Основы микропроцессорной техники для школьников и студентов
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Юфкин Евгений Александрович
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 184
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Дополнительное образование
ISBN: 978-5-9729-1738-9
Артикул: 844516.01.99
Приведены этапы разработки умных устройств от постановки задачи до ходовых испытаний. По окончании изучения книги Вы разработаете и полностью отладите 2 проекта - умный светильник с сенсорным управлением и ходовую платформу робота-пылесоса, управляемую с Вашего же телефона! Для педагогов, преподающих робототехнику и программирование в школах, детских центрах, кружках. Книга подойдет для самостоятельной работы ребят вместе с родителями. Может быть полезно всем, кому нравится конструировать, программировать, изобретать.
Тематика:
ББК:
УДК:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Е. А. Юфкин ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ ДЛЯ ШКОЛЬНИКОВ И СТУДЕНТОВ Учебное пособие Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024 1
УДК 621.3.049.77 ББК 32.844.1 Ю93 Юфкин, Е. А. Ю93 Основы микропроцессорной техники для школьников и студентов : учебное пособие / Е. А. Юфкин. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 184 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1738-9 Приведены этапы разработки умных устройств от постановки задачи до ходовых испытаний. По окончании изучения книги Вы разработаете и полностью отладите 2 проекта - умный светильник с сенсорным управлением и ходовую платформу робота-пылесоса, управляемую с Вашего же телефона Для педагогов, преподающих робототехнику и программирование в школах, детских центрах, кружках. Книга подойдет для самостоятельной работы ребят вместе с родителями. Может быть полезно всем, кому нравится конструировать, программировать, изобретать. УДК 621.3.049.77 ББК 32.844.1 ISBN 978-5-9729-1738-9 Юфкин Е. А., 2024 Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
СОДЕРЖАНИЕ Введение ...................................................................................................................................... 5 Часть 1. Основы электроники ................................................................................................ 7 Занятие 1. Основы электротехники ......................................................................................... 7 Занятие 2. Основы пайки электрических схем ..................................................................... 16 Занятие 3. Способы управления моторами. Релейный ...................................................... 22 Занятие 4. Способы управления моторами. Транзисторный .............................................. 27 Занятие 5. Способы управления моторами. Матричный ..................................................... 31 Занятие 6. Методика проектирования печатных плат. Простые электрические схемы.... 37 Занятие 7. Разработка светодиодного фонаря .................................................................... 44 Занятие 8. Пайка и тестирование светодиодного фонаря .................................................. 47 Зачетная работа ................................................................................................................... 47 Часть 2. Основы программирования .................................................................................. 50 Занятие 1. Программа в Arduino как набор инструкций ....................................................... 50 Занятие 2. Обработка и вывод информации. Работа с данными ....................................... 58 Занятие 3. Алгоритмы ветвления в программировании ...................................................... 63 Занятие 4. Циклы в программировании ................................................................................ 71 Занятие 5. Функции и библиотеки ......................................................................................... 80 Занятие 6. Разработка умного фонаря с клавишным управлением ................................... 87 Занятие 7. Тестирование фонаря .......................................................................................... 90 Часть 3. Основы обработки сигналов ................................................................................. 95 Занятие 1. Типы датчиков и типы сигналов. Инфракрасные датчики ................................ 95 Занятие 2. Типы датчиков и типы сигналов. Ультразвуковые датчики ............................ 103 Занятие 3. Сенсорное управление для фонаря ................................................................. 110 Занятие 4. Сенсорная система контроля яркости .............................................................. 112 Часть 4. Мой первый робот ................................................................................................. 115 Занятие 1. Метод структурных схем .................................................................................... 115 Занятие 2. Разработка электрической схемы по структурной .......................................... 119 3
Занятие 3. Пайка и тестирование схемы ............................................................................ 121 Занятие 4. Обучение и калибровка робота ......................................................................... 127 Часть 5. Системы верхнего уровня ................................................................................... 132 Занятие 1. Знакомство со средой APP Inventor .................................................................. 132 Занятие 2. Системы верхнего уровня. Управление светодиодом .................................... 144 Занятие 3. Доработка светодиодного фонаря. Система плавного зажигания через Bluetooth ...................................................................... 151 Занятие 4. Робомобиль с кнопочным управлением через смартфон .............................. 153 Занятие 5. Системы верхнего уровня. Разработка пульта с голосовым управлением .. 157 Приложение 1. Словарь программиста ............................................................................... 162 Приложение 2. Задания на курсовые проекты .................................................................... 164 Приложение 3. Методические указания по проекту «Робомобиль» .................................. 168 Приложение 4. Содержание электронного архива ............................................................. 177 Приложение 5. Календарно-тематическое планирование курса «Робототехника для школьников» ......................................................................................... 178 Приложение 6. Список оборудования .................................................................................. 179 Приложение 7. Обратная связь ............................................................................................ 180 Приложения к книге доступны для скачивания на сайте издательства «Инфра-Инженерия» www.infra-e.ru. Пароль к файлу архива: 978-5-9729-1738-9 4
ВВЕДЕНИЕ Для кого эта книга" Прежде всего, для людей, которым нравится конструировать, программировать, изобретать. Если вы решили открыть свою школу робототехники (НЕ LEGO), НО НЕ ЗНАЕТЕ, С ЧЕГО НАЧАТЬ, то эта книга специально для вас. В пособии собран мой практический пятилетний опыт преподавания робототехники на базе Arduino НЕ только для детей от 10 лет, но и для их родителей. Предлагаемый материал будет интересен как для детей, так и для взрослых, желающих освоить новую нишу. Это пособие я составлял для педагогов, преподающих робототехнику и программирование в школах, детских центрах, кружках. Книга также подойдет для самостоятельной работы ребят вместе с родителями. Что вообще такое Arduino" Это программно-аппаратный комплекс, на базе которого можно реализовать практически любые проекты ОТ УМНОГО ДОМА до РОБОТА- ПЫЛЕСОСА На сегодняшний день есть много пособий, посвященных изучению открытой платформы Arduino. Это можно рассматривать и как плюс, и как минус. Достоинства в том, что платформа Arduino, как я сказал выше, ОТКРЫТАЯ. Это значит, что при разработке своих устройств можно абсолютно свободно купить платы, дополнительные модули - все, что нужно для наших проектов. В интернете можно нарыть множество готовых примеров, программ, переделать их и использовать в своих работах. НО! Пожалуй, главный недостаток ARDUINO - в «сыром» виде его невозможно преподавать детям. Тот материал, что предложен в готовых наборах «Амперка», «Матрешка» и просто на просторе интернета, годится лишь для начинающего радиолюбителя. Уроки приходится готовить, что называется «из-под ножа». Дети собирают проекты из стандартных модулей по инструкции и не понимают, как это работает. Программировать и вовсе не ЛЮБИТ НИКТО Знакомо? В данном пособии «по полочкам» разложен материал - необходимый минимум - в том объеме, в котором его могут освоить как взрослые, так и дети. Прочитав книгу, вы не только пополните свой багаж знаний в области электроники и программирования, поймете принцип работы мобильных роботов, датчиков, но и сможете доступным языком донести материал своим ученикам (либо своим детям при работе дома). Как вырвать подростков из компьютерных игр? ВСЕ ПРОСТО! Показать им ГОТОВЫЕ и РАБОТАЮЩИЕ ПРОЕКТЫ! По окончании изучения материала вы разработаете два больших проекта - умный светильник с сенсорным управлением и робот-автомобиль, управляемый с вашего же смартфона. Реализуя проекты, вы пройдете ВСЕ ЭТАПЫ РАЗРАБОТКИ УСТРОЙСТВ - от технического задания до готового проекта. ¾ Первая глава. Посвящена основам электроники. Здесь вы получите практические навыки пайки и разработки электронных изделий. Освоите весь жизненный цикл разработки печатных плат от чертежа платы до готового макета. Спроектируете и разработаете СВОЕ ПЕРВОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ устройство. ¾ Вторая глава. Полностью посвящена программированию на языке высокого уровня Си. Изучаем весь цикл работы над программным продуктом - от постановки задачи до написания программного кода и отладки программы. Первую программу ребята пишут вместе с преподавателем, вторая программа - ученикам предлагается немного изменить первую программу. Третья программа обычно дается для самостоятельного написания. 5
По окончании главы у вас будет возможность усовершенствовать свой первый проект, разработанный в предыдущей главе. ¾ Третья глава. Учимся применять полученные знания на практике. Знакомимся с датчиками, типами сигналов, учимся их обрабатывать и калибровать. Усовершенствуем и доводим до логического финала свой первый проект - светодиодный фонарь. ¾ Четвертая глава. Полностью посвящена разработке автономного работа. На первом уроке ставится техническая задача, далее пошагово реализуем наш проект. Никакой теории здесь уже нет. Только практика ¾ Пятая глава. Посвящена разработке систем верхнего уровня. Усовершенствуем наши проекты - добавляем в них управление с вашего телефона. Ребята разрабатывают собственные мобильные приложения для управления роботом в среде APP-INVENTOR. Завершается курс оформлением курсовых работ по одной из предложенных тем. Ребята учатся презентовать свои проекты, отрабатывают навыки публичного выступления. ¾ В приложении 1. Приведены основные команды, используемые в программировании. Представлена инструкция по сборке робота-электромобиля. ¾ В приложении 2. Даны задания на курсовые проекты, по которым учащимся предлагается сделать презентацию и довести до логического завершения. ¾ В приложении 3. Представлена подробная инструкция для сборки проекта Робомобиля. ¾ В приложении 4. Электронный архив. Здесь можно скачать модели для сборки робота-электромобиля. Все модельки деталей в векторном виде. Их можно переслать специалисту и порезать лазерным резаком (либо распечатать на 3D-принтере). Здесь же представлены листинги некоторых программ по каждой главе. Архив также содержит GERBER-файлы печатных плат. Их можно передать специалисту для разводки и монтажа. ¾ В приложении 5. Примерный образец календарно-тематического плана. Поможет преподавателю (либо родителям) спланировать план работ на учебный год. ¾ В приложении 6. Список радиоэлементов, которые можно купить для самостоятельного прохождения курса. Также полезно преподавателям, планирующим занятия. ¾ БЕСПЛАТНАЯ КОНСУЛЬТАЦИЯ. Приложение 7. Возникли вопросы во время изучения материала" С удовольствием отвечу на них в режиме реального времени. Покупая книгу, вы получаете право на 2 бесплатные консультации. 6
Часть 1 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ЗАНЯТИЕ 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Цель занятия: 1. Познакомиться с понятиями электрического тока, напряжения, сопротивления 2. Понять принцип работы резистора, светодиода, потенциометра 3. Научиться читать электрические схемы 4. Научиться сборке электрических схем на макетной плате Материалы для занятия: 1. Батарейный отсек с выключателем 2 аккумулятора 18650 2. Плата белая макетная 3. Схема breadboard power supply 4. Провода монтажные типа ПАПА-ПАПА 5. Комплект светодиодов 6. Комплект резисторов 47 Ом 7. Потенциометр 3 шт. Теоретическая справка: Сегодня электричество - обыденное и жизненно необходимое для большинства людей явление. От смартфонов до электропоездов… Существование современного человека просто невозможно без электричества. Между тем, пользуясь современными благами цивилизации, многие из нас даже не задумываются - что есть электричество, что это такое" С научной точки зрения, движение заряженных частиц в одном направлении называется электрическим током. Для движения заряженных частиц необходимо наличие внешнего электрического поля (рис. 1). Рис. 1. Понятие электрического тока С более простой точки зрения, электрический ток можно рассматривать, как маленьких человечков, бегущих по узкой дорожке из пункта А в пункт Б. 7
Обозначим школу знаком , дом - знаком -. Прозвенел звонок с последнего занятия, и все ребята мигом рванули домой. Толпу ребят, движущихся в сторону проходной, и можно условно назвать электрическим током. Таким образом, ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Отсюда вывод - ток всегда протекает от к - (см. рис. 2). Рис. 2. Понятие электрического тока Силу, которая будет проталкивать ток по проводам, назовем электрическим напряжением. Все, что мешает протекать току по проводам, назовем сопротивлением. Рис. 3. Ток, напряжение и сопротивление Как видно из рис. 3, если сопротивление уменьшает проход через провод, то ток проползает с трудом. Если же напряжение, стоящее сзади, увеличит силу нажима на ток, ток проползет по проводу быстрее. Отсюда сделаем вывод, что ток растет с увеличением напряжения, но уменьшается с ростом сопротивления. Вышеописанное явление называется Законом Ома. Ток можно найти, разделив напряжение на сопротивление. 8
Ток = ʜ˃˒˓ˢˉˈːˋˈ ʠˑ˒˓ˑ˕ˋ˅ˎˈːˋˈ Рис. 4. Как пойдет ток" На рисунке 4 представлена схема «Как пойдет электрический ток"». Ток у нас измеряется в Амперах (А). Напряжение - в Вольтах (В), а сопротивле- ние - в Омах (Ом). Между тем, задача электрического тока не просто протекать от к -. Задача тока - совершать какую-либо полезную работу Например, зажигать лампочки, крутить моторы и т. д. Остается указать току направление, куда идти и что делать. Согласитесь, как все просто" Все проще, чем кажется Рисуем элементы, которыми будем управлять, и соединяем их Ток потечет через эти элементы и совершит работу. Условно-графическое изображение элементов и их связей называется электрической схемой (как на рис. 4). Да. Совсем забыл. Каждый элемент имеет свое условно-графическое изображение. Их придется запомнить и рисовать каждый раз при создании схем (рис. 5). Рис. 5. Условно-графические изображения элементов 9
На занятии мы познакомимся с простыми элементами, такими как светодиод, резистор и потенциометр. Светодиод Устройство пропускает ток в одном направлении, как показано на рис. 6. Ток, проходя через светодиод, вызывает его свечение. Рис. 6. Условно-графическое изображение светодиода Резистор Устройство, уменьшающее ток в цепи. Резистор - это электрическое сопротивление. Если сопротивление выросло, то что будет с током" Правильно, он уменьшится. Резистор - это узкое горлышко, изображенное на рис. 7. Чем горлышко уже, тем ток пойдет хуже, чем горлышко шире, тем ток пойдет лучше. Рис. 7. Условно-графическое изображение резистора Потенциометр Наверное, все (или почти все) пользовались краном для воды" Потенциометр или регулируемый резистор можно рассматривать как кран. Закрутили кран - вода пошла медленно (либо вообще не пошла), открутили - вода пошла. Рис. 8. Условно-графическое изображение потенциометра Источник питания (батарейка) Рис. 9. Условно-графическое изображение источника питания 10