элементы цепи.
Фоторезистор
Фоторезистор – это разновидность резистора, сопротивление которого не постоянно, а меняется в зависимости от яркости попадаемого на него света. Чем ярче свет попадает на фоторезистор, тем меньше его сопротивление.
Пьезопищалка
Это устройство, которое переводит приходящее напряжение в звук. Звук издается с определенной частотой, которая зависит от поступающего на пищалку напряжения. Фактически это тот же конденсатор, только пищащий при зарядке или разрядке.
Практическая часть занятия
Итак, мы рассмотрели что же такое резистор, фоторезистор, пъезопищалка и что можно управлять током автоматически при помощи микроконтроллера. Предлагаю закрепить наши знания и собрать довольно интересный инструмент – терменвокс. Это первый в истории электронный музыкальный инструмент, созданный еще в 1919 году. Игра на терменвоксе заключается в изменении музыкантом расстояния от его рук до антенн инструмента, за счёт чего изменяется частота звука.
Мы соберем простенькую копию этого инструмента . на брэдборде она будет выглядеть следующим образом:
На контроллере выходы (пины) промаркированы и все что нам надо на сегодня — это правильно соединить контакты (как показано на рисунке). После соединения контактов прошиваем плату и получаем примерно следующее:
Программная часть занятия (программирование прошивки).
Программирование платы Arduino производится в специальной среде программирования IDE Arduino. На рисунке 1 показан внешний вид IDE Arduino. Окно программы содержит следующие элементы:
— рабочая область (редактор текста программы);
— область сообщений;
— окно вывода текста (консоль);
— панель инструментов с часто используемыми командами и строки меню.
Программа, написанная для платы Arduino называется скетчем.
В каждом скетче обязательно должны присутствовать две функции: void setup() и void loop(). После названия функции пишутся круглые скобки, затем в фигурных скобках пишутся те действия, которые должны выполняться в данной функции.
Функция setup() выполняется один раз, каждый раз, когда включается питание платы или после сброса платы. В теле функции setup() пишутся некоторые подготовительные действия: инициализируются переменные, устанавливаются режимы работы портов, и т.п. Функция loop() выполняется снова и снова в бесконечном цикле после выполнения функции setup() и до выключения питания платы.
Рассмотрим основные элементы программы, необходимые для написания терменвокса.
Сначала необходимо задать номера выводов, к которым подключены элементы.
Для этого используем ключевое слово #define. Правило его использования следующее:
#define идентификатор текст_замены
Все появления последовательности символов «идентификатор» в тексте программы заменяется «текст-замены».
Пьезопищалка подключена к 3 выходу. Задаем для нее идентификатор BUZZER и текст замены 3(т.е. везде, где в тексте будет встречаться слово BUZZER будет производиться замена на номер пина 3).
#define BUZZER 3
Аналогично задается идентификатор PHOTORES для фоторезиста и номер пина А0.
#define PHOTORES A0
Функция pinMode() нужна для установки режима работы заданного пина как входа либо как выхода. Т.к. эту функцию необходимо выполнить один раз при включении питания платы, она прописывается внутри функции pinMode(pin, mode), где
• pin: номер вывода, к которому подключен какой-то элемент
• mode: слово INPUT устанавливает пин как вход, OUTPUT — как выход.
Внутри функции loop() должно происходить считывание аналогового значения (от 0 до 1023) с фоторезистера, в зависимости от него вычисляться частота звучания пьезопищалки и посылаться команда на нее команда издавать звуковой сигнал с этой частотой. Для того, чтобы реализовать эту последовательность, нам необходимо познакомиться с некоторыми понятиями:
Переменная — это именованный участок памяти, в котором хранится значение, которое может изменяться в процессе выполнения программы. Перед тем, как оспользовать переменные, их надо объявить. Объявление переменных имеет такой вид:
тип имя_переменной;
Тип определяет множество значений, которые могут принимать переменные, а также совокупность операций, до¬пустимых над ними.
На рисунке 2 изображена таблица типов данных.
Рисунок 2 — Типы данных
Например объявляемые переменные int val, frequency являются целочисленными и будут содержать значение полученное от фоторезиста и частоту соответственно.
Функция analogRead(pin) — считывает значение с указанного аналогового входа (от 0 до 1023), где pin: номер порта аналогового входа с которого будет производиться считывание
Функция map(value, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh) пропорционально переносит значение (value) из текущего диапазона (fromLow .. fromHigh) в новый диапазон (toLow .. toHigh).
tone(pin, frequency, duration) — Генерирует на порту pin сигнал с частотой frequency и длительностью duration.
где
• pin: номер порта, на котором генерируется звуковой сигнал
• frequency: частота звукового сигнала в Гц
• duration: длительность звукового сигнала в миллисекундах
Используя полученную информацию составим программу для терменвокса.
#define BUZZER 3
#define PHOTORES A0
void setup()
{
pinMode(BUZZER, OUTPUT);
// все остальные пины являются входами по умолчанию, поэтому необязательно настраивать PHOTORES в режим входа: он им является изначально
}
void loop()
{
int val, frequency;
// в переменную val считывается уровень освещённости
val = analogRead(PHOTORES);
// рассчитываем частоту звучания пищалки в герцах (ноту),
frequency = map(val, 0, 1023, 3500, 4500);
// заставляем пин с пищалкой звучать на заданной частоте 20 миллисекунд.
tone(BUZZER, frequency, 20);
}
