Fyzika s Arduinom
Lavica s optickými bránami
V tomto projekte ochutnáme niečo z oblasti fyziky nazývanej kinematika. Učíme sa o pohybe rovnomernom, rovnomerne zrýchlenom či spomalenom... Ako ich môžeme reálne demonštrovať? Predstavíme pomôcku na experimenty s rôznymi druhmi pohybu a ich meranie. Pozrime sa teda na lavicu s optickými bránami a jej využitie pri skúmaní pohybu.
Lavica s optickými bránami slúži na meranie času, rýchlosti a dráhy pohybujúcej sa guličky. Na dráhe sú rozostavené optické brány, ktoré zaznamenávajú časy prechodu guličky bránami. Tieto časy sa prenášajú do počítača, kde môžeme vykresliť grafy a vypočítať veličiny týkajúce sa pohybu guličky, ako napríklad rýchlosť a zrýchlenie.
Na obrázku je optická lavica, pripravená na meranie pohybu guličky po naklonenej rovine. Brán je spolu osem a sú od seba vzdialené presne 100 mm. Stredom brán vedie lišta, po ktorej sa pohybuje gulička. Brány sú navzájom prepojené zbernicou - káblikom ukončeným konektorom jack. Posledná brána je pripojená do interfejsu, ktorý meria časy prechodu guličky bránami a odosiela ich prostredníctvom USB do počítača na spracovanie.
Obrázok 1. Kompletná lavica s optickými bránami
Optická brána
Optická brána je základným meracím senzorom. Je vyrobená z troch dielov 3D tlačou. Hlavnou časťou brány je jej telo, do ktorého je osadená elektronika snímajúca prechod guličky cez ňu. Na tele sú z oboch strán nasadené kryty, ktoré zakrývajú elektroniku brány. Prechod guličky sa sníma fototranzistorom umiestneným v pravej časti tela brány. Fototranzistor je osvetľovaný infračervenou LED osadenou v ľavej časti. Keď gulička prejde bránou, preruší tým infračervený lúč a fototranzistor to zaregistruje. Signál z fototranzistora je upravený obvodom typu 555 a vyvedený na spoločnú zbernicu, na ktorú sú pripojené ostatné brány a aj interfejs. Obvod 555 plní úlohu Schmittovho preklápacieho obvodu.
Brána ešte obsahuje dve indikačné LED. Prvá zelená LED svieti, keď je brána pripojená k napájaciemu napätiu a druhá, červená LED indikuje, že gulička je v bráne.
Obrázok 2 Optická brána
Zapojenie elektroniky brány
Všetky brány sú pripojené na spoločnú trojvodičovú zbernicu. Zbernica obsahuje napájací vodič +5V, zem GND a signálový vodič Signal. Každá brána má káblik zbernice zakončený 3,5mm stereo jackom-samcom a tiež má jack-samicu, takže je možné pripojiť na zbernicu viacero brán.
Prítomnosť guličky v bráne detekuje fototranzistor T1, ktorý je osvetľovaný infračervenou vysielacou diódou LED2. Fototranzistor má kolektor pripojený k napájaniu +5V (VCC) cez rezistor R3 a zároveň pripojený na vstupy TR a THR obvodu IC1. Pri prerušení infračerveného lúča sa fototranzistor T1 zatvorí a na jeho kolektore bude napätie blízke VCC, čo má za následok, že obvod IC1 prepne výstup Q do stavu logickej nuly a svieti indikačná LED3. Zároveň je zopnutý interný tranzistor obvodu 555, ktorý má kolektor pripojený na výstup DIS a emitor na GND, čo spôsobí spojenie signálovej linky zbernice s GND. Takto bude mať signálová linka zbernice napätie logickej nuly. Pokiaľ gulička v bráne nie je, signálová linka bude v stave logickej jednotky.
Obrázok 3 Schéma zapojenia brány
Elektronika brány je rozdelená na dve časti.
V ľavej časti brány sú osadené zelená LED1 a infračervená LED2 s príslušnými rezistormi R1 a R2. Napájanie pre ne je privedené z pravej časti brány.
V pravej časti brány je hlavná elektronika brány s doštičkou plošného spoja, na ktorej sú súčiastky ohraničené v schéme prerušovanou čiarou, teda obvod IC1, rezistory R3 a R4, kondenzátor C1. Pripojený je tam tiež fototranzistor T1 a indikačná červená LED3.
Obrázok 4 Zapojenie ľavej a pravej časti brány
Interfejs
Interfejs je hardvérové zariadenie, slúžiace pripojenie optických brán na počítač. Interfejs vykonáva meranie časov výskytu guličky v optických bránach a odosiela tieto namerané časy do počítača pomocou USB rozhrania. Optické brány sú pripojené káblikom ukončeným konektorom typu jack 3,5mm k interfejsu.
Interfejs obsahuje dve tlačidlá Štart/Stop a Menu. Tlačidlo Štart/Stop slúži na spustenie a zastavenie merania a tlačidlo Menu na prepínanie režimov merania.
Obsahuje tiež päť indikačných LED s významom:
- D-R, červená – svieti, ak je gulička v bráne,
- D-Y, žltá – indikuje, že je aktívne pripojenie k počítaču,
- D-G, zelená – svieti, ak je spustené meranie
- D-M1 a D-M2, červené – indikujú rôzne režimy nastavenia interfejsu
Obrázok 5 Interfejs
Zapojenie interfejsu
Obrázok 6 Schéma zapojenia Interfejsu
Mozgom interfejsu je mikrokontrolér Raspberry Pi Pico.
Napájanie interfejsu je cez USB a napájacie napätie 5 V sa odoberá z pinu mikrokontroléra VBUS. Ním sa napája zbernica a tiež jej signálová linka, ktorá je na napájanie pripojená cez rezistor R6. Tiež slúži na napájanie obvodu IC1 NE555, ktorý slúži ako tvarovač signálu zo signálovej linky zbernice.
Signálová linka zbernice môže byť v dvoch stavoch HIGH a LOW. Stav HIGH predstavuje logickú jednotku a tento stav signalizuje, že v žiadnej bráne nie je gulička. Stav LOW predstavuje logickú 0 a tento stav nastáva v okamihu, keď je gulička v niektorej z pripojených brán. Obvod IC1 v tomto zapojení plní funkciu Schmittovho preklápacieho obvodu. Na jeho výstup Q je cez rezistor R1 pripojená indikačná červená LED. Jeho výstup DIS je pripojený na vstupný pin mikrokontroléra GP21.
Tlačidlá SW1 a SW2 využívajú interné pull-up rezistory v mikrokontroléry, sú pripojené na piny GP18 a GP27 a spínajú pripojením týchto pinov na GND.
Indikačné LED D-Y, D-G, D-M1 a D-M2 sú pripojené cez rezistory 200Ω na príslušné piny mikrokontroléra.
Doska plošného spoja interfejsu je obojstranná. Mikrokontrolér Raspberry Pi Pico je na ňu prispájkovaný ako SMD, teda bez použitia kolíkovej lišty na jeho vývodoch. Rezistory R1 až R6 sú miniatúrne vývodové, ich tolerancia postačuje 10%. Kondenzátor C1 je keramický s rozostupom vývodov 2,5 mm. LED sú vývodové s priemerom 3 mm. Obvod IC1 je typu NE555 v puzdre DIP8. Konektor Jack je typu samica 3,5 mm s montážou na panel.
Krabička interfejsu je vyrobená 3D tlačou z dvoch dielov, ktoré do seba zapadajú, takže nie sú potrebné skrutky ani iný spojovací materiál.
Softvér
Programové vybavenie Lavice pozostáva z troch častí:
- Riadiaci program pre Raspberry Pi Pico.
Po zostavení interfejsu treba do jeho mikrokontroléra nahrať riadiaci program. Program sa nahráva len raz, na začiatku, pričom sa uloží do trvalej flash pamäte mikrokontroléra. Program zabezpečuje meranie časov prechodu guličky bránami a odosielanie nameraných dát do počítača. - Driver na zber údajov z interfejsu.
Medzi programom Excel na grafickú prezentáciu nameraných dát a interfejsom je potrebný softvérový medzičlánok, nazývaný driver, pretože priamo v Exceli je problém čítať dáta, ktoré vysiela Raspbery Pi Pico cez sériovú linku prostredníctvom USB. (Excel má na tento účel doplnok Data Streamer, ktorý ale nefunguje s každým typom mikrokontroléra.) Driver má za úlohu prijímať údaje od interfejsu a ukladať ich do súboru na disku počítača. Z tohto súboru ich môžeme načítať do programu, v ktorom dáta spracúvame či už graficky alebo výpočtom. - Zošity programu Excel na spracovanie nameraných dát.
Na samotné grafické spracovanie dát, alebo ďalšie výpočty, sme zvolili Excel z balíka Microsoft 365. Vzorové zošity Excel obsahujú pripravené tabuľky a grafy, do ktorých vložíme jednoduchým stlačením tlačidla namerané údaje. Namerané údaje sa čítajú zo súboru data.csv, kam ich uložil driver. Priložené sú aj „prázdne“ zošity, ktoré obsahujú „len“ tlačidlo na vloženie nameraných dát a samotné výpočty a tvorbu grafov môžeme nechať na šikovných žiakov.
Kde nájdem podklady na výrobu tejto pomôcky?
Materiály, 3D model brány, krabičky interfejsu, tiež schémy, PCB a software nájdete na GitHube https://github.com/mateuskoOAMDG/OpticalGatesInterface.
Mgr. Martin Janček
29.1.2024
jancekm@gsa.sk