moderne kompetencije za modernu gimnaziju mikroelektronika · izrada skripte “mikroelektronika u...

IV Gimnazija Marko MarulićUlaganje u budućnost

Europska unija

Mikroelektronikau fizici

MKMGmoderne kompetencije za modernu gimnaziju

www.moderna-gimnazija.eu

skripta


Fond: Europski socijalni fondOperativni program: Razvoj ljudskih potencijala 2007.-2013.Tip natječaja: Otvoreni poziv na dostavu projektnih prijedloga (bespovratna sredstva)Nadležno tijelo: Ministarstvo znanosti, obrazovanja i sportaPodručje: obrazovanje, vještine i cjeloživotno učenje

INFO O PROJEKTU

Naziv projekta: Moderne kompetencije za modernu gimnazijuNaziv 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 79378469023Adresa 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 380Kontakt mail [email protected]

PROJEKTNI PARTNERI Naziv pravne osobe OIB Mjesto Sveučilište u Splitu, Prirodoslovno-matematički fakultet 20858497843 Split Sveučilište u Splitu, Medicinski fakultet 02879747067 SplitSveučilište 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 u fizici” fakultativniog predmeta: Mikroelektronika u fizici 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


1

Primjena mikroračunala u nastavi �zike

Arduino projekti za poboljšanje STEM obrazovanja u �zici

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.)


2

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.


3

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 osjetnikakorak 2: ako je temperatura veća od (npr.) 10 C upali kompresorkorak 3: ako je temperatura niža od (npr.) 8 C ugasi kompresorkorak 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".


4

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.

Nekoliko mikrokontrolera je prikazano na slikama 1 i 2:


5

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


6

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 uređaji2) 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 mikrokontrol-era 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:


7

sl.8: Arduino Uno sl.9: Arduino Duemilanove

sl.10: Arduino Diecimila sl.11: Arduino Extreme sl.12: Arduino Lilypad

sl.13: Arduino Nano sl.14: Arduino Mini

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.


8

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


9

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


10

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.


11

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,


12

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


13

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


14

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


15

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.


16

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 GIBANJAU 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 udal-jenosti 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


17

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 (C1 → t; min=0 i max=10), te položajem x na ordinati (C2→ 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 x2 = – 6 m a x1= – 2 m.4. Izračunajte brzinu ako se taj pomak dogodio za dvije sekunde.


18

BILJEŠKE


19

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 220 Ω1 LED dioda2 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)….


20

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


21

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

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.

Shematski prikaz serijskog spoja dva otpornika

POTREBNI ELEMENTI:1 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča2 Otpornika od 100 ΩSpojne žiceMultimetar

NAČIN SPAJANJA:


22

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 R1 __________. - Napon na krajevima otpora R2 __________.

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 U1 = ________________ U2 = ___________________ U1 + U2 = ______________

2. Unesite vrijednosti padova napona na svakom od dva otpornika izmjerene multimetrom U1 = ________________ U2 = ___________________ U1 + U2 = ______________

3. Koliko je odstupanje izračunate vrijednosti od izmjerene vrijednosti (izrazi u postotku)? _____________________________________________________

PARALELNI SPOJ

Shematski prikaz paralelnog spoja dva otpornika


23

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča2 Otpornika od 460 ΩSpojne žiceMultimetar

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 R1 __________. - Napon na krajevima otpora R2 __________.

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 =_________________ I1 = ____________________ I2 =__________________ Izračunaj padove napona na svakom otporniku U1 = ________________ U2 = ___________________ 2. Unesite vrijednosti padova napona na svakom od dva otpornika izmjerene multimetrom U1 = ________________ U2 = ___________________ 3. Koliko je odstupanje izračunatih vrijednosti od izmjerene vrijednosti (izrazi u postotku)? _____________________________________________________


24

BILJEŠKE


25

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 220 Ω1 LED dioda2 spojne žice

NAČIN SPAJANJA

Kod:


26

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 BLINK5. 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


27

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča3 Otpornik od 330 Ω3 LED diode (crvena, žuta, zelena) spojne žice

NAČIN SPAJANJA

KOD


28

Postupak izvođenja vježbe:1. Spojite elemente prema priloženoj shemi spoja 2. Sa radne površine računala otvori program „ARDUINO“ 3. Unesite kod programa u program Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom LED SEMAFOR5. 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


29

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 220 Ω1 Fotootpornik LDR 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 Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom SVJETLOSNI OSJETNIK5. Pokreni program

Analiza vježbe:Koje vrijednosti očitavaš dok je mračno, a koje dok je svjetlo?

KOD


30

BILJEŠKE


31

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornika od 220 Ω1 Otpornik od 1 kΩ1 Fotootpornik LDR 1 LED diodaspojne 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 Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom NOĆNO SVJETLO5. Pokreni program


32

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


33

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 1 kΩ1 Fotootpornik LDR1 LED dioda1 PIEZO električna zujalicaspojne 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 Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom SVJETLOSNI SENZOR


34

KOD


35

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 pose-bno 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 piezoe-lektrične 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

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 1 kΩ1 nepoznati otpornik spojne žice


36

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 Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom OHMMETAR5. Pokreni program


37

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


38

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 10 kΩ1 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 Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom VOLTMETAR5. Pokreni program

34


39

KOD

Analiza vježbe:1. Provjeri napon na nekoj bateriji.

BILJEŠKE


40

VJEŽBA 11. ZVUČNA TIPKOVNICA

Zanimljiva vježba u kojoj uz pomoć prekidača, otpornika i elektronske zujalice možemo napraviti Arduino- glazbalo.

POTREBNI ELEMENTI:1 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča2 Otpornika od 10kΩ1 Otpornik od 1 MΩ1 Otpornik od 220Ω4 Mikroprekidača1 PIEZO električna zujalicaspojne 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 Arduino4. Idite na File=>Save i spremite projekt pod nazivom ZVUČNA TIPKOVNICA5. Pokreni program


41

KOD

Analiza vježbe:Pritiskom na prekidače možemo čuti četiri različite frekvencije zvuka na elektronskoj zujalici.


42

BILJEŠKE


43

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 Otpornik od 1 kΩ1 Ultrazvučni osjetnik1 LED dioda1 PIEZO električna zujalica spojne žice

NAČIN SPAJANJA


44

KOD


45

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 SENSOR5. Pokreni program

Analiza vježbe:1. Postavi prepreku ispred ultrazvučnog osjetnika. Izmjeri udaljenost između osjetnika i prepreke metrom. d1=___________2. Očitaj na ekranu računala udaljenost između osjetnika i prepreke koju je „izmjerio“ Arduino.d2=__________________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?dg=____________5. Pokušaj u programskom kodu promijeniti tu graničnu udaljenost te ponovi zadatak 4.

BILJEŠKE


46

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 Arduino1 USB kabel1 Razvojna ploča1 DC motor1 Temperaturni osjetnik (LM35)spojne žiceLopatice za ventilator

NAČIN SPAJANJA

Postupak izvođenja vježbe:1. Spojite elemente online prema priloženoj shemi spoja 2. Unesite kod programa u Code Editor3. Klikni na Settings i snimi vježbu pod nazivom VENTILATOR4. Kliknite na ikonu Start Simulation


47

KOD

Analiza vježbe:1.Klikom na temperaturni osjetnik pojavit će se „klizač“ kojim možete očitati i mijenjati temper-aturu. Povećajte temperaturu dok se ventilator ne pokrene.2.U programskom kodu promijeni graničnu temperaturu pri kojoj se pokrene ventilator, te ponovo pokreni program.


48

BILJEŠKE


49

Literatura i izvori

www.circuits.iowww.arduino.cc

moderne kompetencije za modernu gimnaziju mikroelektronika · izrada skripte “mikroelektronika u...

Documents