BBC micro:bit [16

Poštovani čitatelji, u prošlom ste nastavku detaljno upoznali potenciometar. Kod zadnjeg zadatka korišten je džojstik kojim se u mobilnoj aplikaciji na zaslonu mobitela upravljalo lopticom. Na kraju teksta predložen je zadatak za samostalan rad u kojem je prestrojavanjem brojeva za y-os trebalo riješiti neskladno ponašanje loptice. Pitanje koje se samo nameće je, zašto loptica ide dolje kad se palica džojstika pomiče prema gore i obrnuto? Brojevi koji se dobivaju s BBC micro:bita ponašaju se u skladu s matematičkim pravokutnim koordinatnim sustavom u ravnini. Što je to? To je sustav koji čine dva međusobno okomita pravca koji se nazivaju koordinatnim osima. Sjecište tih pravaca naziva se ishodištem koordinatnog sustava. Vodoravna os naziva se apscisa ili x-os, a okomita se os naziva ordinata ili y-os. Točki T unutar pravokutnog koordinatnog sustava lako je odrediti mjesto jer joj je pridružen uređeni par brojeva (x, y). Na Slici 16.1. prikazan je primjer za točku T (3, 2) i za točku koja se nalazi u ishodištu T0 (0, 0).

Slika 16.1. Pravokutni koordinatni sustav Brojevi koji se dobivaju s BBC micro:bita redom su svi pozitivni, a to znači da bi se loptica trebala crtati u gornjem desnom kvadrantu koordinatnog sustava. Koordinatni sustav zaslona mobitela nije ustrojen kao ovaj na slici, kod njega je y-os okrenuta naglavačke, ishodište je isto, no pozitivne koordinate idu prema dolje. Dok palicu džojstika pomičete prema gore, brojevi rastu, a s obzirom da se kod zaslona mobitela crta u donjem desnom kvadrantu, dobiva se neusklađeni smjer loptice. Kako biste riješili taj problem valja dobivene brojeve prestrojiti tako da se dobivena 0 pretvori u 255, a dobiveni broj 255 pretvori u 0 i tako redom za sve brojeve u rasponu od 0 do 255. Za to se koristi formula: NOVA VRIJEDNOST = (STARA VRIJEDNOST – STARI MINIMUM) / (STARI MAKSIMUM – STARI MINIMUM) × (NOVI MAKSIMUM – NOVI MINIMUM) + NOVI MINIMUM Sad trebate otkriti kolike su te vrijednosti. Redom su to: STARA VRIJEDNOST je broj koji se u određenom trenutku dobiva s BBC micro:bita; STARI MINIMUM je najmanji broj koji je moguće dobiti s BBC micro:bita, odnosno 0; STARI MAKSIMUM je najveći broj koji je moguće dobiti s BBC micro:bita, odnosno 255; NOVI MAKSIMUM je najveći broj koji trebate nakon prestrojavanja, odnosno 0; NOVI MINIMUM je najmanji broj koji trebate nakon prestrojavanja, odnosno -255. Kad se svi ti podaci uvrste u formulu rezultat za NOVU VRIJEDNOST bit će negativan, a prije je rečeno da je y-os koordinatnog sustava zaslona mobitela pozitivan broj iako se pruža prema dolje. Radi rješavanja tog dodatnog problema za y-os trebate goli broj bez predznaka. Za to postoji programski blok “apsolute”. Na Slici 16.2. prikazana je formula u obliku koda. Sad kad znate što trebate činiti, prepravite postojeći program. Najprije u MIT AI, radi lakšeg snalaženja, u prikazu “Designer” preimenujte dva postojeća elementa:

KODIRANJE

Slika 16.2. Ovo su blokovi koji će vam trebati za prestrojavanje u MIT AI. Ovi blokovi vam nisu bili potrebni u MC E jer ih je zamjenjivao blok “map” (to ste isprobali u prošlom nastavku serije)

“Label2PODACI_S_P0”: Rename “Label2MAP_ PODACI_S_P0_Y”; “Label3PODACI_S_P1”: Rename “Label3PODACI_S_P1_X”. U prikazu “Blocks” imenujte dvije promjenljive, “STARA_VRIJEDNOST_Y” i “NOVA_VRIJEDNOST_Y”, Slika 16.3.

Slika 16.3. Kako bi formula s prethodne slike ispravno funkcionirala trebate ove dvije promjenljive Zatim, unutar bloka “when Microbit_Io_Pin_ Simple1. InputPinDataReceived do…” dodajte blokove prema Slici 16.4. Napomena, iz prostornih razloga dugačke blokove moguće je suziti. Kako se to radi? Najprije ubacite sve potrebne blokove, a zatim na prvi lijevi blok dvaput kliknete mišem. To je sve. Program otpremite do mobitela i isprobajte. Ako je sve kako valja loptica će slijediti smjer palice za igru. Prema uobičajenom duhu izlaganja nastavlja se s proučavanjem elementa “Microbit_Io_ Pin_Simple”. Preostalo je kodiranje analognih izlaza. U tu svrhu koristit ćete elektromotor za istosmjernu struju. Valja odmah napomenuti da elektromotori ne spadaju u elektroničke elemente, već u skupinu električnih strojeva. Što je elektromotor? To je stroj koji električnu energiju pretvara u mehanički rad. U osnovi razlikujemo dvije vrste, elektromotor za istosmjernu struju (DC – direct current) i elektromotor za izmjeničnu struju (AC – alternating current). Elektromotor za istosmjernu struju sastoji se od statora (najčešće je to permanentni magnet), rotora (elektromagnetski namotaji bakrene žice) i kolektora s četkicama (rotacijski prekidač ili komutator). Prvo važno svojstvo takvog elektromotora je mogućnost promjene brzine vrtnje promjenom napona napajanja. Drugo važno svojstvo je da se promjenom polariteta napajanja mijenja smjer rotacije. Za vježbe koje slijede trebat ćete neki mali elektromotor. Na Slici 16.5. vidljivi su primjeri elektromotora malih snaga.

Slika 16.4. Tamnoplavi blok “apsolute get global STARA_V…” suženi je prikaz blokova sa Slike 16.2. Slika 16.5. Elektromotori malih snaga za istosmjernu struju Elektromotor možete kupiti, bit će dobar svaki kojem je radni napon od 6 V do 12 V i kojem treba struja od 150 mA do 300 mA. Prvi problem koji valja odmah riješiti je kako BBC micro:bitom upravljati elektromotorom koji potrebuje viši napon i znatno jaču struju nego što BBC micro:bit može osigurati? Jedno valjano rješenje je upotreba releja (elektromagnetske sklopke), no taj je element skup, trom, bučan i glomazan. Najbolje rješenje je sastaviti sklop s tranzistorom. Što je tranzistor? To je elektronički poluvodički element koji služi za pojačavanje električnih signala bilo koje vrste, a može raditi i kao sklopka. Kako biste razumjeli načelo rada tranzistora trebat ćete se prisjetiti načela rada svjetlećih dioda koje ste proučavali u trinaestom nastavku serije (ABC tehnike, broj 639) te proširiti znanje na ispravljačke diode, no valja odmah upozoriti na jednu važnu činjenicu kako biste s razumijevanjem mogli pratiti teoriju koja slijedi. O čemu se radi? Veličanstveni razvoj elektriciteta kao grane znanosti i tehnike započeo je kada je otkrivena električna struja. To je jedna od rijetkih situacija gdje je slučajnost odigrala odlučujuću ulogu. Naime, profesor anatomije Luigi Galvani (1737.–1798.) slučajno je otkrio da se žablji kraci trzaju kada se dodiruju dvjema različitim kovinama, a to je otkriće potaklo Alessandra

Slika 16.6. Kristal diode sastavljen je od N-tipa i P-tipa poluvodiča

Slika 16.7. Kristal diode s priključenim naponom za propusni smjer Slika 16.8. Kristal diode s priključenim zapornim naponom

Voltu (1745.–1827.) da sagradi takozvani Voltin članak, preteču današnjih baterija. Tako je počelo. Uvelike se eksperimentiralo i s elektrostatskim elektricitetom. To je ona pojava kad se češljate pa vam češalj privlači vlasi ili kad preko glave skidate majicu pa čujete pucketanje i pojavljuju se iskrice ili kada izlazite iz automobila pa osjetite kako vas je nešto pecnulo. Prilikom objašnjavanja te pojave razvijeni su razni eksperimenti kod kojih je trebalo znati smjer struje. U to doba to nije bilo moguće eksperimentom dokazati pa se pribjeglo dogovoru i prihvaćeno je da struja teče od plusa prema minusu. Nažalost to je pogrešno, elektroni kao glavni nosioci negativnog naboja kreću se od minusa ka plusu. U daljnjem tekstu na taj će način biti opisane pojave pa to trebate imati na umu. Krenite od diode.

Dioda je kristal koji na dva suprotna kraja ima dva tipa poluvodiča, N-tip i P-tip, Slika 16.6. Na mjestu gdje se dva poluvodiča susreću, rekombiniraju se šupljine i slobodni elektroni pa tamo nema slobodnih nosioca elektriciteta. Taj sloj nije vodljiv (na slici je sive boje), a naziva se zapornim slojem (zs). Zaporni sloj u strujnom krugu pokazuje jednu interesantnu pojavu. Kad na diodu priključite istosmjerni napon tako da je plus-pol na P-tipu, a minus-pol na N-tipu kristala, šupljine se kreću prema minus-polu, a slobodni elektroni prema plus-polu, Slika 16.7. Već se kod niskih napona debljina zapornog sloja smanjuje pa kristal vodi električnu struju. Ako se polaritet napona izmijeni, šupljine se grupiraju na minus-polu, a slobodni elektroni na plus-polu. Debljina zapornog sloja povećava se i kristal više ne vodi struju, Slika 16.8. Dakle, prolaz struje ovisi o polaritetu priključenog napona. N-P-spoj ponaša se kao električni ventil. Na Slici 16.9. vidljiv je simbol za crtanje diode s oznakama izvoda (anoda A i katoda K).

Slika 16.9. Dioda propušta struju kada je na katodi minus-pol napajanja, a na anodi plus-pol napajanja Sad kad ste sve to saznali moguće je objasniti tranzistor.

Tranzistor je u osnovi sendvič triju kristala poluvodiča, zato su moguće dvije kombinacije, N-P-N i P-N-P. Tranzistor ima tri izvoda, emiter (E), bazu (B) i kolektor (C), a simboli se crtaju kako je vidljivo na Slici 16.10.

Slika 16.10. Elektronički simboli i oznake za NPN-tip tranzistora i PNP-tip tranzistora

Kod tih simbola strelice emitera ukazuju na fizikalni (dogovoreni) smjer struje unutar tranzistora. U nastavku će biti objašnjeno načelo rada tranzistora gdje morate imati na umu prije spomenuti smjer elektrona koji je suprotan fizikalnom smjeru struje.

Bipolaran “običan” tranzistor, BJT (bipolar

junction transistor) tako je nazvan jer u vođenju električne struje sudjeluju i pozitivni (šupljine)

i negativni (elektroni) nosioci elektriciteta. Prvi bipolaran tranzistor izumili su u Bell Labsu William Shockley, Walter Brattain i John Bardeen 1947. godine. Brattain je izradio točkasti kontaktni tranzistor, a nakon mjesec dana Shockley je imao praktičniji BJT koji će u nastavku biti opisan. Ovdje je zgodno napomenuti da su za to otkriće troje spomenutih znanstvenika 1956. godine dobili Nobelovu nagradu. Krajnje je pojednostavljeno moguće tranzistor promatrati kao spoj dviju dioda: dioda emiter-baza i dioda kolektor-baza, koje imaju jedan zajednički izvod, bazu. Tranzistor se u strujni krug redovito spaja tako da je dioda emiter-baza u propusnom smjeru, a dioda kolektor-baza u nepropusnom smjeru. Po tome bi se očekivalo da u prvoj diodi teče struja, a u drugoj ne teče. Tako bi i bilo, no kod proizvodnje tranzistora bazu treba izvesti što je moguće tanjom kako bi zaporni sloj prve diode bio bliže zapornom sloju druge diode. Proučite primjer za NPN-tranzistor, Slika 16.11.

Slika 16.11. Kod NPN-tranzistora javljaju se razna strujanja elektrona Kod ovog načina spajanja krene nekoliko struja (na slici su obilježene: a, b, c i d), a onda dolazi do izražaja takozvani tranzistorski efekt. Kako se taj efekt očituje? Očituje se tako da struje u krugu emitera otkoče (otvaraju) kolektorsku diodu, iako je ona spojena u nepropusnom smjeru. Pritom je jedan dio elektrona (a) izgubljen jer se rekombinira s privučenim šupljinama. Jedan mali broj elektrona (b) protječe kroz bazu do plusa baterije 1, baza se ponaša kao da je otpornik. Većina elektrona (c) kroz tanku bazu dolazi u područje kolektorskog zapornog sloja gdje brzo bivaju privučeni (d) snažnim električnim poljem kolektora. Jačina polja razmjerna je naponu kolektorske baterije. Zbog toga 99% struje teče prema kolektoru, a može se upravljati uz pomoć struje baze koja iznosi tek 1% emiterske struje. Drugim riječima, male promjene struje u krugu emiter-baza (male crvene strelice) uzrokuju znatno veće promjene struje u krugu emiter-kolektor (velike crvene strelice). Odnos promjene jakosti struje kolektora i promjene jakosti struje baze definira se kao faktor strujnog pojačanja tranzistora i označava se grčkim slovom β (beta). To je neimenovani broj koji je redovito mnogo veći od 1, a ovisno o tranzistoru može premašiti stotinu. Što se tiče PNP-tranzistora situacija je vrlo slična. Polariteti napona za PNP-tranzistor obrnuti su u usporedbi s NPN-tranzistorom, odnosno dvije baterije treba okrenuti tako da je plus baterije 1 prema emiteru, a minus baterije 2 prema kolektoru. Osim toga, valja napomenuti da su šupljine glavni nosioci elektriciteta, no krajnji učinci isti su za oba tipa tranzistora. Ovisno o snazi, tranzistori se pakiraju u raznim oblicima kućišta, Slika 16.12. Važno je napomenuti da su izvodi kod različitih tranzistora različito raspoređeni. Radi otkrivanja rasporeda preporuka je da na internetu potražite tvorničke kataloge. U tu svrhu u tražilicu upišete tranzistorski kôd (na primjer BC337) i englesku riječ datasheet (podatkovna tablica). U tim ćete tablicama, osim rasporeda izvoda pronaći i sve druge važne tranzistorske parametre.

Sklop za upravljanje brzinom vrtnje vratila elektromotora

Prema elektroničkoj shemi sa Slike 16.13. i montažnoj shemi sa Slike 16.14. na eksperimentalnoj pločici sastavite sklop.

Slika 16.12. Razni oblici kućišta tranzistora

Slika 16.13. Elektronička shema sklopa za upravljanje brzinom vrtnje vratila elektromotora

Slika 16.14. Montažna shema sklopa za upravljanje brzinom vrtnje vratila elektromotora

Izabran je NPN-tranzistor male snage tvorničke oznake BC337. Raspored izvoda označen je u crnom pravokutniku na Slici 16.14. Otpornik za ograničavanje struje baze ima vrijednost R1 = 2200 Ω (CRVENA-CRVENA-CRVENA-ZLATNA). Baterija za napajanje prilagođena je naponu i struji elektromotora. Osim toga, trebate priključak za bateriju, jednu crnu i jednu žutu premosnicu s krokodil-štipaljkama i jednu crnu premosnicu tipa Arduino “male to male”. Na vratilo elektromotora zalijepite komad izolirajuće samoljepljive trake kako biste kasnije lakše mogli pratiti brzinu i smjer vrtnje.

Ispitivanje ispravnosti spojenog sklopa

Pokrenite MC E te imenujte novi projekt, na primjer “MOTOR”. Kodirajte program prema Slici 16.15. Program preuzmite te ga otpremite do pločice BBC micro:bita. Ako je sve kako valja, ne dešava se ništa, vratilo elektromotora miruje. Na BBC micro:bitu pritisnite tipku A, jedanput. Vratilo elektromotora krenut će usporeno vrtjeti udesno. Nanovo pritisnite tipku A. Vratilo će se okretati brže. To ponavljajte dok ne postignete maksimalnu brzinu vrtnje. S tipkom B vrtnja se usporava. Što se tu događa? Kod prvog pokretanja programa na izvodu P0 vlada napon od 0 V. Pritiscima tipke A postepeno povisujete napon do maksimalnih 3 V. Obrnuto je za tipku B, pritiscima postepeno snižavate napon do minimalnih 0 V. Taj je napon doveden na bazu tranzistora koji razmjerno upravlja kolektorskim naponom od 9 V. Kod višeg napona vratilo elektromotora vrti brže, a kod nižeg napona sporije.

Mobilna aplikacija

Pokrenite MIT AI te imenujte aplikaciju, na primjer BBC_MOTOR1. U svojstvima za Screen1 kod Title upišite “BBC brzina vratila elektromotora”. Do virtualnog mobitela dovucite, preimenujte i ugodite svojstva za uobičajene elemente za Bluetooth. Nemojte zaboraviti ekstenzije “BluetoothLE1” i “Microbit_Io_Pin_Simple1”. Ako niste sigurni što vam sve treba onda prelistajte prethodne brojeve ABC tehnike. Osim nabrojanih umetnite još neke elemente kojima također trebate ugoditi svojstva prema popisu u nastavku. Button5: “Rename Button5_0”; BackgroundColor “Red”; kvačica na FontBold; FontSize “28”; Height “25 percent”; Width “100 percent”; Shape “oval”; Text “EMERGENCY STOP”. TextBox1: Width “100 percent”; Text “0”; TextAlignment “center : 1”. Slider1: Width “100 percent”; MaxValue “255.0”; MinValue “0.0”; ThumbPosition “0.0”. Nakon svega zaslon virtualnog mobitela trebao bi izgledati kao ovaj na Slici 16.16.

Kodiranje

Iz ruksaka izvucite potrebne blokove, “when Button1SKENIRAJ. Click do…”, “when Button2ZAUSTAVI. Click do…”, “when Button3SPOJI. Click do…”, “when Button4ODVOJI. Click do…”, “when BluetoothLE1. DeviceFound do…” i “when BlueoothLE1 .Disconnected do…”. Nakon toga, iz “Blocks” dovucite blokove prema Slici 16.17. Na kraju, dovucite blokove prikazane na Slici 16.18.

Slika 16.15. Programski kôd za upravljanje brzinom vrtnje vratila elektromotora

Slika 16.16. Izgled virtualnog mobitela nakon umetanja svih potrebnih elemenata

Slika 16.17. Blokovi koji određuju početna stanja izvoda P0 BBC micro:bita

Blok “thumbPosition” je predodređena promjenljiva u kojoj se pohranjuju podaci kao decimalni brojevi, a ovise o položaju klizača “Slider1”. Tamnoplavi blok “round” zaokružuje decimalne brojeve, odnosno uzima samo cijele brojeve bez decimala. To je sve. Otpremite i instalirajte aplikaciju na vaš mobitel te krenite s kodiranjem BBC micro:bita. Pokrenite MC E te imenujte projekt, na primjer “MobiMOTOR”. Učitajte ekstenziju za “BluetoothLE”.

Za ove ste vježbe trebali:

• BBC micro:bit, • USB-kabel, • baterije za BBC micro:bit, • mobitel (dlanovnik, tablet) sa sustavom Android, • eksperimentalnu pločicu na ubadanje, • spojne žice raznih boja s krokodil-štipaljkama i muškim nastavcima, 2 komada, • premosnicu, • baterije prilagođene elektromotoru (na primjer blok 9 V/200 mA), • priključak za bateriju 9 V (ili ležište za drugačije baterije), • otpornik 2 200 Ω, • NPN-tranzistor BC337,

• DC-elektromotor 9 V/200 mA (ili nekih drugih vrijednosti, ali neka je napon do 12 V), • električarsku izolirajuću traku dužine 3 cm. Marino Čikeš, prof.

Slika 16.18. Kako bi sve radilo kako valja trebate i ove blokove Napišite uobičajeni program za “bluetooth io pin service”. Ako ste ga zaboravili pronađite ga u prošlom nastavku serije na Slici 15.14. Program preuzmite i otpremite do BBC micro:bita. Izvedite “Bluetooth” uparivanje mobitela i BBC micro:bita. Na mobitelu pokrenite aplikaciju BBC_MOTOR1 te skenirajte, a potom se spojite s BBC micro:bitom. Ako je sve kako valja, vratilo elektromotora miruje. Kažiprstom povucite udesno klizač na zaslonu mobitela. Vratilo bi se trebalo zavrtjeti udesno. Ugađanjem klizača ugodite željenu brzinu. U slučaju potrebe naglog i brzog zaustavljanja, tapkajte po “EMERGENCY STOP”. Ako želite promijeniti smjer vrtnje, tada zamjenite priključke elektromotora. Na eksperimentalnoj pločici crvenu žicu priključite na mjesto crne, a crnu na mjesto crvene, sada bi vratilo trebalo vrtjeti ulijevo. Zadaci za samostalan rad. Prvo, razmislite i odgovorite zašto vratilo staje kad klizač na zaslonu mobitela ugodite na vrijednost 20 (ili nešto manje), a trebalo bi se usporeno vrtjeti sve do broja 1? Drugo, razmislite kako biste s tranzistorima riješili obrnuto napajanje elektromotora radi dobivanja suprotnog smjera vrtnje vratila?