Robotski modeli za učenje kroz igru u STEM-nastavi – Fischertechnik (51

S ova četiri spomenuta vala bi se kod istog generiranog tona trebala čuti neka razlika u zvuku, a to ste imali prilike isprobati kad ste mijenjali parametar “waveform” u argumentu “soundeffect”. Nažalost, razlika nije jako izražena, to je vjerojatno tako jer digitalan BBC micro:bit ne može generirati prave analogne signale, može ih samo simulirati. Za utjehu, najučinkovitija se promjena čuje kad se upiše WAVEFORM_NOISE (nasumično generirana buka). Podsjetnik: from microbit import sleep > uvoz samo jedne naredbe iz biblioteke microbit, u ovom slučaju sleep; import music > uvoz biblioteke; music.play(music.IME) > generiranje pripravne melodije; music.play([„NOTAoktava:trajanje“, „r“]) > generiranje vlastite melodije. NOTA se upisuje unutar navodnika, velikim ili malim slovom. R je pauza. Kod “oktava” upisati broj oktave. Za “trajanje” (note i pauze) upisati broj nakon dvotočke. Note i pauze odvajati zarezom. Jednom definirana, oktava i trajanje note (i pauze) prenosi se dalje na sljedeću notu (i pauzu); music.pitch(frekvencija, milisekunde) > generiranje zvuka upisivanjem frekvencije. Ako se ne upiše parametar vremena, zvuk se generira neprekidno; music.stop() > zaustavljanje zvuka kad je generiran bez parametra vremena trajanja; music.set_tempo(bpm=milisekunde) > određivanje tempa, predodređena vrijednost je 120; speaker.on() > samo v.2, uključuje ugrađeni zvučnik na BBC micro:bitu; speaker.off() > samo v.2, isključuje ugrađeni zvučnik na BBC micro:bitu; audio.play(Sound.IME) > samo v.2, generiranje pripravnog zvuka; audio.play(audio.SoundEffect()) > samo v.2, generiranje zvučnog efekta, parametre pogledati u Tablici 33.8.; set_volume(broj) > samo v.2, ugađanje volumena zvuka od 0 do 255. Za ove ste vježbe trebali: - BBC micro:bit v.2. (ili v.1.) - USB-kabel - zvučnik - dvije žice s krokodil-štipaljkama. Marino Čikeš, prof.

"STEM" U NASTAVI

Ultrazvučni senzor je elektronički modul koji mjeri udaljenost do nekog objekta, predmeta ili prepreke. Detekcija prepreke je iznimno precizna, gdje senzor detektira predmet i očitava udaljenost od 2 do 400 centimetara. Modul ultrazvučnog senzora udaljenosti građen je kao dvostruki ultrazvučni zvučnik za prepoznavanje prepreka na relativno maloj udaljenosti. Preciznost senzora se očitava na udaljenosti od 1 cm primljenog signala dvosmjernog digitalnog sučelja s rezolucijom od 0,5 cm. Moguće je istovremeno upotrebljavati do osam senzora za mjerenje udaljenosti koji neovisno odašilju digitalne podatke u sučelje (međusklop) bez međusobne interferencije signala. Radni napon napajanja senzora udaljenosti ima raspon od 5 do 10 volti i osigurava stabilan rad senzora udaljenosti. Ultrazvučni senzor čeka impuls okidača i vrši sinkronizaciju svih ostalih senzora gdje se upit hostu ponavlja u periodu 10 milisekundi. Kada se signal vraća kao impuls odgovor stiže u periodu od 0,2 do 1 ms. Ako senzor udaljenosti ne detektira prepreku, glavni okidač ne šalje digitalni signal i senzor prelazi u stanje pripravnosti. Pripravnost senzora traje do trenutka kada senzor detektira prepreku i odašilje digitalne signale u sučelje. LED (Light Emitting Diode) je poluvodički elektronički element koji pretvara električni signal u svjetlost. Propusno polarizirana svjetleća dioda (LED) emitira elektromagnetsko zračenje koje uzrokuju nosioci električnoga naboja. Elektroni su negativno nabijene čestice koje oslobađaju energiju u obliku topline i optičkog zračenja prelazeći iz vodljivog u valentni pojas. Boja emitiranog svjetla ovisi o poluvodičkom materijalu i primjesama u njemu te varira od infracrvenog preko vidljivog do ultraljubičastog dijela optičkog spektra. Slika 1._UZV Izradu konstrukcije modela koji mjeri udaljenost osigurava odabir osnovnih elemenata i građevnih blokova Fischertechnika. Odabir

građevnih blokova i električnih elemenata olakšava izradu funkcionalnog modela pomoću strojne opreme za učenje računalnog razmišljanja uz izradu algoritama i programskih rješenja.

Senzor za mjerenje udaljenosti (UZV)

Konstrukcija modela za mjerenje udaljenosti: povezivanje vodičima s međusklopom, provjera rada električnih elemenata i izrada programskog rješenja za pokretanje senzora udaljenosti (UZV), osam lampica i dva tipkala. Izradu funkcionalne konstrukcije modela osigurava popis elemenata Fischertechnika s preciznim uputama i detaljnom razradom radnih postupaka. Slika 2._FT_elementi1 Izradit ćemo model za mjerenje udaljenosti od prepreke sa osam LED-lampica i upravljačkim elektroničkim sklopom (sučeljem), senzorom za mjerenje udaljenosti i tipkalima (I1 i I2). Konstrukcijski izazov pri izradi modela je pozicioniranje senzora udaljenosti i LED-lampica na jednaku udaljenost, pregledno i uredno povezivanje osam lampica s vodičima i međusklopom. Faze izrade konstrukcije robotskog modela: • izrada nosača i postavljanje senzora udaljenosti (UZV) • postavljanje indikatora udaljenosti s LED-lampicama na postolju • postavljanje upravljačkih elemenata (tipkala) • povezivanje električnih elemenata vodičima, sučeljem i izvorom napajanja • izrada algoritama i računalnog programa s potprogramima za upravljanje.

Napomena: Duljina vodiča sa spojnicama određena je udaljenošću električnih elemenata (LED-lampica) od sučelja. Poziciju sučelja na modelu određuje položaj ulazno/izlaznih utora (spojnica) na sučelju u odnosu na električne elemente i senzore, te položaj izvora napajanja (baterija, U = 9 V).

Mjerenje udaljenosti – konstrukcija automatiziranog modela

Izradit ćemo automatizirani model za određivanje udaljenosti pomoću LED-lampica (O1–O8), dodirnih senzora ‒ tipkala (I1, I2) i upravljačkog sklopa sa senzorom udaljenosti (I8). Konstrukcijski/inženjerski izazovi: građevinskim elementima izraditi funkcionalnu konstrukciju nosača senzora udaljenosti na postolju sa svjetlosnim indikatorima (LED-lampicama), električne elemente povezati vodičima, sučeljem, izvorom napajanja i računalom. Slika 3._konstrukcijaA Slika 4._konstrukcijaB Slika 5._konstrukcijaC U četvrti red cijelom dužinom postavite senzor udaljenosti i svjetlosne LED-indikatore. S lijeve strane na veliko postolje postavite nosač, veliki crni građevni element na koji je pričvršćen senzor udaljenosti. U isti red postavite osam postolja za LED-lampice na jednaku udaljenost (izmjerite ravnalom). Umetnite u postolja svjetleće diode (LED) i pozicionirajte ih tako da su okrenute isto (katoda ‒ lijevo, anoda – desno). Na postolja LED-lampica postavite zaštitne kapice u bojama: tri crvene, dvije narančaste i tri zelene.

Napomena: Položaj i orijentacija postolja LED-lampica olakšavaju spajanje i provjeru ispravnosti vodiča. Zaštitne kapice na LED-lampicama su crvene, narančaste i zelene boje radi bolje vidljivosti indikacije udaljenosti očitanja senzora. Slika 6._konstrukcijaD Slika 7._konstrukcijaE Slika 8._konstrukcijaF Na kraju desne strane postolja u osmi red umetnite veliki crni građevni element koji osigurava nepomičnost izvora napajanja i olakšava jednostavnu zamjenu baterije kada je prazna. Nasuprot baterije postavite sučelje na dvostrane spojne elemente koji su umetnuti na postolje s jedne strane i sučelje s druge strane. Ovim rasporedom na postolju je osiguran optimalan položaj za povezivanje električnih elemenata s vodičima na sučelje i jednostavno spajanje izvora napajanja sa sučeljem.

Napomena: Položaj sučelja definiran je različitim priključcima koji su smješteni na prednjoj strani. Oni omogućavaju povezivanje s računalom i komunikaciju između sučelja i računala s LED-indikatorima, dodirnim senzorima i senzorom udaljenosti. Slika 9._konstrukcijaG Slika 10._konstrukcijaH

Slika 11._konstrukcijaI LED-indikatori u bojama (crvena, narančasta, zelena) ističu različitu jačinu svjetlosti i upozoravaju na približavanje objekta senzoru udaljenosti. U četvrti red umetnite četiri crvena držača za vodiče u obliku potkove (vodilice). Osam LED-lampica spojite vodičima sa spojnicama na sučelje. Postavite LED-lampice u poziciju za spajanje sa spojnicama i umetnite ih u vodiče. Odredite pravilan redoslijed spajanja i izmjerite duljinu vodiča. Izrežite vodiče na izmjerene duljine, skinite izolaciju na krajevima, umetnite ih u spojnice i stegnite čvrsto vijak pomoću odvijača.

Napomena: Vodiči smješteni unutar vodilica olakšavaju pregledno i pravilno spajanje LED-lampica, osiguravaju urednost i preglednost vodljivih elemenata spojenih na sučelje.

Napomena: LED-lampice spojite zajedničkim vodičem na uzemljenje sučelja tako da najbližu lampicu (O1) spojite direktno na uzemljenje. LED-lampica (O1) s uzemljenjem serijski je povezana s ostalim LED-lampicama (O2-O8). Ovakvim načinom povezivanja LED-lampica na zajedničko uzemljenje smanjujemo broj vodiča na konstrukciji i sučelju. Slika 12._konstrukcijaJ Slika 13._konstrukcijaK Ultrazvučni senzor spojite sa sučeljem u ulazne utore pazeći na raspored boja vodiča: I8 (crna), uzemljenje (┴, zelena), izlaz 9 V (+, crvena). Dodatno napajanje ultrazvučnog senzora omogućava kontinuiran i pravilan rad pri očitavanju udaljenosti od prepreke.

Napomena: sve elektroničke elemente povezujemo prije spajanja izvora napajanja (baterije). Bočno su na sučelje umetnuta dva tipkala (I1 i I2) koja osiguravaju kontinuirano upravljanje automatiziranim modelom za mjerenje udaljenosti od prepreke. Položaj dodirnih senzora (tipkala) definiran je pozicijom digitalnih ulaza na sučelju.

Napomena: postavite izvor napajanja (bateriju) i sučelje na podlogu i povežite ih uredno složenim vodičima s računalom. Ulazne i izlazne električne elemente povežite sa sučeljem i testirajte alatom u programu RoboPro. Slika 14._TXT Slika 15._FT_elementi2 Spajanje FT-elemenata s TXT-sučeljem: • LED-lampice spojite na (O1–O8) izlaze (crveno) i uzemljenje ( ┴, zeleno) • ultrazvučni senzor spojite vodičima na digitalni ulaz (I8) • tipkala spojite vodičima na digitalne ulaze (I1 i I2). Povezivanje sučelja i električnih elemenata olakšava pravilan raspored boja spojnica vodiča, uredno spajanje vodiča i precizna duljina vodiča između LED-lampica.

Napomena: sve elektroničke elemente povežite prije spajanja izvora napajanja (baterije). Provjera ispravnosti elektroničkih elemenata provodi se prije izrade algoritma i programa pomoću alata Test: • povezivanje TXT-sučelja s računalom, ulaznim i izlaznim elementima • provjera komunikacije TXT-sučelja s računalom (USB, Bluetooth, Wi-Fi) s izvorom napajanja (baterijom U = 9 V) • provjera rada spojenih elemenata: senzora udaljenosti, tipkala i LED-lampica s programom RoboPro.

Izrada algoritama i programskih rješenja

Slika 16._UZV1 Zadatak_1: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućava upravljanje, pokretanje i isključivanje LED-lampice tipkalom (I1). Na početku program provjerava izlaz na koji je spojeno tipkalo (I1) i očitano stanje na tipkalu (I1). Pritiskom na tipkalo (I1) i otpuštanjem tipkala (I1) ultrazvučni senzor provjerava udaljenost od objekta (prepreke). LED-lampica (O1) svijetli u periodu od jedne sekunde, ako senzor izmjeri udaljenost koja je veća od ili jednaka 10 centimetara. Slika 17._UZV_Test Pokretanjem programa tipkalom (I1) kontroliramo rad ultrazvučnog senzora (I8). Program provjerava ispravnost i preciznost očitanja udaljenosti od objekta i nakon toga prestaje raditi. Zadatak_2: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućava upravljanje, pokretanje i isključivanje LED-lampice tipkalom (I1). Na početku program provjerava izlaz na koji je spojeno tipkalo (I1) i očitano stanje na tipkalu

(I1). Pritiskom na tipkalo (I1) i otpuštanjem tipkala (I1) ultrazvučni senzor provjerava udaljenost od objekta (prepreke). LED-lampica (O1) svijetli u periodu od jedne sekunde, ako senzor izmjeri udaljenost koja je veća od ili jednaka 10 centimetara. Ako je udaljenost manja od 10 centimetara, LED-lampica ne svijetli. Program konstantno provjerava tipkalo (I1) i neprekidno očitava udaljenost od objekta dok ne zaustavimo izvršavanje programa. Slika 18._UZV_On_Off Uključivanje i isključivanje LED-lampice definirano je očitanom udaljenosti na ultrazvučnom senzoru. Zadatak_3: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućava upravljanje, pokretanje i isključivanje LED-lampice tipkalima (I1, I2). Na početku program provjerava izlaz na koji je spojeno tipkalo (I1) i očitano stanje na tipkalu (I1). Pritiskom na tipkalo (I1) i otpuštanjem tipkala (I1) ultrazvučni senzor provjerava udaljenost od objekta (prepreke). LED-lampica (O1) svijetli u periodu od jedne sekunde, ako senzor izmjeri udaljenost koja je veća od ili jednaka 10 centimetara. Ako je udaljenost manja od 10 centimetara, LED-lampica ne svijetli. Program konstantno provjerava očitanu udaljenost na ultrazvučnom senzoru (I8) i uključuje ili isključuje LED-lampicu neprekidno dok nije pritisnuto tipkalo (I2) koje zaustavlja izvršavanje programa. Slika 19._UZV Tipkalom (I2) nepovratno zaustavljamo izvršenje programa koji upravlja očitanjem udaljenosti od objekta. Zadatak_4: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućava upravljanje, pokretanje i isključivanje LED-lampice tipkalima (I1, I2). Na početku program provjerava izlaz na koji je spojeno tipkalo (I1) i očitano stanje na tipkalu (I1). Pritiskom na tipkalo (I1) i otpuštanjem tipkala (I1) ultrazvučni senzor provjerava udaljenost od objekta (prepreke). LED-lampica (O1) svijetli u periodu od jedne sekunde ako senzor izmjeri udaljenost koja je veća od ili jednaka 10 centimetara. Ako je udaljenost manja od 10 centimetara, LEDlampica ne svijetli. Program konstantno provjerava očitanu udaljenost na ultrazvučnom senzoru (I8) i uključuje ili isključuje LED-lampicu neprekidno dok nije pritisnuto tipkalo (I2). Pritiskom tipkala (I2) program čeka ponovno pokretanje kao na početku provjerom pritiska i otpuštanja tipkala (I1). Slika 20._UZV1 Aktiviranjem programa i očitanjima ultrazvučnog senzora svjetlosni indikator (LED) pokazuje udaljenost veću, jednaku ili manju od 10 centimetara. Slika 21._UZV2 Pritiskom tipkala (I2) LED-lampica prestaje svijetliti bez obzira na prethodno stanje očitane udaljenosti. Zadatak_5: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućava upravljanje, pokretanje i isključivanje LED-lampice tipkalima (I1, I2). Na početku program provjerava izlaz na koji je spojeno tipkalo (I1) i očitano stanje na tipkalu (I1). Pritiskom na tipkalo (I1) i otpuštanjem tipkala (I1) ultrazvučni senzor provjerava udaljenost od objekta (prepreke). LED-lampica (O1) svijetli u periodu od jedne sekunde ako senzor izmjeri udaljenost od dva centimetra. Ako je udaljenost četiri centimetra LED-lampica ne svijetli. Program konstantno provjerava očitanu udaljenost na ultrazvučnom senzoru (I8) i uključuje ili isključuje LED-lampicu neprekidno dok nije pritisnuto tipkalo (I2) koje zaustavlja izvršenje programa. Slika 22._UZV3 Uključivanje LED-indikatora postiže se ispunjavanjem uvjeta i preciznim očitanjem udaljenosti ultrazvučnog senzora. Zadatak_6: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućava upravljanje, pokretanje i isključivanje LED-lampica (O1-O8) tipkalima (I1, I2). Na početku program provjerava izlaz na koji je spojeno tipkalo (I1) i očitano stanje na tipkalu (I1). Pritiskom na tipkalo (I1) i otpuštanjem tipkala (I1) ultrazvučni senzor provjerava udaljenost od objekta (prepreke) i uključuje svjetlosne indikatore (LED) ovisno o očitanoj udaljenosti. Senzor mjeri udaljenost od objekta svaka dva centimetra koju prikazuje uključivanjem i isključivanjem svjetlosnih indikatora. Primjer: LED-lampica (O1) svijetli u periodu od jedne sekunde ako senzor izmjeri udaljenost dva centimetra. LED-lampica (O2) svijetli u periodu od jedne sekunde ako senzor izmjeri udaljenost četiri centimetra. Ukupno je maksimalno moguće izmjeriti udaljenost do šesnaest centimetara koju prikazuje LED-lampica (O8).