UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
KRISTJAN PROSEN
UPORABA RAZVOJNEGA OKOLJA ARDUINO PRI RAČUNALNIŠKO PODPRTIH ŠOLSKIH
EKSPERIMENTIH
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2016
UNIVERZA V LJUBLJANI PEDAGOŠKA FAKULTETA
DVOPREDMETNI UČITELJ FIZIKA – TEHNIKA
KRISTJAN PROSEN
Mentor: izr. prof. dr. SLAVKO KOCIJANČIČ
UPORABA RAZVOJNEGA OKOLJA ARDUINO PRI RAČUNALNIŠKO PODPRTIH ŠOLSKIH EKSPERIMENTIH
DIPLOMSKO DELO
LJUBLJANA, 2016
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, dr. Slavku Kocijančiču, za vse nasvete in usmeritve tako v času študija kot pri pisanju diplomske naloge.
Iskrena hvala staršem, sestri in punci, ki so verjeli vame in mi stali ob
strani tudi takrat, ko je bilo težko.
I
POVZETEK
Diplomsko delo obravnava uporabo računalnika pri eksperimentalnem delu v osnovni šoli s poudarkom na pregledu obstoječih merilnih sistemov in njihovimi alternativami.
Na začetku sta predstavljena dva komercialna merilna sistema Pasco in Vernier, ki sta trenutno med najbolj razširjenimi. Pregledu obstoječih sistemov sledi predstavitev alternativnih rešitev z mikrokrmilniškimi razvojnimi ploščicami, med katerimi je izpostavljena Arduino razvojna ploščica kot najprimernejša za učitelja v osnovni šoli.
Predstavitev Arduino razvojne ploščice je omejena na najnujnejše, kar mora nekdo, ki elektronike ne pozna podrobno, vedeti, da lahko začne z uporabo le-te. V zaključku diplomskega dela je predstavljen kratek pregled učnih načrtov za naravoslovne predmete (fizika, kemija, biologija, tehnika) in predstavitev možnosti vpeljave Arduino razvojne ploščice v poučevanje.
KLJUČNE BESEDE
Arduino razvojna ploščica, računalniška merjenja, eksperimentalno delo, računalnik v šoli, tehniško izobraževanje, naravoslovje, Pasco, Vernier
II
ABSTRACT
The topic of this diploma work is computer-aided measurement in primary school.
Main focus is on existing technology and alternatives for them. In the beginning, there is a short introduction of two existing systems, which are mostly used in school today, Pasco and Vernier. Second part of diploma work covers alternative solutions for teachers to use in their teaching. Arduino development board is presented in a simple way, so someone with a little knowledge in electronics could understand the main principles of Arduino and could start using it. At the very end, there is a short overview of curricula for science themed courses.
KEY WORDS
Arduino development board, computer aided measurements, experimental work, computer in school, science education, science, Pasco, Vernier
III
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ... 1
2 PREGLED OBSTOJEČIH MERILNIH SISTEMOV ... 2
2.1 MERILNI SISTEM VERNIER ... 2
2.2 MERILNI SISTEM PASCO ... 3
3 MIKROKRMILNIŠKE RAZVOJNE PLOŠČICE ... 4
4 PRIMERJAVA KOMERCIALNIH MERILNIH SISTEMOV IN MIKROKRMILNIŠKIH RAZVOJNIH PLOŠČIC ... 6
5 ARDUINO UNO ... 8
5.1 ARDUINO RAZVOJNO OKOLJE ... 9
5.1.1 ARDUINO STROJNA OPREMA ... 9
5.1.2 ARDUINO PROGRAMSKA OPREMA ... 11
5.1.3 NAMESTITEV ARDUINO PROGRAMSKE OPREME ... 12
5.1.4 DELOVANJE ARDUINO PROGRAMSKE OPREME ... 14
5.2 FUNKCIJE KI JIH ARDUINO RAZVOJNO OKOLJE OMOGOČA ... 15
5.2.1 ANALOGNO DIGITALNI PRETVORNIK ... 15
5.2.2 PULZNO ŠIRINSKA MODULACIJA ... 16
5.2.3 I2C PROTOKOL ... 17
5.2.4 UART KOMUNIKACIJA ... 18
5.3 PRIMER PRVE UPORABE ARDUINA ... 18
6 MOŽNOSTI UPORABE ARDUINA V OSNOVNI ŠOLI ... 21
6.1 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU FIZIKE ... 21
6.2 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU TEHNIKE ... 21
6.2.1 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU ROBOTIKE V TEHNIKI ... 21
6.2.2 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU KEMIJE IN BIOLOGIJE V OSNOVNI ŠOLI ... 22
7 SKLEP ... 23
8 LITERATURA IN VIRI ... 24
IV
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Primer osnovne enote (komunikatorja) [1]. ... 2
Slika 2.2: Primer izpisa podatkov v programu Logger Pro 3 [1]. ... 3
Slika 3.1: Mikroprocesor Intel 8080 [3]. ... 4
Slika 5.1: Arduino UNO [4]. ... 8
Slika 5.2: Arduino UNO razvojna ploščica z označenimi glavnimi sestavnimi deli [4]. 9 Slika 5.3: Arduino povezan z napajalnim adapterjem [3]. ... 10
Slika 5.4: Podatki na napajalniku primernem za Arduino [3]. ... 10
Slika 5.5: Mikrokrmilnik Atmega328 [3]. ... 11
Slika 5.6: Arduino IDE [4]. ... 12
Slika 5.7: Seznam COM portov. ... 14
Slika 5.8: Arduino IDE [3]. ... 15
Slika 5.9: Grafični prikaz poteka analogno-digitalne pretvorbe [7]. ... 16
Slika 5.10: Grafični prikaz pulzno širinske modulacije [3]. ... 17
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 4.1: Preglednica kriterijev izbire. ... 6V
AKRONIMI IN OKRAJŠAVE
OŠ Osnovna šola
TIT Tehnika in tehnologija
UN Učni načrt
IKT Informacijsko-komunikacijska tehnologija MRP Mikrokrmilniška razvojna ploščica
1
1 UVOD
Učenci se že na začetku svojega šolanja srečajo s preprostimi eksperimenti s katerimi preizkušajo lastnosti različnih materialov, preverjajo odvisnosti med različnimi količinami (določajo razmerja med spremenljivkami: zveza čim-tem), ter tako pričenjajo s prvimi opisi pojavov v svetu okoli sebe. Ker samo opazovanja niso dovolj za natančnejše opise pojavov moramo določene količine tudi izmeriti. S tem namenom začnemo učence navajati na merjenje. Učenci merijo dolžine, čas, maso itd. Uporabljajo preproste pripomočke kot so merila, štoparice, tehtnice itd.
Pridobljene podatke nato analizirajo in interpretirajo. Preko praktičnega dela učenci spoznajo principe, s katerimi pridemo do uporabnih podatkov o lastnostih teles, materialov ...
Z razmahom digitalne elektronike se v naš vsakdan vključuje IKT. Tudi v industriji praktično vsa merjenja izvajajo s pomočjo računalnika. Inženirji si z računalnikom pomagajo pri meritvah in simulacijah, v proizvodnji za kontrolo produktov itd. Tudi učence spremlja digitalna elektronika na vsakem koraku; večina učencev ima pametne telefone, uporabljajo računalnike, pametne TV in druge naprave. Ker je večina učilnic na šolah opremljena z računalniki, učenci znajo na eni strani izvajati meritve oziroma razumejo principe merjenja, na drugi strani pa so zelo vešči uporabe digitalnih naprav, je uvedba računalniško podprtih merjenj smiselna že v OŠ.
Za računalniško podprta merjenja potrebujemo vmesnik, ki nam podatke (meritve) iz okolja pretvori v digitalni podatek katerega računalnik lahko prebere in zapiše. Z računalnikom lahko shranimo veliko količino podatkov, ki jih v primernih programskih okoljih lahko analiziramo in nato tudi predstavimo v obliki tabel in grafov.
V diplomskem projektu bodo na kratko predstavljeni obstoječi merilni vmesniki, ki so dostopni na trgu in možne alternative. Podrobneje bo predstavljena Arduino razvojna ploščica, ki je relativno nova na trgu in kaže velik potencial za preprost in samostojen razvoj lastnega merilnega sistema.
2
2 PREGLED OBSTOJEČIH MERILNIH SISTEMOV
Računalnik je v šolah že samoumeven pripomoček za poučevanje, zato so se na trgu tudi pojavili različni kompleti za računalniško merjenje, ki vsebujejo tako strojno kot programsko opremo. Učitelj enostavno namesti programsko opremo na računalnik in ga poveže z osnovno enoto (komunikator). Na to enoto lahko učitelj priklaplja različne merilnike, preko katerih lahko pošilja podatke do računalnika, kjer jih program zapisuje (lahko v tabelo, graf ali pa hkrati v tabelo in graf). Pri nas sta pogosta predvsem dva merilna sistema, in sicer Vernier in Pasco.
2.1 MERILNI SISTEM VERNIER
Merilne sisteme Vernier proizvaja istoimensko podjetje ustanovljeno leta 1981 s sedežem v ZDA.
Njihova ponudba zajema zelo širok spekter pripomočkov, ki jih lahko kupimo in uporabimo za meritve. Za povprečno rabo v osnovni šoli potrebujemo osnovno enoto, ki je vezni člen med računalnikom in merilnikom. Osnovnih enot obstaja več vrst:
a) namenska tablica, ki ima že integriran komunikator in lahko preko nje neposredno spremljamo meritve,
b) brezžični komunikator, ki ga lahko povežemo z mobilnim telefonom, tablico, prenosnim računalnikom, ipd., na katerem je že naložen program za obdelavo podatkov,
c) klasični komunikator, ki ga preko USB povezave povežemo z računalnikom, slika 2.1 [1].
Slika 2.1: Primer osnovne enote (komunikatorja) [1].
Ko imamo izbrano osnovno enoto potrebujemo še merilnik, s katerim dejansko merimo podatke opazovanega pojava. Podjetje Vernier ponuja številne senzorje kot so: merilniki pospeška, barometri, merilci naboja, pH senzorji, silomeri, termometer, itd. [1].
V skladu s svojimi potrebami si izberemo posamezne senzorje, ki so potrebni, da lahko meritve izvedemo.
3
Za zapis in prikaz podatkov na računalniku je potrebno imeti še program, ki bere podatke, poslane iz merilnika, in jih ustrezno prikazuje. Podjetje Vernier je razvilo lasten program za obdelavo podatkov. Za najširšo uporabo je na voljo program Logger Pro 3, slika 2.2 [1].
Slika 2.2: Primer izpisa podatkov v programu Logger Pro 3 [1].
Program je na voljo za vse tri večje operacijske sisteme, ki jih uporabljamo danes - Windows, Macintosh in Linux. Omogoča nam beleženje podatkov in izrisovanje grafov tekom merjenja. Grafe lahko nato obdelujemo, npr. iz grafa odvisnosti lege od časa dobimo graf hitrosti itd. [1].
2.2 MERILNI SISTEM PASCO
Tako kot podjetje Vernier ima podjetje Pasco svoj sedež v ZDA. Je podjetje z več kot 50 letno tradicijo, ki se je iz majhne garaže razvilo v enega največjih proizvajalcev opreme za laboratorijska merjenja [2].
Princip delovanja Pasco merilnega sistema je podoben delovanju Vernier merilnega sistema. Na spletni strani proizvajalca so na voljo različni tipi osnovnih enot, poleg katerih potrebujemo še merilne senzorje in program, s pomočjo katerega nato obdelujemo meritve na računalniku. Podjetje Pasco ponuja več različnih tipov programske opreme, namenjene specifičnim področjem: za uporabo s strani mlajših učencev (SPARKvue), program za fizikalna merjenja (PASCO Capstone), program za spektrometrijo, modeliranje molekul, itd. [2].
Podjetje Pasco ima v svoji ponudbi tudi pripomočke za eksperimente (različni vozički in tirnice zanje - makete mostov s senzorji, kjer lahko analiziramo obremenitve, itd.) ali pa celo komplete eksperimentov, v katere je vključena vsa potrebna oprema (tako senzorji kot tudi pripomočki za izvedbo eksperimenta) [2].
4
3 MIKROKRMILNIŠKE RAZVOJNE PLOŠČICE
Ob komercialnih izdelkih, ki so proizvodi večjih podjetji se vedno pojavijo izdelki
»hobi« proizvajalcev, ki določene izdelke bolj kot za zaslužek razvijajo v lastno veselje in zanje porabljajo svoj prosti čas. Izdelki so zato namenjeni širši množici uporabnikov brezplačno, v zameno za donacije ali pa simbolično ceno. Podobno se dogaja tudi na področju elektronike, saj je razvoj napredoval tako močno, da je izdelava mikrokrmilnika, tranzistorja ali katerekoli druge elektronske komponente izredno poceni. Dostopnost teh komponent je omogočila uporabo elektronike večjemu številu ljudi, kar se je odrazilo v množici novih razvojnih ploščic, ki so dostopne vsem.
Mikrokrmilniške razvojne ploščice (MRP) so tiskana elektronska vezja, na katerih so vsi elementi, ki so potrebni za krmiljenje vezja, ki za nas opravlja neko nalogo:
mikroprocesor, izhodno/vhodna vezja, generator takta, RAM, programski spomin itd.
[3].
Prve MRP so se začele pojavljati okoli leta 1970. Leta 1976 je podjetje Intel predstavilo razvojno ploščico, ki je delovala z njihovim takratnim mikroprocesorjem 8080, slika 3.1, in omogočala 1 kilobyte RAM-a in 4 kilobyte ROM-a. Za današnje razmere je to sicer zelo malo, vendar je bil takrat to velik korak naprej v elektroniki.
Slika 3.1: Mikroprocesor Intel 8080 [3].
MRP omogočajo sprejemanje in oddajanje različnih vrst signalov, kar nam omogoča, da nadzorujemo zunanji realni svet. Diskretni digitalni vhodi/izhodi nam omogočajo oddajanje in sprejemanje podatkov z enim bitom (vklop/izklop), preko analognih signalov lahko spremljamo različne spremenljivke (temperatura, tlak, pH,...) oziroma jih uporabimo kot izhodne signale in jih pošiljamo v vezja [3].
MRP so danes preproste in poceni za izdelavo, kar v kombinaciji z odprtokodno programsko opremo pomeni, da so zelo poceni. Vse vsebujejo t.i. flash spomin, ki nam omogoča hiter zapis programske kode na MRP. Današnje MRP delujejo kot prevajalniki iz enega jezika v drugega (ang. cross-compilers), saj zapis kode na
5
osebnem računalniku prenesemo preko USB povezave na MRP, kjer se ta zapis ustrezno pretvori, da ga mikrokrmilnik razume in izvaja [3].
Prvotni namen MRP so danes zamenjali povsem drugačni trendi, saj jih zaradi njihove velike dostopnosti in preprostosti programiranja uporablja vedno več
»neprogramerskih« skupin kot npr.: umetniki, oblikovalci, hobi uporabniki in ostali, katerih cilj je predstaviti svoje ideje na interaktiven način. Med danes najbolj priljubljenimi MRP so Arduino, Dwengo in Wiring [3].
6
4 PRIMERJAVA KOMERCIALNIH MERILNIH SISTEMOV IN MIKROKRMILNIŠKIH RAZVOJNIH PLOŠČIC
V naravoslovju nikoli nimamo univerzalne rešitve za problem. Vsaka rešitev nam prinese določene prednosti in določene slabosti. Tako vedno tehtamo, katere so tiste prednosti, ki odtehtajo slabosti posamezne rešitve oziroma pri kateri rešitvi bo vpliv njenih slabosti najmanjši. V primeru, ko izbiramo med komercialnimi sistemi in MRP vzamemo v obzir naslednje kriterije, preglednica 4.1,: zahtevnost uporabe, možnosti uporabe in ceno.
Zahtevnost uporabe je relativna in je odvisna od znanja, ki ga ima učitelj. Učitelji fizike, tehnike in računalništva imajo več izkušenj z delom z elektronskimi vezji in programiranjem, kot učitelji biologije in kemije, kar jim olajša delo z MRP. Učitelji tehničnih smeri znajo izdelati sami izdelati merilnike, katere povežejo z MRP in napišejo program, da izvedejo meritve. Za ostale, ki so sicer vešči uporabe računalnika, vendar ne poznajo podrobno elektronike in programiranja, so komercialni sistemi veliko bolj prijazni za uporabo, saj delujejo po »plug and play«
principu. To pomeni, da glavne komponente povežemo med seboj, zaženemo program na računalniku in že lahko izvajamo meritve [1-3].
Preglednica 4.1: Preglednica kriterijev izbire.
komercialni sistemi MRP
zahtevnost uporabe
preprosti za uporabo – »plug and play«
dovršena programska oprema
potrebujemo znanje iz programiranja in elektronike
obvladovanje vsaj enega programa za obdelavo podatkov (npr. Excel) možnosti
uporabe
specialni merilniki
zaprt sistem – poseg v programsko in strojno opremo ni mogoč
namenjeno izključno za meritve v naravoslovju
odprtokodni sistem – lahko poljubno posegamo v delovanje
širok spekter uporabe – mehatronika, robotika, računalniška merjenja,...
cena visoka nizka
Če je preprostost uporabe odlika komercialnih sistemov, je možnost uporabe izrazito na strani MRP. Komercialni sistemi so zaprtokodni in poseganje v njihovo delovanje praktično ni mogoče. Programske opreme ne moremo spreminjati, tako kot ne moremo sami popravljati ali posegati v strojno opremo. Instrumenti so specifični in narejeni za merjenje točno določene spremenljivke. Na drugi strani so MRP namenjene izdelavi in testiranju različnih prototipov in o uporabne v mehatroniki, robotiki, avtomatizaciji procesov, računalniško podprtih merjenjih itd... [1-3].
Zadnji in morda najbolj odločilen kriterij je cena. Cene tovrstnih merilnih sistemov so relativno visoke, saj je cena programa Logger Pro 3 ~339 €, senzor osvetljenosti ~75
€, pH senzor ~101 €. Cena za opremljen učiteljev laboratorij torej lahko hitro preseže nekaj tisoč evrov. MRP so zaradi preprostosti in nizkih stroškov izdelave zelo poceni (Arduino stane ~ 15 €). Ves elektronski material, ki ga potrebujemo za računalniško
7
podprta merjenja v OŠ nas stane manj, kakor povprečni senzor namenjen za delo z merilnim sistemom Vernier [1-3].
8
5 ARDUINO UNO
MRP so danes zaradi nizke cene in neštetih možnosti uporabe zelo priljubljene.
Uporabljajo jih različni profili ljudi - od umetnikov do hobi mehatrnonikov. Z njimi lahko krmilimo različne elektromotorje, servomotorje, koračne motorje, svetleče diode, spremljamo vhodne signale merilnikov, ki jih izdelamo sami, itd.. Med vsemi MRP je danes najbolj popularen Arduino UNO (v nadaljevanju Arduino), slika 5.1.
Obstaja več izpeljank Arduino razvojne ploščice (Arduino Leonardo, Arduino Mega, Arduino Zero,...). V diplomskem delu bo obravnavana Arduino UNO razvojna ploščica, ki je najbolj pogosta in najbolj prodajana. Zanjo lahko dokupimo različne dodatke (ang. shields), ki nam omogočajo nadgradnjo. Izgledajo podobno kot Arduino in jih zlagamo nanj. Njihove funkcije so različne: wi-fi oddajnik/sprejemnik, pomnilnik s SD kartico, podpora za avdio komuniciranje ..., ob tem je na voljo še veliko komponent/senzorjev, ki so izdelani namensko za Arduino in zanje na spletu dobimo tudi programsko kodo za delovanje, ki jo lahko dodamo v svojo skico.
Vsekakor je Arduino razvojno okolje primerna izbira za vsakega, ki se prvič podaja v delo z elektroniko ali pa za nekoga, ki je vešč programiranja in dela z elektroniko in želi svoj prosti čas nameniti razvijanju različnih projektov.
Slika 5.1: Arduino UNO [4].
Arduino je odprtokodno razvojno okolje, ki temelji na programski in strojni opremi, ki je preprosta za uporabo. Arduino razvojne ploščice so zasnovane tako, da lahko zaznajo vhodne signale – svetlobni senzor, pritisk na gumb – in jih pretvorijo v izhodne signale – vklop elektromotorja, vklop svetleče diode. Razvojni ploščici lahko
»povemo« kaj naj z določenimi vhodnimi signali počne tako, da napišemo »navodila«
za mikrokrmilnik na ploščici. Navodila pišemo v Arduino programskem jeziku s pomočjo programa Arduino, ki ga imamo naloženega na osebni računalnik in v katerem napišemo ukaze (program) za mikrokrmilnik [4,5].
9 5.1 ARDUINO RAZVOJNO OKOLJE
Arduino razvojno okolje je sestavljeno iz dveh delov: Arduino razvojne ploščice - strojna oprema - in Arduino IDE (Integrated Development Enviroment) programa – programska oprema [3,5].
Arduino razvojno ploščico si lahko predstavljamo kot računalnik v velikosti kreditne kartice. Na ploščici najdemo večje število komponent, ki so potrebne za delovanje.
Slika 5.2: Arduino UNO razvojna ploščica z označenimi glavnimi sestavnimi deli [4].
Na sliki 5.2 so označeni glavni sestavni deli Arduino ploščice:
a) Reset tipka: z njo ponovno zaženemo Arduino, podobno kot osebni računalnik, kadar imamo težave z delovanjem.
b) USB priključek: je namenjen povezavi Arduino ploščice z računalnikom.
Preko tega priključka komuniciramo s ploščico. Ob tem lahko služi priključek tudi kot napajanje.
c) Tx in Rx LED: sta svetleči diodi, utripata kadar poteka komunikacija med računalnikom in razvojno ploščico.
d) Napajalni priključek: je, kot že samo ime pove, namenjen zunanjemu napajanju ploščice.
5.1.1 ARDUINO STROJNA OPREMA
10
Slika 5.3: Arduino povezan z napajalnim adapterjem [3].
Napajalnik, primer slika 5.3, na katerega priključimo Arduino priključimo mora biti enosmerni (DC adapter), ki zagotavlja napetost med 9 V in 12 V in lahko zagotavlja tok vsaj 250 mA. Še bolje je, če je največji napajalni tok v območju od 500 mA do 1 A. Vtič, ki ga priključimo na ploščico, mora biti premera 2,1 mm in imeti pozitivni priključek na sredini.
Slika 5.4: Podatki na napajalniku primernem za Arduino [3].
Primer zapisa podatkov na napajalniku, slika 5.4, ki je primeren za zunanje napajanje Arduina. Glavni podatki so podčrtani z rdečo.
e) Digitalni vhodi/izhodi priključki: so priključki na Arduinu, ki so namenjeni krmiljenju elektronskih vezji. Arduino jim lahko določa stanja 1 ali 0. Tiste, ki so označeni z vijugo (~) lahko uporabimo za krmiljenje s pulzno širinsko modulacijo. Takih priključkov je šest od skupno štirinajstih.
f) LED indikator napetosti: sveti kadar je Arduino priključen na ustrezno napetost.
11
g) LED testni indikator: je svetleča dioda, ki deluje kot digitalni izhod in je namenjena preprostim testom programske kode.
h) Mikrokrmilnik ATMega328: je glavni sestavni del Arduina.
Slika 5.5: Mikrokrmilnik Atmega328 [3].
Mikrokrmilnik, slika 5.5, izpolnjuje ukaze, ki smo jih napisali v program ter tako bere oziroma upravlja s pini.
i) Analogni vhodno/izhodni priključki: so tako kot digitalni namenjeni krmiljenju oziroma zaznavanju signalov iz vezji, odvisno od konfiguracije, ki si jo izberemo. Poleg njih so napajalni priključki, za napajanje vezji s pomočjo Arduina, npr. 5 V, 3,3 V, GND itd. [4-6].
Na ploščici so še drugi elementi, ki so nepogrešljivi za delovanje Arduina, vendar njihovo poznavanje ni nujno potrebno za osnovno razumevanje delovanja naprave.
Strojna oprema (v našem primeru Arduino ploščica) nam ne koristi veliko, če nimamo na voljo programa, s katerim lahko strojno opremo upravljamo. V primeru Arduina želimo ploščici povedati, katere priključke ima povezane z vezjem ki smo ga izdelali in kaj naj z njim počne. V ta namen so za Arduino razvili program Arduino IDE (ang.
Arduino Integrated Development Enviroment).
5.1.2 ARDUINO PROGRAMSKA OPREMA
12
Slika 5.6: Arduino IDE [4].
Arduino IDE, slika 5.6, je program, ki deluje na našem računalniku in nam omogoča pisanje programskih kod za Arduino ploščico, katerim rečemo skice (ang. »sketch«).
Ker Arduino razvojno okolje temelji na programskem jeziku C, ki je za začetnike v programiranju relativno zahteven za razumevanje je Arduino IDE zasnovan tako, da so ukazi, ki jih pišemo v skico preprosti in intuitivni, saj jih definiramo z angleškimi besedami, ki imajo enake pomene kakor ukazi, ki jih Arduino nato izvrši [4-6].
Glavna odlika tega programa je, da to preprosto kodo, ki jo uporabnik napiše prevede v programski jezik C. Zapis v programskem jeziku C se naprej prenese v »avr-gcc compiler«. To je program, ki zapis skice preveden v programski jezik C naprej pretvori v jezik, ki ga mikrokrmilnik razume [4-6].
Arduino razvojno okolje je kompatibilno z vsemi tremi večjimi operacijskimi sistemi:
Windows, Linux in Macintosh. V šolah se praktično brez izjeme uporablja operacijski sistem Windows, zato bo diplomsko delo osredotočeno na delo z Arduinom v tem operacijskem sistemu. Za ostala dva, Linux in Macintosh je postopek namestitve podoben, minimalno se razlikuje le nastavitev programa za normalno delo z Arduinom [5].
Za programiranje Arduino ploščice moramo najprej namestiti Arduino IDE. Na spletni strani www.arduino.cc poiščemo zavihek download in pod naslovom Download the Arduino Software izberemo vrsto datoteke (Windows installer), ki jo želimo prenesti na računalnik [5].
Ko se prenos konča datoteko poiščemo in jo z dvoklikom zaženemo. Kot prvo okno se nam odpre licenčna pogodba, s katero se moramo strinjati, da lahko namestimo 5.1.3 NAMESTITEV ARDUINO PROGRAMSKE OPREME
13
program. Licenčno pogodbo preberemo in v kolikor se strinjamo kliknemo Strinjam se (ang. Agree) [5].
V naslednjem oknu se pojavi seznam posameznih komponent programa, ki jih lahko namestimo. Privzeto so izbrane vse komponente. Slednjega ne spreminjamo in kliknemo naprej (ang. Next) [5].
Odpre se novo okno, ki nas vpraša kam v računalniku želimo datoteko namestiti in namestitveni program sam predlaga privzeto mapo. Če imamo svoj sistem organiziranja računalnika, potem sami izberemo mapo, kamor želimo datoteko namestiti, sicer pustimo privzeto nastavitev in ponovno kliknemo naprej [5].
Namestitveni program prikaže napredek nameščanja v odstotkih medtem, ko nalaga datoteke. Ko je namestitev končana se pojavi še zadnje okno, ki od zahteva dovoljenje za namestitev gonilnikov, zato kliknemo namesti. Ko se gonilniki namestijo kliknemo konec (ang. Finish) [5].
Ko je namestitev končana Arduino preko USB kabla povežemo z računalnikom. LED indikator napetosti na Arduinu začne svetiti in na računalniškem zaslonu se pojavi čarovnik za namestitev nove strojne opreme, ki sam poišče gonilnike, ki so potrebni za delovanje ploščice [5].
Ko imamo Arduino IDE program zagnan in ploščico povezano preko USB kabla z računalnikom, moramo v programu določiti kateri USB vhod zaseda Arduino. To storimo tako, da odpremo upravitelja naprav - na tipkovnici pritisnemo kombinacijo tipk WIN + pause, nato pa izberemo gumb upravitelj naprav (device manager) [5].
Pod menijem ports, slika 5.7, preverimo kateri porti so zasedeni (npr. COM10, COM11, COM12,...). Nato odklopimo Arduino in počakamo, dokler eden od portov ne izgine s seznama. To je port ki ga izberemo v IDE programu (COMXY). Če Arduino priključimo nazaj na isti USB priključek na računalniku, potem se bo vedno javljal iz istega COM porta [5].
14
Slika 5.7: Seznam COM portov.
Arduino IDE vsebuje besedilni urejevalnik za pisanje programske kode, prostor za sporočila (povratna informacija programa o napisani kodi - skici), meni s standardnimi ukazi (datoteka, urejanje, skica, orodja, pomoč) in orodno vrstico z gumbi namenjenimi delu s programom [4].
Na sliki 5.8 so označeni gumbi v orodni vrstici:
a) Preveritev (verify): s klikom na ta gumb nam Arduino IDE preveri kodo in poišče morebitne napake.
b) Posnemi (upoload): prenesemo napisano skico na Arduino ploščico.
c) Nova skica (new): odpre se nov prazen zavihek za zapis skice.
d) Odpri (open): odpre se seznam vseh shranjenih skic. Z dvoklikom na izbrano skico, se le-ta odpre v novem zavihku.
5.1.4 DELOVANJE ARDUINO PROGRAMSKE OPREME
15
Slika 5.8: Arduino IDE [3].
d) Shrani (save): shrani skico, ki jo imamo odprto [3].
5.2 FUNKCIJE KI JIH ARDUINO RAZVOJNO OKOLJE OMOGOČA
Arduino razvojno okolje nam ponuja več različnih funkcij, ki nam omogočajo priključitev pametnih senzorjev, krmiljenje različnih motorjev in razširitve razvojne ploščice s razširitvenimi moduli (angl. shields). To poglavje je namenjeno obravnavi štirih glavnih funkcij, ki so aktualne za aplikacijo pri delu z Arduinom v OŠ.
Naloga analogno digitalnega pretvornika je pretvarjanje analognega signala v binarna števila. Pri pretvarjanju se analogni signal v celoti ne pretvori v digitalni signal, pač pa se vhodnemu (analognemu) signalu odvzema vzorce v določenih časovnih intervalih, shranjeni vzorci pa so zapisani v digitalni obliki. Če vzorce vhodnega signala odvzemamo dovolj pogosto dobimo za rezultat dober približek tega, kar je bil vhodni signal. Slika 5.9 prikazuje a) dejanski signal in vzorčenje, b) vrednosti, ki jih analogno digitalni pretvornik zabeleži. Potrebno se je zavedati, da po vzorčenju lahko le sklepamo na dejanski potek signala, saj točno poznamo le točke, ki jih je pretvornik vzorčil. Podatek o poteku funkcije med dvema vzorčenjema je izgubljen. Zato je pomembno, da vzorčimo signal dovolj hitro, da ne zgrešimo hitrih sprememb [7].
5.2.1 ANALOGNO DIGITALNI PRETVORNIK
16
Slika 5.9: Grafični prikaz poteka analogno-digitalne pretvorbe [7].
Analogno digitalni pretvornik je vez med realnim svetom, kjer meritev izvajamo in digitalnim svetom, kamor meritve shranjujemo in jih kasneje obdelujemo. Večina senzorjev, ki jih uporabljamo pri merjenju oddajajo zvezen električni signal. Ta signal analogno digitalni pretvornik pretvori v diskretne vrednosti, ki jih naš računalnik shrani. Obstajajo tudi senzorji imajo že lastno elektroniko, ki nam pošilja že pretvorjene digitalne podatke.
Arduino je opremljen z 10-bitnim analogno-digitalnim pretvornikom. Vhodne napetosti med 0 V in 5 V razdeli na vrednosti med 0 in 1023. Preprost izračun nam pove, da vsaka sprememba napetosti za 4,9 mV ustreza spremembi shranjene vrednosti za 1.
Čas, ki ga potrebuje za eno odčitavanje je približno 0,1 ms, kar pomeni, da lahko odčita vrednost vhodnega signala približno 10000-krat na sekundo, kar je za potrebe računalniško podprtih merjenj v šoli več kot dovolj [3,7].
Arduino ima šest pinov, preko katerih lahko analogne signale pretvarjamo v digitalne.
Ob njih je zapisano »ANALOG IN« in so na sliki 5.2 označeni s črko i [7].
Pulzno širinska modulacija je način, kako lahko z digitalnimi sredstvi dosežemo analogne rezultate. Uporabimo digitalno krmiljenje, da ustvarimo pravokotni signal ki ga preklapljamo med stanjem 1 in 0. Na začetku si izberemo fiksni časovni interval, ki se tekom krmiljenja ne spreminja. Znotraj intervala imamo možnost, da bremenu dovajamo moč ali pa ne. Če želimo, da breme deluje s 50 % moči, potem je čas trajanja, ko bremenu dovajamo moč (digitalni izhod je v stanju 1) enak času, ko bremenu moči ne dovajamo (digitalni izhod je v stanju 0). Skupno trajanje teh dveh časov je fiksni časovni interval. Razmerje med časom dovajanja moči in fiksnim časovnim intervalom nam pove s kolikšno močjo deluje breme. Primer: če si za časovni interval T izberemo 1 s in želimo, da breme deluje s 30 % moči, potem mora biti digitalni izhod v stanju logične enke 0,3 s in v stanju logične ničle 0,7 s [3,8].
5.2.2 PULZNO ŠIRINSKA MODULACIJA
17
Na sliki 5.9 so primeri grafov, kjer je moč porabnika enaka 0 %, 25 %, 75 % in 100 %.
Vidimo, da dlje kot je digitalni izhod v stanju 1, z večjo močjo deluje breme [3].
Slika 5.10: Grafični prikaz pulzno širinske modulacije [3].
Pulzno širinska modulacija je funkcija, ki jo ima Arduino že vgrajeno. Na sliki 5.2 lahko vidimo, da je takih priključkov šest in so posebej označeni z vijugo (~). S pulzno širinsko modulacijo lahko krmilimo koračne motorje, moč elektromotorjev, svetilnost svetlečih diod, servomotorje, itd., kar nam pride prav predvsem pri poučevanju predmetov, kjer je večji delež pozornosti namenjen krmiljenju različnih porabnikov [3,5,6].
V nekaterih primerih se kot uporabna funkcija Arduina izkaže možnost, da med seboj povežemo dve Arduino razvojni ploščici, ki lahko komunicirata (možno je povezati tudi več kot dve ploščici). Komunicirata lahko preko I2C protokola. Za vzpostavitev komunikacije med ploščicama potrebujemo dve liniji: serial clock (SCL), preko katerega Arduino »master« pošilja signal v določenih intervalih in serial data (SDA), preko katerega poteka dejanska komunikacija med »master« in »slave« ploščico [3, 9].
Ko signal na SCL preide iz 0 na 1, se v smeri od »master« ploščice proti »slave«
ploščici pošlje bit, ki ustrezno naslavlja izbrano napravo (v našem primeru »slave«
ploščico) oziroma podatek na izbrani napravi. Ko je informacija poslana »slave«
ploščici ta izvede ukaz in pošlje zahtevane podatke »master« ploščici, ki jih ustrezno obdela [3].
5.2.3 I2C PROTOKOL
18
I2C protokol je naprednejša funkcija Arduina, ki je za poučevanje v OŠ prezahtevna, razen za morda peščico učencev, ki jih elektronika zanima in imajo lastnega znanja o tem področju dovolj.
Arduino razvojna ploščica ima zaporedna vrata (ang. serial port), ki nam omogočajo neposredno komunikacijo z računalnikom. Ne le, da z računalnikom pošiljamo skice na Arduino, temveč lahko tudi po tem, ko je skica nameščena, komuniciramo s ploščico. Komunikacija z računalnikom poteka preko USB priključka. Podatke lahko prejemamo in pošiljamo ploščici preko Arduino IDE programskega okolja, kjer imamo možnost aktiviranja Arduino Serial Monitorja. Serial Monitor izpisuje podatke, ki jih Arduino pošilja nam, lahko pa tudi mi pošljemo Arduinu določene podatke, ki jih ustrezno interpretira in uporabi [3,5,6].
Za nas je pomembnejša funkcija ta, da lahko na ta način pošiljamo podatke direktno v Microsoft Excel (program, ki je nameščen praktično na vsakem računalniku v šolah). V Excelu se podatki lahko zapišejo v tabelo, kjer jih lahko nato obdelamo in predstavimo (z grafom, v tabeli).
5.3 PRIMER PRVE UPORABE ARDUINA
Možnosti za uporabo Arduina so praktično neomejene in nemogoče bi bilo zajeti prav vse možne uporabe. Vsak, ki se že dlje ukvarja ali pa se šele začenja ukvarjati s programiranjem in izdelavo različnih testnih vezji si oblikuje svoj pogled na delo z določenim razvojnim okoljem in na možnosti, ki jih posamezno okolje ponuja. Več izkušenj pomeni tudi boljšo selekcijo idej, ki jih lahko realiziramo oziroma ob izdelavi tudi bolje optimiziramo delovanje.
Arduino poznavalci začetnikom kot prvi program priporočajo Utripajoča LED (ang.
Blinking LED). Vzrok temu je, da ima Arduino že vgrajeno svetlečo diodo (pin 13), ki jo lahko uporabimo kot digitalni izhod ter tako preverimo, če Arduino pravilno deluje [5].
Na računalniku zaženemo Arduino IDE in med že obstoječimi primeri, ki jih program ponudi izberemo Blink( File → Examples → 01.Basics → Blink). Kljub temu pa je bolje, da kodo prepišemo sami, saj jo bomo tako bolje razumeli. V prostoru, ki je namenjen zapisu skice se ob izbiri primera izpiše skica ki izgleda tako kot na sliki 5.8.. Ko je skica zapisana kliknemo Preveritev in v kolikor nam program ne javi napake, je pripravljena za nalaganje na Arduino. Kliknemo na gumb Posnemi in počakamo, da se skica naloži [5].
Skica se na Arduino naloži zelo hitro. Če podrobno spremljamo prostor za sporočila vidimo, da se nam izpišejo določeni podatki o prenosu kode itd., vendar to za nas ni pomembno. V primeru, da se v prostoru za sporočila karkoli obarva rdeče to pomeni, da je v skici napaka, ki jo je potrebno odpraviti. Odpravimo jo tako, da vsako vrstico skice posebej pregledamo in preverimo, če so vsi znaki pravilno vpisani. Če je prenos na Arduino uspešen se v polju za sporočila izpiše "done uploading" in s tem je prenos zaključen [5].
5.2.4 UART KOMUNIKACIJA
19
Na ploščici sta dve svetleči diodi, ki sta označeni s Tx in Rx. Ti diodi utripneta vedno, ko je en bit podatkov poslan oziroma sprejet. Tekom prenašanja skice utripata neprestano. Ko je skica prenešena na Arduino, bo tam ostala dokler je ne prepišemo z novo skico. Skica ostane zapisana na Arduinu tudi če ploščico resetiramo oziroma izklopimo iz napajanja, podobno kot podatki na trdem disku našega računalnika [4,5].
Če podrobneje pogledamo skico, slika 5.8, lahko vidimo, da je sestavljena iz dveh glavnih delov, ki ju definirata vrstici: void setup () in void loop (), ki ju omejujejo zaviti oklepaji - {, }. Znotraj teh oklepajev lahko pišemo ukaze. Arduino vedno pričakuje, da ti dve funkciji zapišemo [4-6].
Prvi del kode definira ukaz void setup (), ki nastavi vse potrebno za pravilno delovanje Arduina - nastavi namembnost priključkov: analogni/digitalni vhod/izhod.
Kakšen tip priključka nastavimo je odvisno od tega, kaj bomo nanj priključili. Drugi del skice definira ukaz void loop (), ki že v prevodu pove, da gre za zanko. Ta del programa Arduino izvaja neprestano. Ko izvede ukaze do konca skice, se vrne na začetek loop () dela in ga izvede ponovno. Ta proces ponavlja dokler skice ne prepišemo z novo ali pa ga izklopimo iz napajanja. Arduino po delovanju namreč ni enak običajnemu računalniku - ne more izvajati večjih programov hkrati in programi se ne morejo ustaviti. Ko ploščico priključimo na napetost se skica začne izvajati, ko izvajanje želimo ustaviti ploščico preprosto izključimo iz napajanja [4-6].
Vsak del besedila v vrstici, pred katerim stoji //, ga Arduino ignorira. Ti dve poševnici definirata komentar znotraj skice. Komentarje uporabljamo zato, da z njimi povemo čemu je določen del ukazov v skici namenjen. Na ta način je tistim ki skico berejo za nami lažje razumeti kako program deluje, ali pa vemo sami, kaj določen del skice pomeni, ko ga čez čas popravljamo/optimiziramo [5].
Če pogledamo skico, lahko še pred vrstico void setup () vidimo zapisano int led = 13.
Pred izvajanjem setup vrstice lahko definiramo konstante, ki ostanejo skozi celotno skico enake. Tako bo Arduino vedno, kadar bo videl zapis led, le tega pretvoril v številko 13. V tej skici je številka 13 izbrana zato, ker je na trinajsti priključek vezana svetleča dioda. Definiranje takšnih konstant je smiselno kadar imamo na ploščico priključenih več različnih elementov, saj lahko znotraj kode pišemo ime elementa in se nam ni potrebno točno zapomniti, kam je ta element priključen [4-6].
Naslednji del skice je setup (), kjer z ukazom pinMode () definiramo namembnost priključka. Ukaz pinMode od nas pričakuje dva podatka - kateri priključek definiramo in kako ga definiramo. V našem primeru definiramo priključek 13 kot digitalni izhod, zato zapišemo: pinMode (led, OUTPUT). Ker smo priključek 13 definirali kot led, lahko preprosto zapišemo led in Arduino bo razumel, da se beseda nanaša na 13.
priključek [4-6].
Ko so zgornji ukazi izvedeni, se začne izvajati koda znotraj loop () dela. Ta koda se izvaja neprekinjeno. Če jo pogledamo podrobno, se v njej pojavita še dva nova ukaza: digtalWrite() in delay(). Ukaz digitalWrite() je namenjen upravljanju digitalnih izhodov. Z njim lahko vklopimo ali izklopimo (določimo stanje 1 ali 0) izhod. Ukaz pričakuje dva podatka - kateri priključek in kakšno stanje. Mi želimo, da svetleča
20
dioda utripa, zato za vklop zapišemo digitalWrite(led, HIGH), za izklop pa digitalWrite(led, LOW) [4-6].
Arduino izvaja skice tako da izvede vse ukaze v posamezni vrstici in nato nadaljuje z naslednjo. Arduino izvaja ukaze s taktom 16 MHz, kar pomeni, da vsako sekundo izvede 16 milijonov ukazov. Če bi mi z ukazi vklopili in izklopili svetlečo diodo bi le ta utripala, vendar bi bilo utripanje tako hitro, da bi se nam zdelo, da svetleča dioda sveti. Dioda bi se v tem primeru vsako sekundo prižgala 8 000 000-krat, naše oko pa ne zazna utripanja, če je le-to hitrejše kot 20-krat na sekundo. Da lahko vidimo utripanje uporabimo ukaz delay(). Ukaz pove Arduinu, da mora počakati. Koliko časa čaka določimo z argumentom, ki ga vpišemo: delay(1000). Podatek je zapisan v milisekundah (1000 ms = 1 s) [4-6].
Program deluje tako, da Arduino najprej vklopi svetlečo diodo, nato počaka eno sekundo in diodo izklopi. Po izklopu zopet počaka eno sekundo, zatem diodo zopet vklopi, počaka eno sekundo ...[4-6].
21
6 MOŽNOSTI UPORABE ARDUINA V OSNOVNI ŠOLI
Arduino razvojno okolje je zaradi svoje cenovne dostopnosti, vsestranske uporabnosti in preprostosti za uporabo primerno za uporabo v OŠ pri poučevanju fizike, kemije, biologije in tehnike.
6.1 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU FIZIKE
Fizika je, od vseh predmetov ki se poučujejo v OŠ, najbolj bogato zastopana z eksperimenti, ki jih lahko izvajamo s pomočjo računalnika.
Učenci se v 8. razredu učijo o enakomernem gibanju. Pri obravnavi enakomernega gibanja se srečajo z grafi odvisnosti poti in hitrosti od časa. Poučevanje poteka tako, da s štoparico merimo čas in na določen časovni interval (npr. 2 s) označimo lego, izmerimo razdalje oznak od izhodišča in jih vnesemo v graf ter narišemo krivuljo.
Učencem lahko eksperiment naknadno predstavimo s pomočjo računalnika. Arduino povežemo z ultrazvočnim merilnikom razdalje in z njim zabeležimo gibanje vozička.
Podatke lahko obdelamo npr. v Microsoft Excelu in narišemo grafa. Na podoben način lahko obravnavamo temo pospešenega gibanja in 2. Newtonovega zakona.
Poleg kinematike lahko računalniško podprto merjenje uporabimo za razlago Ohmovega zakona in pojavov, povezanih s toploto in toplotnim tokom [10].
6.2 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU TEHNIKE
Pri poučevanju tehnike je vsebin, kjer se lahko Arduino uporabi malo. Uporabimo ga lahko pri poučevanju vezji z več stikali (logična stanja), saj lahko učencem pokažemo, na kakšen način lahko namesto vezja napišemo program, ki bo deloval na enak način kakor stikala v vezju [11].
V sklopu tehnike se na šolah izvajajo tudi izbirni predmeti, med katerimi velja izpostaviti Robotiko v tehniki. Ostali izbirni predmeti v svojem načrtu ne zajemajo večjih poudarkov za delo z računalniškim krmiljenjem, zato so v tem diplomskem delu izpuščeni.
Robotika v tehniki je tehnični izbirni predmet, ki poteka eno leto. Poudarek je na konstruiranju modelov računalniško krmiljenih strojev in naprav. Namen predmeta je povezati znanje o geometriji, strojnih elementih, elektroniki, računalništvu in tehnologiji. Učenci osnovna znanja pridobivajo preko praktičnega dela, kjer se učijo o konstrukcijah tipičnih robotskih rok, o elektronskih krmiljih, ki so potrebna za računalniško vodenje in o čutilnikih, ki omogočajo povratno delovanje na krmilje [12].
V uvodu v predmet se učenci spoznajo s teoretičnimi dejstvi o računalniško krmiljenih strojih in napravah, da dobijo občutek kako zelo razvejana veda je robotika. Po teoretičnem uvodu učenci začnejo s spoznavanjem strojnih elementov, ki so nepogrešljivi v robotiki. Iz ene od tehničnih zbirk sestavljajo model robotskega podnožja, ki ga poganja enosmerni elektromotor z reduktorjem vrtljajev. Elektromotor krmilijo ročno preko stikala. Ko razumejo kako elektromotor omogoča delovanje 6.2.1 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU ROBOTIKE V TEHNIKI
22
robotske roke lahko v naslednjem koraku krmilijo elektromotor s pomočjo računalnika. Na tem mestu je Arduino primerna rešitev, preko katere lahko učenci krmilijo elektromotor in svojo robotsko roko tekom predmeta nadgrajujejo do te mere, da sestavijo model robotske roke s tremi prostostnimi stopnjami. Ko končajo z izdelavo robotske roke učni načrt predvideva, še sestavljanje različnih računalniško krmiljenih modelov (dvigalo, semafor, garažna hiša, mobilni robot,...), kar lahko prav tako podpremo z Arduinom, ki ga učenci že dobro poznajo [12].
Uporaba Arduina pri poučevanju kemije je precej omejena. Pri kemiji v OŠ se uporabljajo eksperimentalne metode, pri katerih ne potrebujemo računalniško podprtega merjenja. Primer, v katerem bi Arduino lahko uporabili so eksperimenti, pri katerih spremljamo spreminjanje temperature s časom [13].
Tudi v sklopu biologije je možnosti za aplikacijo Arduina v poučevanje malo. Podobno kot pri kemiji, lahko Arduino uporabimo pri poskusih, ki od nas zahtevajo beleženje podatkov v daljšem časovnem obdobju. Npr. če želimo preveriti kako neka rastlina uspeva pod določenimi pogoji, lahko z Arduinom beležimo podatke o temperaturi in vlagi prostora, v katerem se rastlina nahaja, prav tako pa lahko spremljamo vlažnost zemlje, v katero je rastlina posajena [14].
6.2.2 UPORABA ARDUINA PRI POUČEVANJU KEMIJE IN BIOLOGIJE V OSNOVNI ŠOLI
23
7 SKLEP
Z diplomskim delom smo zajeli predvsem strokovno in delno tudi didaktično področje o uporabi računalnika pri pouku v OŠ. V današnji poplavi elektronski naprav je bilo glavno vodilo to, da učitelj lahko uporabi čim več tistega kar že ima v razredu. Danes praktično nimamo več učilnice, v kateri ne bi bilo računalnika skupaj s projektorjem, ki omogočata uporabo IKT pri pouku. Tudi učenci so že navajeni poučevanja, ki je izvaja s pomočjo IKT in omogoča učitelju veliko več možnosti za grafični prikaz obravnavane snovi. Drugo vodilo je bila cena. Iz pogovorov z učitelji lahko izvemo, da so finančna sredstva za nakup didaktičnih pripomočkov skrbno porabljena in so namenjena večinoma za najnujnejše nakupe. Učitelj fizike, ki bi želel poskuse katere izvaja pred učenci podkrepiti z računalniško podprtim merjenjem bo svoj predlog za nakup didaktičnih pripomočkov dobil zavrnjen. Podobno se dogaja v okviru vseh predmetov, saj denarja za večje nakupe ni.
Alternativa dragim komercialnim sistemom so MRP. Nakup takšne razvojne ploščice stane le delček cene, ki jo imajo komercialni sistemi. Za potrebe računalniško podprtih merjenj so dovolj zmogljive in omogočajo velik spekter uporabe. Poleg tega je program v katerem programiramo ploščico brezplačen oziroma lahko za zajem podatkov uporabimo Microsoftov Excel, ki je standardno nameščen na vseh računalnikih na šolah kot del Microsoft Office paketa. Vendar pa nizka cena za seboj prinese tudi eno večjo pomanjkljivost in sicer preprostost uporabe. MRP namreč niso sprogramirane za natančno določene naloge, pač pa moramo to narediti sami.
Izdelati je potrebno merilnike in napisati program za MRP, da deluje tako kot to želimo. Težava je v tem, da ima večina učiteljev (razen učiteljev fizike in tehnike) zelo malo znanja o elektroniki in skoraj nič znanja o programiranju in sami niso sposobni izdelati merilnika.
Za učitelja se smatra, da je strokovnjak na svojem področju in da naj bi razumel delovanje senzorjev, ki se uporabljajo za merjenje z računalnikom. V kolikor učitelj pozna princip delovanja se lahko obrne na učitelja kolega, ki je tovrstnih opravili bolj vešč in skupaj lahko izdelata merilni sistem, ki bo deloval. Glede na cenovno dostopnost in vsestransko uporabnost je Arduino primerna izbira za učitelja, ki želi v eksperimentalni del svojega poučevanja vključiti računalnik.
24
8 LITERATURA IN VIRI
[1] www.vernier.com [2] www.pasco.com [3] www.arduino.cc
[4] Wikipedia – Single-board microcontroler [https://en.wikipedia.org/wiki/Single- board_microcontroller]
[5] Banzi M., Shiloh M., Make: Gettig started with Arduino (California, Maker Media, 2014)
[6] Langbridge J. A., Arduino sketches (Indiana, John Wiley & Sons, Inc., 2015) [7] Švegelj B. in Praznik A. (2011). Analogno-digitalna pretvorba in vrste analogno-
digitalnih pretvornikov. Seminarska naloga, Ljubljana: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko.
[8] Mitrović V. (2012). MikroPin, razvojni sistem za 13 € (4). Svet elektronike. 2012 (11), 23-29.
[9] Wikipedia – I2C [https://en.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C]
[10] J. Bajc in ostali, Učni načrt - Program osnovna šola – Fizika (Ljubljana, Ministrstvo RS za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[11] A. Praprotnik in ostali, Učni načrt – Tehnika in tehnologija (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[12] S. Kocijančič in ostali, Učni načrt – Robotika v tehniki (Ljubljana, Ministrstvo za šolstvo znanost in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[13] A. Bačnik in ostali, Učni načrt - Program osnovna šola – Kemija (Ljubljana, Ministrstvo RS za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
[14] B. Vilhar in ostali, Učni načrt - Program osnovna šola – Biologija (Ljubljana, Ministrstvo RS za šolstvo in šport, Zavod RS za šolstvo, 2011).
