Strelets Diana

Урок 1. Управление светом

План:

1. Общие сведения об Arduino
2. Электричество.
3. Breadboard
4. Светодиод
5. Резистор
6. Кнопка
7. Начало работы с S4A

Теоретическая часть

1. Общие сведения об Arduino

На первом уроке мы познакомимся с платформой Arduino и научимся с ее помощью создавать различные виды светильников.
Платформа Arduino – это контроллер, с помощью которого Вы можете собирать и обрабатывать информацию с датчиков, а также управлять различными устройствами: двигатели, дисплеи, светодиоды и т.д.
Существует большое разнообразие моделей Arduino, мы будем использовать платформу ArduinoMega 2560.
Внешний вид Arduino Mega изображен на рисунке где:
1. USB порт для подключения Arduino к компьютеру и питания 5В.
2. Разъем для подключения дополнительного питания 9В.
3. Микроконтроллер – производит все вычислительные операции, сбор и обработку информации, управляет внешними устройствами.
4. Кнопка Reset – перезагрузка. Запускает программу сначала.
5. Встроенный светодиод – подключен к 13 порту.

 

ардуино

Рисунок 1 – Arduino Mega 2560

Внешние устройства подключаются к пронумерованным портам (пинам).

2. Электричество.

Все пользуются электричеством, в кармане у каждого есть мобильный телефон, приходя домой, мы включаем свет, включаем чайник, микроволновую печь, компьютер, телевизор. Все эти приборы, как и робот, работают за счет электричества. Все знают, что ток течет по проводам, но как же это все-таки происходит?
Чтобы просто представить себе электрический ток, проведем аналогию с водопроводной трубой и водой в ней. Вода течет по трубе (проводнику) из области высокого давления в область низкого. Поток воды назовем электрическим током. Электрический ток так же возникает между точками проводника, имеющими разный электрический потенциал. Разность потенциалов называется напряжением. При уменьшении диаметра трубы поток воды (электрический ток) уменьшается. Влияние, которое препятствует движению воды, называется сопротивлением или нагрузкой.
Итак, водный поток можно принять за электрический ток, протекающий через нагрузку. С помощью этой аналогии вы, наверное, можете самостоятельно определить, как изменится ток при увеличении напряжения (повышении давления воды в трубе).
Материалы, не позволяющие току течь, называются диэлектриками, позволяющие – проводниками, позволяющие при одних условиях и не позволяющие при других -полупроводниками.
В электрической цепи сопротивление электрическому току оказывают различные устройства, например, обычная лампочка - электроны, движущиеся под действием напряжения, разгоняются и приобретают кинетическую энергию, которую они отдают атомам кристаллической решетки спирали лампочки при соударениях. Атомы приходят в колебательное движение, повышается внутренняя энергия вещества, что внешне проявляется как нагрев проводника и излучение света.
Потенциал и напряжение (обозначаются буквой U или V) измеряется в вольтах; сила тока (обозначается буквой I) - в амперах (А). В электронике обычно используются напряжения от долей вольт до десятков вольт и силы тока от долей миллиампер (мА) до сотен миллиампер.
По договорённости считается, что ток течёт в направлении от плюса к минусу. По аналогии как вода течёт из области высокого давления к пустому концу трубы (разность потенциалов). Когда ток течет постоянно в одном направлении, его называют постоянным.
Точку возврата/слива отработавших зарядов в электроцепи называют землёй (Ground, GND). Не нужно понимать «землю» в буквальном смысле. Ей может быть и отрицательный полюс батарейки, и корпус автомобиля, и, действительно, планета Земля. Для удобства считают, что земля - это потенциал в 0 В. Все остальные потенциалы считают относительно неё.
Итак, три величины - сила тока (обозначается буквой I), напряжение (U) и сопротивление (R) - 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.
I = U/R
С основами разобрались, в дальнейшем будем рассматривать более углубленно. Итак, мы узнали, 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 производит вычислительные и логические операции, используя такие же маленькие краники, которые мы рассматривали выше. Краники (логические элементы), связанны в определенной последовательности (по схеме) и закрываются или открываются в зависимости от программы.
Часто электрической схемой называют электронное устройство, состоящее из радиоэлементов и платы с проводниками, которые связывают эти элементы. Схемой также можно назвать упрощенное изображение на бумаге этого устройства, показывающее, как его элементы между собой связаны.
Итак, микроконтроллер по программе управляет подключенными к нему согласно схеме электрическими устройствами, например лампочкой или двигателем в роботе. В дальнейшем мы узнаем, как с помощью контроллера можно собирать и анализировать параметры окружающей среды, принимать управляющие сигналы и использовать эти данные в управлении внешними устройствами.

3. Breadboard

Для сборки схем, мы будем использовать breadboard.

бредборд

Рисунок 2 – Breadboard

По краям располагаются по две шины для подключения плюса и минуса. Все разъемы на шине соединены горизонтально по всей длине бредборда. Для удобства на бредборде графически обозначены шина плюса и минуса красной и синей прямыми соответственно, но конструктивных отличний между шинами нет. Принято выводить плюс и минус на шины с соответствующими обозначениями, но на практике Вы можете на любую шину вывести или плюс или минус, независимо от ее обозначения. В центре находится два блока основных разъемов. Как видно из рисунка, разъемы одного блока соединены между собой вертикально, по 5 разъемов.

4. 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 (номинал). 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. Мы будем использовать резисторы с сопротивлением 220 Ом, 1 кОм и 10 кОм.

 

 

ризисторы

Рисунок 3 - Резисторы

5. Светодиод

Светодиод – это электроэлемент, который светится при прохождении через него электрического тока. Собственное его сопротивление очень маленькое, поэтому при подключении светодиода необходимо последовательно с ним включать резистор, иначе диод может перегореть. Светодиодов встречается большое разнообразие. Они бывают разных цветов свечения, размеров, форм, яркости. Для определения направления движения тока, ножки светодиода выполнены разной длины. Ток подается к длинной ножке (анод, плюс), земля подключается к короткой (катод, минус). Ниже изображены разновидности светодиодов.

 

светодиоды

Рисунок 4 – Разновидности светодиодов.

6. Кнопка

Очень часто необходимо управлять роботом или устройством посредством подачи импульсов. Рассмотрим обыкновенную компьютерную клавиатуру. У нее каждая клавиша выполнена в виде тактовой кнопки. Это чаще всего разомкнутый контакт, который практически мгновенно замыкается при нажатии. Этот вид кнопки имеет два состояния "замкнуто" и соответственно "разомкнуто". Кнопка практически мгновенно возвращается в исходное положение, размыкая контакт за счет пружинки при снятии с нее прижимающего усилия (пальца). Кнопка имеет четыре вывода, они соединены попарно между собой. Один подключается к земле, другой к любому цифровому выводу на Arduino.

Тактовые кнопки

Рисунок 5 – Тактовые кнопки

7. Начало работы с S4A

Для быстрого и удобного создания программы для Arduino существует среда визуального программирования S4A, основанная на SKRETCH - визуальной объектно-ориентированной среде программирования для обучения школьников младших и средних классов. Она позволяет не писать код, а собирать программу из блоков. Скачать программу можно на сайте s4a.cat в вашем личном кабинете..

Внешний вид программы показан на рисунке 6.

Внешний вид программы S4A

Рисунок 6 - Внешний вид программы S4A

Большое поле в середине экрана называется областью скриптов. Это та область, в которой будет собираться программа. В левой части окна содержатся все блоки, из которых будет строиться программа. Блоки поделены на 8 функциональных групп:
Движение
Контроль
Внешность
Сенсоры
Звук
Операторы
Перо
Переменные
Рассмотрим основные блоки, которыми мы будем пользоваться при создании программ для Arduino.

Группа Движение
value of sensor - значение датчика, подключенного к заданному аналоговому входу (может принимать значения от 0 до 1023). Изменить номер входа можно, нажав на черный треугольник возле имени входа.
digital pressed - значение датчика, подключенного к заданному дискретному(цифровому) входу. Может принимать значение 1 и 0 (HIGH и LOW).
digital on - передает на заданный дискретный выход значение HIGH.
digital off - передает на заданный дискретный выход значение LOW.
analog value - передает на заданный аналоговый выход значение от 0 до 255.

Группа Контроль
когда щелкнут по - блок, который начинает выполнение программы при нажатии на зеленый флажок. Ставится в начале программы.
всегда - внутри блока “всегда” располагается последовательность действий, которая будет выполняться постоянно, пока включено питание платы.
ждать  - задержка заданной длины.
если - внутри блока располагается последовательность действий, которые выполняются, если выполняется условие.

Группа Переменные
Переменная – объект, который имеет имя и хранит в себе значение. Значение можно использовать и изменять.
поставить  - присвоить выбранной переменной какое-либо значение. Сначала нужно создать переменную, нажав на кнопку Создать переменную, которая находится в элементах этой же функциональной группы.


Блоки можно, подцепив мышкой, перенести в среднее окно — область скриптов. Именно в этой области из блоков, как из кирпичиков, будет формироваться программа. Стоит обратить внимание, что блоки соединяются между собой как детальки в конструкторе Лего. Иногда это может служить подсказкой. Если какие-то блоки не соединяются между собой, значит вы что-то делаете неправильно.

Практическая часть

1. Помигать встроенным, в плату светодиодом.

Для начала напишем простейшую программу, которая зажигает встроенный светодиод, подключенный к 13 пину.
Рассмотрим этот процесс по шагам:
Шаг 1. Подключить Arduino к компьютеру, используя USB-кабель.
Шаг 2. Вытащить на область скриптов блоки «Когда щелкнут по» и «Всегда», которые обычно образуют стандартную структуру программы.

Шаг 3. Для того, чтобы тринадцатый светодиод засветился, в блок «Всегда» поместить блок «Digital 13 on».

простейшая программа

Шаг 4. Для того, чтобы светодиод мигал с периодичностью 1с, необходимо его сначала зажечь, затем через 1с потушить и подождать еще 1с перед тем, как зажечь его снова.

мигание диодом

2. Зажечь внешний светодиод.

Шаг 1. Соберем схему на макетной плате. Катод (короткую ножку) подключаем к земле ( порт GND на Arduino ), анод к плюсу (цифровому порту). Он будет светиться, когда на цифровом порту возникнет напряжение. Включаем в цепь резистор на 220Ом. Резистор может находиться как со стороны земли, так и со стороны плюса.

подключение светодиода

Шаг 2. Для того, чтобы мигал светодиод, который мы подключили к 12 выводу, меняем в программе номер порта.

моргание светодиодом

 

3. Реализовать светильник, который светится, когда удерживается кнопка.

Шаг 1. Собрать схему. Т.к. и кнопка и светодиод подключаются к земле, мы, для удобства, вывели землю на общую шину.

подключение кнопки

Шаг 2. Рассуждаем следующим образом: если нажата кнопка, то посылаем на 12 порт значение on, иначе посылаем значение off. Состояние кнопки получаем с помощью блока «sensor Digital2 pressed?» (датчик, подключенный ко второму цифровому порту нажат?). Для того, чтобы выполнить определенные действия при выполнении условия используется блок «Если». Если в случае невыполнения условия необходимо выполнить другие действия, используется блок «Если … или». Получаем программу следующего вида:

промежуточный шаг

 

4. Реализовать светильник, который загорается и гаснет при нажатии кнопки.

Шаг 1. Т.к. этом проекте используются те же элементы, что и в предыдущем, то схему оставляем неизменно.
Шаг 2. Введем переменную «состояниеСветодиода», которая будет равна или 0 или 1 и будет определять состояние светодиода. Ее значение будет изменяться при нажатии кнопки. В начале выполнения программы поставим переменную в значение 0 (в будущем будем использовать фразу «присвоим переменной значение...»). Это действие должно выполниться только один раз, поэтому ставим соответствующий блок над блоком «Всегда». Далее проверяем значение порта, к которому подключена кнопка. Как только кнопка была нажата меняем значение переменной «состояниеСветодиода».

изменение значения переменной

Шаг 3. В предыдущем шаге мы организовали изменение значения переменной каждый раз, когда нажимается кнопка. Теперь необходимо изменить состояние светодиода, в зависимости от значения переменной. Для этого используем блок «Если … или». Также добавляем небольшую задержку перед началом следующей проверки.

итоговая программа

 

 

Приобрести набор и брошюру для самостоятельного изучения либо преподавания можно здесь

 


Учебная программа курса


Урок 2


Похожие посты:

Программа для управления частотой пьезопищалки двумя кнопками

Урок 3. Надежный охранник

Лучшее за 24 часа

ОТКРЫТ НОВЫЙ НАБОР ДЕТЕЙ НА КУРСЫ РОБОТОТЕХНИКИ ПО ВСЕЙ УКРАИНЕ!

0
Комментировать
Введите код: