Kuidas õppida seadmeid looma – PICAXE mikrokontrolleriga

Uudised

Mikrokontroller on tänapäeva tehnikaseadmete põhiline element. Mikrolaineahi, pesumasin, telefon, õmblusmasin jms hõlmavad ühte või mitut mikrokontrollerit. Seetõttu on igati asjakohane lisada mikrokontrolleri tehnika põhialused tänapäeva koolitundidesse.

Mikrokontrolleri rakendamist õpetatakse probleemipüstituse abil. Teemadeks on programmeerimine, andmete kogumine, probleemide lahendamine, planeerimine/disainimine, seadme ehitamine ja mitmed elektroonika põhiühendused, nt jootmine. Mikrokontrolleri abil on väga lihtne planeerida/disainida ja rakendada intelligentseid süsteeme. Näiteks võib koolitunnis olla ülesandeks lihtsa musta joone järgi liikuva seadme või kasvõi ümbritseva keskkonna tingimustele vastava targa ehte disainimine ideest lõpptulemuseni. PICAXE mikrokontrolleri õpetamine on suhteliselt lihtne ja isegi vähesel juhendamisel õpivad noored mõistma süsteemide toimimist ja seadmete programmeerimist.
Mis on PICAXE? PICAXE on Inglismaal arendatud ning õpilase seisukohalt väga lihtne ja odav programmeeritav mikrokontroller.

Õpilane saab sellega teha lihtsaid programme juba 20-minutilise õpetamise järel.

Selles artiklis käsitletakse mikrokontrollerite programmeerimist, seadmete loomist ja elektroonika õpetamist põhikoolis.

Kuidas mikrokontroller töötab?

PICAXE_STEP

PICAXE-projektiplaadiga on lihtne illustreerida programmeerimist ning teha programmeerimisharjutusi. Foto: Harri Bläuer

PICAXE õpetamiseks koolides on arendatud ja koostatud õpetuspakett, mis on olnud kasutusel paljudes Soome koolides. Programm on tõlgitud ka eesti keelde ning me oleme püüdnud seda Eestiski rakendada. Õpetuspaketti kuulub nn projektitööplaat, mis sisaldab mikrokontrollerit ja muid elektroonikakomponente, nagu lülitid, LEDid, andurid. Nende abil loovad õpilased toimiva seadme ning harjutavad ka seadme juhtimist ja programmeerimist.

Selleks, et moodne seade töötaks, on tarvis kolme osavaldkonna koostööd. Mikrokontrolleri külge on ühendatud seadme sisendviigud andmete sisestamiseks, näiteks lülitid või muud keskkonda jälgivad andurid. Mikrokiip tuleb programmeerida vastavate käskluste abil. Kolmandaks osapooleks on väljundid, nt mootorid, mis on tarvis ühendada mikrokontrolleriga. Vastavalt tagasisidele reguleerib ja kontrollib mikrokontroller seadme tegevust. Kindlasti käib tööülesannete juurde korpuse disainimine. Õpetamise mõte pole lihtsalt programmeerida, vaid võimaldada õpilasel mõista, kuidas töötab seade kui tervik ja millised on planeerimiseks vajalikud sammud, et see saavutada.

Et kõik õnnestuks, on vajalikud nii traditsioonilised käsitööriistad kui ka arvutiprogrammid ja programmeeritav mikrokontroller. Arvutiprogrammidega tehakse elektroonikaskeemide ühenduste simulatsioonid, joonistatakse vajalikud trükkplaadid ja programmeeritakse mikrokontroller.
Selles artiklis kasutatakse mikrokontrollerite PICAXE kiipi, mis põhineb Microchip PIC-il ja seda programmeeritakse BASIC keeles. Programmi tarkvara on tasuta kättesaadav ja seda saab alla laadida www.picaxe.com kodulehelt. Lisaks kasutame elektroonikaskeemide simulatsioone ja trükkplaadi tegemise programmi Circuit Wizard.

NÄIDE: Probleemi püstitamine ja osaprobleemide lahendamine

Nagu eespool öeldud, on õpetamine probleemipõhine. Anname õpilastele ülesande teha seade, mis näiteks sorteerib musta ja valget värvi pingpongipallid eraldi korvidesse.

Probleemi lahendamine algab selle osadeks jaotamisest. Mida on vaja selleks, et seade sooritaks ülesande edukalt?
– Andur, mis tuvastab värve.
– Juhtaju, mis juhib saadud teabe kohaselt palli vastavalt õigesse korvi.
– Mehaaniline liikumislahendus, mis täidab tegeliku töö vastavalt aju (mikrokontroller) juhistele.
– Korpus, mille külge on kinnitatud kõik vajalikud toimivad seadmed.

Probleemid lahendatakse ükshaaval. Näiteks: kuidas seade näeb ehk palli värvust tuvastab? Paljude ülesannete ja küsimuste juures saab nähtusi selgitada füüsikat appi võttes.

PingPongStep_01

Seade, mis sorteerib musta ja valget värvi pingpongipallid eraldi korvidesse. Foto: Harri Bläuer

Tuleb leida viis, mõõtmaks peegeldunud valguse hulka. Teabe otsimine viib tehniliste lahendusteni, kas siis LDRi (valguse hulgale reageeriv takisti) või fototransistori valimiseni, seekord valime viimase. Siin on meil võimalik tutvustada Kirchhoffi reeglit, mille rakendamisel on pingehulga mõõtmise teel võimalik teada saada, kas pall on must või valge.

Elektroonikaskeeme saab simuleerida arvutiekraani vastaval ruudulisel pinnal. Selleks sobiv programm on Circuit Wizard. Kui vastavat programmi pole võimalik kasutada, siis võib skeemi luua ka makettplaadil ja veenduda, et see töötab ka reaalses maailmas.

Toimiva terviku kokkupanek

Kui kõik osaprobleemid on lahendatud, siis on aeg ehitada töötav seade ja äratada seade ellu programmikoodide abil. Lisamaterjalina kasutatakse plastkärgplaate ja taaskasutusse jäänud pappkarpe jms.

Seadme juhtaju programmeerimise õpetuses kasutatakse PICAXE-projektiplaati. Projektiplaadiga on lihtne illustreerida programmeerimist, teha programmeerimisharjutusi ja lõpuks valmistada seade, mis kasutab juhtaju.

Osalahendused võivad olla näiteks järgmised:
– Takistuste jaotus fototransitorile – pallide must-valge värviuurimus.
– Servo, millele edastatakse saadud teabel põhinev info, valides selleks õige korvi, kuhu pall suunatakse.
– PICAXE-mikrokontroller, mille abil loetakse andurite andmeid ja saadud andmete põhjal juhitakse servosid.
– Mootor, mis segab ja liigutab palle, et nad ei jääks ummikusse.

 Ahhaa-elamus ja programmeerimine selgeks

picaxe

Foto: Harri Bläuer

Mikrokontrolleri PICAXE abil tõuseb õpilaste õppimiskõver kindlalt ülespoole ning õpilased saavad kiiresti ahhaa-elamusi ja ka PICAXEga programmeerimise selgeks.
Eesmärgiks on õpilastele õpetada kogu seadmega kaasnevat protsessi ja terviklikke lahendusi, sh planeerimist, probleemide lahendamist, elektroonikat, põhiühendusi ja seadmerakendusi, samuti seadme töö juhtimist, mis pole pelgalt programmeerimine.
PICAXE sobib kasutamiseks põhikooli tehnoloogiaõpetuse, aga ka gümnaasiumiastme valikainetundides, samuti teiste õppeainete tundides.
Õpilased saavad pärast koolitunde jätkata mikrokontrolleri tehnika õppimist vabal ajal ja ehitada näiteks õpetuspaketi abil endale vajaliku süsteemi või seadme kodus kasutamiseks.

PICAXE kohta loe veel www.picaxe.com.

2015. aastal algavad õpetajatele mõeldud PICAXE koolitused, mida toetab HITSA ja mis on õpetajatele tasuta (vaata koolitus.hitsa.ee). Kohtumiseni koolitustel!

Tags:

Autorist