Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015

Transkript

1 Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015 Využití mikropočítače pro konstrukci modelu umožňující analýzu fyzikálních zákonů Karel MIKUŠ FAI UTB ve Zlíně, Nad Stráněmi 4511, Zlín 23. dubna 2015 FAI UTB ve Zlíně

2 Klíčová slova: Autodráha, výukový model, mikroprocesor, python Anotace: Cílem práce je vytvořit hardwarové a softwarové vybavení pro model auto-dráhy. Tento modele, slouží k demonstraci fyzikálních veličin rychlosti a zrychlení. Elektronické vybavení je založeno na 8bitových mikroprocesorech firmy Atmel a pro vyhodnocení naměřených dat je použit počítač. Veškeré měření probíhá pomocí čidel zabudovaných do dráhy. Celý model je dále rozšířen o možnost stejného měření pro člověka. 2

3 Obsah 1. Úvod Fyzikální veličiny Konstrukce Měření a vyhodnocení Měření Vyhodnocení Hardwarové vybavení Obecný popis Čidla autodráhy a běţecké dráhy Základní deska Ostatní Montáţ Software Závěr Literatura

4 1. Úvod V dnešní době probíhá výuka na základních a středních školách převáţně teoreticky a ţákům tak chybí praktické ukázky a moţnost sami si vyzkoušet praktickou ukázku. Z tohoto důvodu vzniklo Experimentárium [1] v Otrokovicích. Důvod proč jsem se zapojil do tvorby experimentů, bylo praktické vyuţití vlastní tvorby, která můţe přispět k lepší kvalitě vzdělání. Samotný návrh zařízení, který je skoro unikátní, přináší nové vědomosti a zkušenosti v oboru elektrotechniky a programování. Cílem práce je navrhnout hardware a software pro experiment slouţící k měření rychlosti a zrychlení modelů aut na autodráze. Autodráha je speciálně vyrobena pro tento účel, a jelikoţ je část Experimentária zaměřená na lidské tělo, byla autodráha rozšířena o běţeckou dráhu. Na obou drahách je moţné změřit startovní reakci a čas, který bylo potřeba pro ujetí respektive pro uběhnutí 8m dráhy. Dráha je vybavena větším počtem čidel, která slouţí k měření času v jednotlivých částech. Za pomocí těchto čidel lze poté spočítat a graficky zobrazit průběhy rychlosti a zrychlení. Celá dráha je ovládána pomocí počítače, který slouţí i k okamţitému vykreslení grafů a naměřených hodnot. Součástí je moţnost exportu naměřených dat, které ţáci následně samostatně zpracují. 2. Fyzikální veličiny První veličinou měřenou pomocí navrhované elektroniky je rychlost modelu, respektive člověka. Ta je definována jako podíl ujeté vzdálenosti za čas dle vzorce (1). Hlavní jednotkou je m/s, ale pro lepší představu ţáků je veškerá rychlost vypisována a zobrazována v jednotkách km/h. s v (1) t Druhou veličinou je zrychlení. Tato veličina vyjadřuje změnu rychlosti v čase a vypočítá se dle vzorce (2). Jednotka zrychlení je m/s2, které de i dále pouţívá při zobrazování naměřených údajů. [2] v a (2) t 3. Konstrukce Celá konstrukce autodráhy (Obrázek 2) je vyrobena na zakázku a jako základní materiál je pouţita 18mm dřevotříska. Profil konstrukce je do tvaru L aby vznikl zároveň s dráhou i úloţný prostor a lavice na sezení. Dráha má délku 12m ze kterých je pro měřenou část vyuţito pouze 8m. Zbylé 4m jsou vyuţity jako brzdná dráha pro modely. Plocha, po které jezdí modely, je vyrobena z MDF desky. Tento materiál se lépe obrábí, neţ je tomu u dřevotřísky. V této ploše jsou vyfrézovány dvě dráţky (Obrázek 1), které slouţí k vedení modelu a jsou v ní zabudovaná čidla pro snímání pozice modelu. Pro samotnou signalizaci startu je zde semafor obsahující jak světelnou tak zvukovou signalizaci. Obrázek 1 Vodící dráţky pro vodítka modelů 4

5 Obrázek 2 3D vizualizace dráhy 4. Měření a vyhodnocení 4.1 Měření V kaţdé dráze je umístěno 14 čidel, pro běţeckou dráhu pouze 8. Čidla pro autodráhu jsou rozmístěna nepravidelně a na prvních třech metrech jsou rozmístěny v menší vzdálenosti. Z důvodu, ţe zde model má největší zrychlení a je třeba jej přesněji změřit. Běţecká dráha má čidla rozmístěna přibliţně 1.14m od sebe. Vţdy při aktivaci čidla je pro danou dráhu a čidlo zaznamenán čas, který je počítán od začátku měření. 4.2 Vyhodnocení Po ukončení měření jsou data přenesená do počítače přes sériovou linku RS-232. Kaţdý čas čidla je zaznamenán pouze jako hodnota čítače. Ta je převedena na čas a následně jsou spočítány hodnoty rychlosti a zrychlení pro úseky mezi jednotlivými čidly. Tato data jsou posléze zobrazena v podobě grafu a tabulky s naměřenými extrémy a hodnotou času pro startovní reakci. Obrázek 3 Běţecká dráha s viditelnými vysílači a přijímači. 5

6 5. Hardwarové vybavení 5.1 Obecný popis Elektronika pro řízení a měření autodráhy je zaloţena na jedné základní desce, ke které jsou připojeny všechny ostatní obvody. Na základní desce je umístěn mikroprocesor Atmega128 [3], který je připojen k počítači přes obvod MAX232. Dále se na desce nachází obvod pro ovládání napájení čidel, autodráhy a semaforu. K desce jsou připojena čidla z autodráhy přes enkodér, který kóduje 14 signálů do 8, pro sníţení počtu cest a jednoduší zpracování. Dále enkodér obsahuje i NAND obvod pro vytvoření přerušení pro mikroprocesor, v případě aktivace některého z čidel. Čidla běţecké dráhy jsou připojena pouze přes NAND obvod. Dále je k desce připojen semafor. Ten je vybaven dvoubarevným (červená/zelená) zobrazením, zvukovou signalizací a pro autodráhu také signalizací, který z modelů dojel první do cíle. Napájení autodráhy je z bezpečnostního důvodu, také ovládáno pomocí základní desky a je zapnuto pouze před samotným startem. O napájení základní desky a čidel se stará 5V síťový zdroj. Semafor je napájen 12V síťovým zdrojem a pro autodráhu je pouţit upravený PC zdroj s moţnou regulací napětí. Obrázek 4 Blokové schéma navrţeného řešení 6

7 5.2 Čidla autodráhy a běžecké dráhy Pro snímání modelu auta byl pouţit optický infra-sensor EE-SX1041 [4], který je zabudovaný do autodráhy. Čidlo vytvoří změnu stavu v případě, ţe model auta vodítkem přeruší světelný paprsek. Čidla jsou přes koaxiální kabel připojena k enkodéru, který je vybaven dvěma obvody 74HC147, které kódují 9 signálu do 4. Pokud čidlo není přerušeno je na výstupu logická 1, v případě přerušení se změní na logickou 0. Obrázek 5 Pro běţeckou dráhu je třeba navrhnout sensory na principu vysílače a přijímače. Pro tento účel byl, pro vysílač, vyuţit jednoduchý integrovaný obvod NE555, které pomocí infra led vysílá signál na 38kHz. Tento signál je dále zachycen infra-přijímačem TSOP1738, který v případě dopadajícího signálu má na výstupu logickou 0. Tento výstup je převeden na opačnou logiku a dále je vybaven led kontrolkou, která slouţí pro zobrazení, zda je signál přijímán či nikoliv. 5.3 Základní deska Obrázek 6 Základní deska je vybavena mikroprocesorem Atmega128 s frekvencí 16MHz. Tato frekvence je zvolena z důvodu vyuţití 8bit časovače pro měření času s dosaţenou přesností měření na 1.024ms. Mikroprocesor je připojen k obvodu MAX232, slouţící pro změnu úrovní sériové komunikace a dále je zde moţnost připojení modulu s čipem FTDI po moţnost zapojení dráhy přes USB. Pro spínání napájení čidel je vyuţito relé, a pro čidla běţecké dráhy je vyuţit tranzistor. Oba výstupy jsou chráněny pojistkami proti zkratu. 5.4 Ostatní Ovládání napájení autodráhy je spínané pomocí relé. Jednotlivé dráhy jsou startovány přes tlačítko, které je spojeno s tyristorem. Ten slouţí jako spínač, který po stisku je sepnut aţ do doby vypnutí napájení dráhy. Semafor je vyroben z 45ks červených a 45ks zelených led. Ty jsou zapojené 5s9pa výkon činí 2W. Je zde také siréna, která je pouze pro akustické oznámení ţe se na dráze měří, jelikoţ potřebuje určitý čas k svému vybuzení, není její signalizace rychlá jako u LED. 7

8 6. Montáž Veškerá elektronika je zabudována uvnitř konstrukce dráhy. Základní deska je umístěna ve středu dráhy. Rozmístění jednotlivých komponent je na obrázku 8 a 9. Popis pozic komponent je v tabulce 1. Obrázek 7 Obrázek 8 Číslo Název Barva 1 Základní deska (6.8) Zelená 2 Spínání dráhy (6.6) Červená 3 Napájecí zdroj dráhy (6.9) Modrá 4 Signálové kabely přijímačů Šedá 5 Signálové kabely čidel autodráhy Červená 6 Napájecí kabely čidel autodráhy a přijímačů Zelená 7 Napájení autodráhy Černá 8 Přijímače (6.4.2) Černá 9 Kabel pro ovládání semaforu Ţlutá 10 Kabel pro komunikaci s PC Modrá 11 Tlačítka ke spuštění modelů Modrá/Ţlutá 12 Vysílače (6.4.1) Černá 13 Napájecí kabel vysílačů Červená 14 Modely aut Modrá/Ţlutá Tabulka 1 8

9 7. Software Pro mikroprocesor byl software napsán v programovacím jazyce Bascom AVR [5]. Tento program slouţí pro kompletní řízení celého měření a od počítače přijímá příkazy pro start měření, zastavení měření a odeslání dat. Dále je vybaven jednoduchou diagnostikou čidel, která slouţí pro kontrolu, zda jsou čidla v pořádku. Další z funkcí je i programová kontrola proti náhodné aktivaci čidla při měření. Program si v průběhu měření pamatuje, které čidlo má následovat a v případě aktivace jiného čidla je toto čidlo ignorováno. Tato funkčnost je vyuţita převáţně u běţecké dráhy, kde je běţně čidlo aktivováno více částmi těla. Po ukončení měřícího pokusu je počítači odeslána zpráva, ţe měření bylo ukončeno. Počítačový program je napsán v jazyce Python s vyuţitím rozšíření wxpython [6] pro grafický interface. Program je navrţen tak, aby byl jednoduchý pro ovládání a přehledný. Vše je obsaţeno v jednom okně (Obrázek 10). Je zde menu (1) pro připojení programu k dráze, spuštění diagnostiky a spuštění měření. Po změření a vyhodnocení dat jsou zobrazeny grafy (3) s tabulkou o naměřených maximech. Grafy je moţné přepnout (2) na zobrazení ze zrychlení/čas na rychlost/čas s moţností vypnout či zapnout jednotlivou dráhu. Naměřená a nezpracovaná data je moţné pro kaţdou dráhu zvlášť exportovat v souboru csv. K řešení je dále zpracován i manuál, pomocí kterého se můţe obsluha orientovat a naučit celý měřící systém pouţívat. Obrázek 9 Program pro ovládání a vyhodnocení dat z autodráhy 9

10 8. Závěr Účelem práce bylo navrhnout a vytvořit model, který bude ţákům základních a středních škol slouţit jako laboratorní pomůcka. Na tomto modelu si mohou změřit vlastní reakci při startu měření, dále fyzickou zdatnost při sprintu na 8m a srovnat se modely auto na autodráze, které jsou nastaveny tak, aby nebyly příliš rychlé oproti člověku. Celý systém je navrţen co nejjednodušeji, jelikoţ pro návrh, vývoj a testování bylo vyhrazeno příliš málo času. Celé řešení je zaloţeno na mikroprocesoru Atmega128 s dostatečným výkonem pro danou úlohu. Při realizaci toho řešení byly i nalezeny další moţnosti řešení. Některé jsou konstrukčně jednoduší, ale vyţadovaly by vetší čas pro tvorbu prototypu a testování. Jiné řešení je zase komplikovanější, ale zase by výsledná data byla přesnější. Při návrhu byl proveden průzkum, zda podobné řešení neexistuje. Při hledání nebyl nalezen ţádný podobný model a je tedy moţné, ţe se jedná o unikátní pomůcku. Literatura [1] Experiméntárium Otrokovice [online] [cit ]. Dostupné z: [2] SVOBODA, Emanuel. Přehled středoškolské fyziky. 3. vyd. Praha: Prometheus, 1998, 496 s. ISBN [3] Atmel Corporation. Atmel AVR microcontroller ATmega128 datasheet 2014, 369 s. [cit ] Dostupné z: AVR-ATmega128A_Datasheet.pdf [4] Phototransistor Datasheet. Omron Electronic Components LLC: [online] [cit ]. Dostupné z: [5] MCS ELECTRONICS. BASCOM-AVR [online] [cit ]. Dostupné z: [6] WxPython [online]. [cit ]. Dostupné z: 10