Robotika pro střední školy: programujeme Arduino

Projekt PRIM

Tato část učebnice robotiky pro střední školy, využívá technologii Arduino. Jedná se spíš o úvod do problematiky robotiky, který v sobě nese základní dovednosti v řídících, senzorických a motorických subsystémech, které tvoří ucelený robotický systém.

V druhé částí učebnice robotiky je využívána technologie Micro:Bit. Tato část má samostatnou stránku. Přejít na Micro:Bit.

Arduino - obsah

Učebnice ke stažení (ZIP - 1Gb - všechny soubory)

Učebnice ke stažení (pouze PDF - 28Mb - textová část v jednom souboru)

KRÁTKÉ SEZNÁMENÍ, JAK PRACOVAT S UČEBNICÍ

Učebnice se skládá z jednotlivých kapitol, které obsahují konkrétní probírané téma. Materiály pro každé téma jsou rozděleny do tří základních částí a doplněny o další podpůrné materiály.

Každá složka lekce je rozdělena na dílčí podsložky, které mají následující strukturu:

1. METODIKA PRO UČITELE

[Složka 01_Pro_ucitele]
Tato složka obsahuje soubory určené učitelům, které představují doporučený průchod hodinou. Dále jsou zde soubory ukázkově vyřešených samostatných úloh, které mají žáci řešit v rámci pracovních listů. Dále jsou zde prezentace k hodině v MS PowerPoint (složka PowerPoint_prezentace), které kopírují průvodce hodinou a celá lekce v jednom souboru se všemi částmi (složka Vse_v_jednom).

2. PRACOVNÍ LISTY PRO ŽÁKY

[Složka 02_Pro_zaky]
Složka obsahuje pracovní listy, které kopírují strukturu PODROBNÉHO PRŮVODCE HODINOU vyučujícího. Soubory s pracovními listy jsou samostatně umístěny v příslušné složce, aby bylo snadné je vytisknout. Pracovní listy lze rozeslat i elektronicky. Správná řešení samostatných úkolů jsou ve složce PRO UČITELE.

3. STUDIJNÍ DOPLŇKY PRO SAMOSTUDIUM

[Složka 03_Samostudium]
Složka obsahuje materiál, který může být studijním doplňkem. Jsou zde podrobné informace k probíranému tématu. Lze jej využít jako studijní materiál jak pro studenty, tak i pro vyučující, kteří se s probíranou látkou seznamují. Jsou zde také podrobně okomentovány schémata zapojení a programové kódy všech příkladů použitých v pracovních listech. Součástí je i námět na projekt, který využívá naučených znalostí z hodiny.

4. ZDROJOVÉ KÓDY

[Složka 04_Zdrojove_kody_prikladu]
Složka obsahuje soubory zdrojových kódů, které lze otevřít v prostředí Arduino. Jsou zde uvedeny kódy všech vzorových příkladů i samostatných úkolů. Pokud je to nutné, tak lze ve složce nalézt potřebné knihovny pro prostředí Arduino.

5. ZÁVĚREČNÝ PROJEKT

[Složka 05_Zaverecny_projekt]
Složka obsahuje soubor, ve kterém je uveden postup konstrukce samostatného projektu dále podsložku s tiskovými šablonami pro případnou konstrukci. Šablony jsou uvedeny ve zdrojových souborech, nebo v PDF, které lze jednoduše vytisknout

6. DALŠÍ MATERIÁLY

[Složka 06_Dalsi_materialy]
Ve složce se nachází zejména soubory schémat zapojení všech obvodů uvedených v učebnici, vztahující se k dané lekci.

Hodinová dotace

Jednotlivé lekce lze rozdělit podle obtížnosti do dvou bloků. Od toho se dovíjí i předpokládaná hodinová náročnost.

I. Blok 1. Úvod - 1x45 min 2. První program - 2x 45 min 3. LED animace - 2x 45min 4. Programujeme ovládání servo motorů - 2x 45min 5. Programujeme RGB diody - 2x 45min 6. Programujeme ovládání DC motorů - 2x 45min 7. Měříme fyzikální veličiny - 2x 45min

II. Blok 8. Programujeme akcelerometr - 5x 45min 9. Programujeme ovládání joystickem - 3x 45min 10. Dálkové ovládání - 3x 45min 11. Semafor - 2x 45min 12. Ultrazvuk - 4x 45min

Arduino

Učebnice ARDUINO obsahuje sadu metodických materiálů pro učitele se zaměřením na programování, odráží zrevidovaný rámcový vzdělávací plán z informatiky a naplňuje některé z kompetencí, které jsou v něm zařazené.

Termín „Arduino“ v sobě obsahuje jak hardware, tak i software. Arduino je prototypovou a otevřenou platformou založenou na snadno použitelném hardwaru a softwaru. Programovatelné desky Arduino zpracovávají vstupy a s použitím programového kódu vytvoří výstup. K desce Arduino lze přidat řadu dalších hardwarových komponent. S využitím open source knihoven dostupných na webu lze Arduino využít pro širokou škálu projektů, od extrémně jednoduchých až po vysoce komplexní. Tím je tato platforma velice flexibilní.

Programátoři vytvářejí roboty, dálkově řízená vozidla, domácí automatizační zařízení atd. Arduino získalo popularitu díky své jednoduchosti a cenové dostupnosti. Pro začátečníka, včetně dítěte, je relativně snadné s programováním na platformě Arduino začít. Výukový potenciál lze spatřovat v pokrytí několika oblastí jako design, elektronika, embedded systémy a v neposlední řadě programování. Tyto oblasti se navzájem prolínají a doplňují.

Pro práci s Arduino pomocí této učebnice se nevyžadují žádné předchozí zkušenosti, ani pochopení základů elektroniky. Učebnice je rozdělena do kapitol, které obsahují příklady odstupňované podle náročnosti. Každá kapitola obsahuje materiály pro učitele v podobě podrobných průvodců hodinami, pracovními listy pro žáky a podrobnými průvodci teorií, vztahující se k probíranému tématu. V celé učebnici je kladen důraz na samostatné plnění úkolů, které postupně odhalují možnosti platformy Arduino.

OBSAH

1. Úvod

• Doporučení, jak pracovat s učebnicí.
• Popis jednotlivých komponent v sadě ARDUINO.
• Popis základní desky ARDUINO a programovacího rozhraní.
• První nastavení programovacího rozhraní.
• Řešení problémů.
• Nutné základy pro první program - kontaktní pole, ohmův zákon, tlačítka, LED.
• (Lekce ke stažení)

2. První program

• Digitální vstup a výstup s popisem funkcí pro jejich ovládání.
• Podrobný popis zapojení obvodu s LED diodu.
• Základní seznámení s jazykem Wiring.
• Popis rozhraní Arduino IDE pro nahrání kódu do desky.
• Řešené problémy při zapojení LED diody.
• Seznámení s programem Arduino IDE pro nahrávání kódu do desky.
• Princip a zapojení piezzo bzučáku s podrobným vysvětlením.
• Programový kód pro ovládání obvodu s bzučákem.
• Technická část pro závěrečný projekt – Mluvící robot.
• Vysvětlení řešení samostatných úkolů.
• (Lekce ke stažení)

3. LED Animace

• Deklarace a používání vlastních funkcí.
• Definice polí v Arduinu.
• Použití příkazu cyklu for.
• Programové kódy pro vysvětlení používání polí a cyklu.
• Řešené problémy při zapojení sestavy LED diod.
• Technická část pro závěrečný projekt – stojan na diody.
• Vysvětlení řešení samostatných úkolů.
• (Lekce ke stažení)

4. Programujeme ovládání servo motorů

• Princip servomotorů.
• Vysvětlení podmínkového příkazu if..else.
• Příklad zapojení servomotoru.
• Princip a zapojení potenciometru v Arduino pro ovládání servomotoru.
• Programové kódy pro vysvětlení používání podmínkového příkazu if..else..
• Řešené problémy při zapojení servomotoru.
• Technická část pro závěrečný projekt – slunečnice.
• Vysvětlení řešení samostatných úkolů.
• (Lekce ke stažení)

5. Programujeme RGB diody

• Seznámení se s RGB diodou a její funkčností.
• Princip skládání barev a PWM.
• Správné zapojení RGB diody s využitím zkušeností z předchozích příkladů. Zejména se jedná o volbu rezistorů a jejich zapojení.
• Zavedení pojmů a znalostí týkající se analogových výstupů a mapování hodnot.
• Využití již zavedeného podmínkového příkazu if.
• Zavedení vlastní funkce v programovém kódu.
• Použití příkazu cyklu for.
• (Lekce ke stažení)

6. Programujeme ovládání DC motorů

• Pochopení principu stejnosměrného motoru.
• Seznámení s principy tranzistoru.
• Zapojení tranzistoru pro regulaci otáček motoru.
• Zapojení externího napájení motoru.
• Využití potenciometru pro regulaci motoru.
• Projekt větráku.
• (Lekce ke stažení)

7. Měříme fyzikální veličiny

• Získání dovedností při zapojování senzoru teploty.
• Naučení se pracovat se sériovým monitorem.
• Naučit se zapojit LCD display a zobrazovat hodnoty.
• Připojování externích knihoven pro snazší programování.
• Naučit se zobrazovat hodnoty na LCD displeji.
• Projekt skleníku.
• (Lekce ke stažení)

8. Programujeme Akcelerometr

• Získání dovedností při zapojovování a ovládání maticového displeje.
• Ovládání displje prostřednictvím vícerozměrných polí.
• Propojení s potenciometry (hra Ping Pong).
• Získání znalostí při práci s akcelerometrem (princip, zapojení).
• Propojení akcelerometru a maticového displeje.
• (Lekce ke stažení)

9. Programujeme ovládání joystickem

• Pochopit princip joysticku a jeho využití jako vstupní zařízení pro konstrukce na bázi Arduina.
• Sestrojit jednoduchou robotickou ruku za pomoci krokového motorku, servo motorku a dílů vytištěných na 3D tiskárně.
• Tuto ruku naprogramovat a nastavit tak, aby uměla vymáchat pytlík čaje v připraveném hrníčku s vodou o požadované teplotě.
• (Lekce ke stažení)

10. Dálkové ovládání

• Princip IR ovládání.
• Podrobný popis zapojení obvodu s IR diodu.
• Zdrojový kód programu pro IR ovládání
• Podrobný popis zapojení obvodu pro IR ovládání DC a servo motoru
• Zdrojový kód tohot zapojení
• Řešení možných potíží
• Další úkoly pro samostatnou práci
• (Lekce ke stažení)

11. Semafor

• Popis přerušení.
• Tlačítko a jeho zapojení
• Zapojení obvodu pro jednoduchý semafor
• Zdrojový kód pro jednoduchý semafor
• Řešení možných potíží
• Složitější úlohy pro semafor, včetně zapojení a zdrojového kódy
• Další úlohy pro samostatnou práci
• (Lekce ke stažení)

12. Ultrazvuk

• Popis práce s ultrazvukovým čidlem.
• Propojení kódu s LED
• Zobrazení hodnot z čidla na LCD displeji
• Projekt - robotické vozítko
• (Lekce ke stažení)

13. Wiring - referenční příručka (Lekce ke stažení)