8
2.5 Labirint
Na mizo bomo postavili labirint. Labirint je najbolje izdelati iz materiala, ki ga je preprosto rezati in lepiti, zato les ni posebej primeren. Obenem mora biti dovolj gladek, da se bo kroglica (na primer frnikola) po njem gladko kotalila. Za velike labirinte in večje kroglice bi bila lahko primerna stiropor ali stirodur (izolacijski
material, ki se uporablja za cokle hiš). Za labirinte naših dimenzij pa je najprimernejša kapa plošča. Kapa plošča je penasta plošča, ki je po obeh straneh oblepljena z
močnejšim, gladkim papirjem. Uporablja se za izdelavo maket, še večkrat pa jo vidimo kot podlago za plakate. Ker nam je za naš projekt vseeno, če plošča ni bela, lahko recikliramo kar kak odslužen plakat; takšni labirinti so lahko videti celo boljše od dolgočasnih belih. Če želimo, pa lahko učencem pustimo, da labirint sami pobarvajo, za kar lahko uporabijo tudi barvne spreje.
Poleg tega potrebujemo še žogico, na primer frnikolo, ki bo po labirintu potovala (mi smo uporabili kar frnikolo).
Stene labirinta pritrdimo z vročo pištolo za plastiko, ali pa uporabimo lepilo
(najprimernejši je mekol) in bucike, s katerimi pritrdimo stene, medtem ko se lepilo suši. Za osnovo labirinta vzamemo kapa ploščo, ki je enake velikosti kot miza, na katero bomo labirint postavili. Nanjo naj učenci narišejo labirint – lahko pa si ga že prej skicirajo na papir. Pri tem morajo paziti, da bo pot dovolj široka za frnikolo.
Nato iz kape narežejo trakove, ki so tako široki, kolikor bodo visoke stene. Te trakove sproti režejo na ustrezne dolžine, in jih namažejo s plastiko ali lepilom ter postavljajo v labirint. Če hočejo izdelati lep izdelek, morajo paziti, da bodo vsi rezi pravokotni, poleg tega pa morajo zlepiti tudi navpične stike med stenami. Če tega ne storijo, bo končni izdelek manj lep, na uporabnost pa to ne bo bistveno vplivalo. Enega takšnih, manj lepih izdelkov, kaže Slika 7.
Ko je labirint izdelan, ga pritridimo na mizo. Za to lahko uporabimo lepilo, vročo pištolo, dvostranski lepilni trak ali pa kar nekaj kosov selotejpa.
S tem je fizično delo končano. V naslednjem poglavju opisujemo elektronske komponente in njihovo umerjanje.
9
Slika 7: Labirint
10
3 ELEKTRONSKE KOMPONENTE 3.1 Mikrokontrolerji
Za upravljanje mize bomo potrebovali mikrokontroler. Mikroprocesor je zgrajen kot eno integrirano vezje, to je miniaturno elektronsko vezje, in predstavlja centralno procesno enoto računalnika. Da postane uporaben, mu moramo dodati še vhodno-izhodne enote, pomnilnik in nekaj integriranih vezij, ki vse skupaj povežejo, tako dobimo mikroračunalnik. Če je ta mikroračunalnik zgrajen kot eno integrirano vezje pa govorimo o mikrokontrolerju. [3]
Mikrokontroler je torej računalnik, ki ima vhodne in izhodne priključke, ki so običajno zgolj preprosti digitalni in analogni signali. Na mikrokontrolerje torej ne moremo priključiti običajnih vhodno-izhodnih naprav, kot so tipkovnice, miške in zasloni.
Mikrokontrolerji so danes vdelani v praktično vsako napravo, ki vsebuje kaj
elektronike, od kuhinjske tehtnice do igrač in avtomobilov. Za svoje delovanje torej potrebujejo nek program in seveda tudi napajanje. [3]
Obstaja veliko vrst mikrokontrolerjev. Tabela 2 kaže primerjavo nekaj trenutno najpopularnejših mikrokontrolerjev, ki so primerni za projekte, kot je naš. S pomočjo te primerjave pa se bomo potem odločili katerega bomo uporabili.
Tabela 2: Primerjava mikrokontrolerjev
Mikrokontroler Programski jezik Priklop
pospeškomera
Priklop
servomotorja Raspberry Pi Poljuben Samo digitalni, ker
ni analognih vhodov Da
BBC Microbit
Node MCU Lua, MicroPython, C in drugi
Samo digitalni, ker
ni analognih vhodov Da
Arduino C, C++ Da Da
11
RaspberryPi ni tipičen mikrokontroler, temveč gre praktično za manjši, cenen računalnik, na katerem teče različica operacijskega sistema Linux in na katerega lahko prek USB priklapljamo običajne vhodno-izhodne naprave. Za projekte v slogu našega je uporaben, ker ima digitalne vhode in izhode. Ker na njem teče splošen operacijski sistem, podpira vse običajno uporabljane jezike. Za naše namene bi bil torej praktičen, ker ga lahko programiramo v prijaznejših jezikih kot Arduina. Po drugi strani je RaspberryPi precej dražji in večji od ostalih. Slabost Raspberryja je tudi, da nima analognih vhodov, zato lahko nanj (neposredno) priključimo le pospeškomere z digitalnimi izhodi. Ta omejitev ni prehuda, saj bi lahko uporabili tudi takšne
pospeškomere. Vendar se nismo odločili za Raspberryja, ker ponuja veliko več, kot potrebujemo in je zato za naše potrebe predrag in prezapleten.
BBC Microbit je zanimiva izbira, vendar je – razen, če ga naročimo v velikih količinah – lahko dokaj drag. Da je pospeškomer že vdelan, bi lahko bila prednost za mlajše učence, saj to poenostavi projekt. Za starejše je morda bolj zanimivo, če lahko pospeškomer primejo v roko in je tako manj "magičen" in bolj resničen. Slabost Microbita je nerodna izvedba izhodov, saj je potrebno žice priklapljati s "krokodilčki", ki se lahko snamejo ali pa obračajo in tako povzročajo kratke stike. Velika prednost Microbita je, da na njem teče MicroPython, to je, poenostavljena različica Pythona za zmogljivejše mikrokontrolerje. V našem projektu BBC Microbita nismo uporabili, ker je bil v času izvedbe poskusne delavnice še relativno nov, zato jih še nismo imeli.
Tudi NodeMCU je novejši mikrokontroler. Odlikujeta ga izjemno nizka cena (1-2 dolarja v kitajskih spletnih trgovinah) in vdelana brezžična omrežna povezava, saj temelji na čipu ESP8266, ki je bil v osnovi namenjen temu in ne splošnim
mikrokontrolerjem. Ker ima tudi veliko več pomnilnika kot Arduino, ga je možno programirati v več jezikih. Privzeti jezik je Lua, brez težav pa ga lahko programiramo tudi iz okolja Arduino IDE, ki je sicer namenjeno Arduinu. Na NodeMCU teče tudi MicroPython.
Mikrokontroler Arduino je daleč najpopularnejši mikrokontroler za ljubiteljske projekte.
Ker sta tako njegovo vezje kot vsa koda objavljena pod prostimi licencami, saj je bil namen njegovih ustvarjalcev predvsem omogočiti dostop do te tehnologije vsem, je, podobno kot NodeMCU, zelo poceni (različice, ki jih je že možno programirati brez posebnih orodij, stanejo od 4 dolarje naprej). Med vsemi naštetimi ima največ
12
digitalnih vhodov in izhodov, poleg tega pa ima tudi analogno digitalne pretvornike, tako da ima tudi do 8 (odvisno od modela) analognih vhodov. V našem primeru smo jih uporabili za priklop pospeškomerov. Slabost Arduina je majhen pomnilnik, zato ga moramo programirati v C oz. C++. Alternativa temu je, da ga priključimo na
računalnik in upravljamo iz računalnika v programu, napisanem v poljubnem jeziku;
Arduino v tem primeru igra le vlogo vmesnika do senzorjev oz. izhodnih naprav. Ta različica je manj privlačna, saj je bolj zanimivo sestaviti napravo brez računalnika.
V našem projektu smo se odločili za Arduina, saj ga je bilo najenostavneje uporabiti, programi pa so dovolj kratki, da "neprijazen" programski jezik C ni prevelika ovira.
Enako mizo pa bi lahko brez večjih težav nadzirali tudi s katerimkoli drugim od teh štirih mikrokontrolerjev.
3.1.1 Arduino
Razvoj Arduina se je začel v Italiji leta 2003. Motivacija zanj je bila želja ustvariti preprost in cenovno dostopen mikrokontroler, ki bi ga lahko vsak programiral.
Arduino ni le eden, temveč jih je cela družina, na primer: Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega, Arduino Pro. Razlikujejo se po dimenzijah, številu in tipu vhodov, načinu, na katerega nanje nalagamo programsko kodo in drugih lastnostih. Najbolj znan in razširjen je Arduino Uno. [2, 5]
Za naše potrebe smo uporabili Arduino Nano, ki ima praktično enake lastnosti kot Arduino Uno, le da je manjši. Ima 14 digitalnih vhodno-izhodnih priključkov in 8 analognih vhodnih priključkov. Najpreprosteje ga programiramo in napajamo prek Mini-B USB vhoda. [5]
S pomočjo Arduina lahko upravljamo stikala, LED lučke, motorje, zvočnike, GPS, kamere, internet, celo televizijo in pametne telefone. Lahko deluje kot samostojna enota ali pa ga povežemo z računalnikom ali drugim Arduinom. Seveda pa se lahko znajdemo tudi v situaciji, kjer si z njim ne bomo mogli pomagati, saj ima omejeno količino spomina ter počasen procesor. [9]
13