Программа дополнительного образования по курсу
«Основы электроники и программирования микроконтроллеров»
Полуянов Эдуард Александрович
Педагог дополнительного образования
Томск
2017
ПАСПОРТ ПРОГРАММЫ
Полное название программы
Автор, должность
Адрес организации, реализующей программу
Возраст детей
Направленность
Срок реализации программы
Вид программы
Уровень реализации
Уровни освоения
Способы освоения содержания
Образовательная программа дополнительного образования детей «Основы электроники и программирования микроконтроллеров»
Полуянов Эдуард Александрович
Педагог дополнительного образования
634021, г. Томск,Елизаровых70а
тел. 8 (382) 224-44-47
12-15 лет
Научно-техническая
1 год (70 учебных часов)
Экспериментальная
Дополнительное образование
Профессионально-ориентированный
Исследовательский, проектный, эвристический, творческий
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
АКТУАЛЬНОСТЬ И НОВИЗНА ПРОГРАММЫ
Тенденции развития общества, быстрый переход к рыночным отношениям во многом изменили требования к подрастающему поколению. Перед системой образования встают задачи воспитания человека, готового жить в XXI веке, способного к овладению разными видами мастерства, самосовершенствованию, самообразованию, самореализации. Образование должно обеспечивать адекватность потенциала трудовых ресурсов технике, технологиям, методам управления производством, которые сегодня развиваются очень быстро. Как показывает практика, образовательно-квалификационный потенциал общества в политехническом направлении не отвечает его запросам. Это негативно сказывается на качестве трудовых ресурсов и приводит к тому, что многие специалисты не справляются со своими обязанностями. Одной из причин существования данной проблемы может служить невысокий уровень политехнического образования выпускников школ.
В последнее время в Российской Федерации наблюдается нехватка инженерных кадров и отсутствие нового поколения инженеров, что может стать фактором, который замедлит экономический рост страны. Это отмечают ректора крупнейших технических вузов, этот вопрос регулярно поднимается на правительственном уровне.
Владимир Путин указывает: «Сегодня в стране существует явная нехватка инженерно-технических работников, рабочих кадров и в первую очередь рабочих кадров, соответствующих сегодняшнему уровню развития нашего общества. Если недавно мы еще говорили о том, что находимся в периоде выживания России, то сейчас мы выходим на международную арену и должны предоставлять конкурентную продукцию, внедрять передовые инновационные технологии, нанотехнологии, а также "Российское профобразование должно стать конкурентоспособным на мировом уровне. Именно инженерные кадры, воспитанные российскими вузами, будут основой для модернизации экономики" [10].
Дмитрий Медведев заявил: «Хватит каждому пищевому вузу выпускать юристов и экономистов. Мол, людей с такими дипломами в стране уже можно сушить в бочках впрок, а вот на инженерные специальности брать некого. Да и в точных науках наблюдается большой кадровый голод. И вообще страна стоит на пороге модернизации и инноваций, а если так пойдет и дальше, развивать «Сколково» будет просто некому» [5].
В данной программе внеурочных занятий, получается, дать школьникам современное представление о прикладной науке, занимающейся разработкой автоматизированных технических систем, — робототехнике. Программа позволит учащимся почувствовать себя исследователями, конструкторами и изобретателями технических устройств [7]. Отличным подспорьем являются пособия Копосова Д.Г. [3, 4], которые можно использовать как для занятий в классе, так и для самостоятельной подготовки. Учебные занятия способствуют развитию конструкторских, инженерных и общенаучных навыков, помогают по-другому посмотреть на вопросы, связанные с изучением естественных наук, информационных технологий и математики, обеспечивают вовлечение учащихся в научно-техническое творчество. В процессе теоретического обучения школьники знакомятся с физическими основами электроники и микроэлектроники, историей и перспективами развития этих направлений. При проведении практикума, состоящего из лабораторно-практических, исследовательских работ и прикладного программирования, школьники приобретают общетрудовые, специальные и профессиональные компетенции по использованию электронных компонентов в микропроцессорных автоматизированных системах управления, закрепляемые в процессе разработки проектов. В итоге реализуется начальное инженерное обучение во взаимосвязи с физикой, математикой, информатикой и технологией.
Хочется отметить и развивающую функцию изучения робототехники и микроэлектроники в школе. Систематическая работа с мелкими деталями у детей и подростков оказывает положительное влияние на развитие моторики мелких мышц кистей рук, что в свою очередь стимулирует развитие основных функций головного мозга, что положительно влияет на внимание, наблюдательность, память, воображение, речь и, конечно, развивает творческое мышление. Исследования технологических компаний показывают, что если мы не будем иметь детей, заинтересованных и увлеченных инженерными направлениями уже в 7–9 классах, а то и в 5-6 классах, вероятность того, что они успешно пойдут по инженерной карьере очень низка. Учителя физики и информатики, пропагандируя естественные науки, математику, инженерное искусство и компьютерные технологии с помощью междисциплинарных элективных и факультативных курсов, системы дополнительного образования, могут более эффективно влиять на выбор учащимися будущей профессии.
На занятиях в указанных выше курсах учащиеся получат реальные навыки организации работы, научатся осуществлять простой технический контроль, строить математическое описание, проводить компьютерное моделирование и разработку методов управления, осуществят разработку подсистем и устройств, проанализируют информацию с датчиков, пытаются построить многокомпонентные системы, осуществят отладку, проведут испытания, модернизацию и перепрограммирование устройств и систем, будут поддерживать их в работоспособном состоянии, так как все это важнейшие основы фундамента для будущей научно-исследовательской, проектно-конструкторской, организационно-управленческой и эксплуатационной профессиональной деятельности. Это уже не просто профориентация, это пропаганда инженерных специальностей самыми современными образовательными технологиями.
Изучение основ робототехники очень перспективно и важно именно сейчас. Робототехника – это сегодняшние и будущие инвестиции и, как следствие, новые рабочие места. Необходимо активно начинать популяризацию профессии инженера уже в средней школе. Детям нужны образцы для подражания в области инженерной деятельности, чтобы пробудить в них интерес и позволить ощутить волшебство в работе инженера, а робототехника является популярным и эффективным методом для изучения важных областей науки, технологии, конструирования и математики.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ДОКУМЕНТЫ И МАТЕРИАЛЫ,
С УЧЕТОМ КОТОРЫХ СОСТАВЛЕНА ПРОГРАММА
Закон РФ «Об образовании в РФ» №273-РФ от 29.12.2012 г.;
постановление Правительства РФ от 07.03.1995 № 233 "Об утверждении Типового положения об образовательном учреждении дополнительного образования детей" (в ред. От 07.12.2006 № 752);
Письмо Минобрнауки России от 11.12.2006 г. № 06-1844 «О примерных требованиях к программам дополнительного образования детей».
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОГРАММЫ
Программа курса «Основы электроники и программирование микроконтроллеров» рассчитана на 1 год обучения (70 учебных часа). Количество учащихся в группе: до 10 человек. Программа рассчитана для учащихся 6 - 9 классов. В программе освещены темы, интересные учащимся как теоретически, так и для самостоятельного конструирования и моделирования разнообразных процессов. Одновременно рассматриваются принципиальные теоретические положения, лежащие в основе работы ведущих групп робототехнических систем. Такой подход предполагает сознательное и творческое усвоение закономерностей робототехники, с возможностью, их реализации в быстро меняющихся условиях, а также в продуктивном использовании в практической и опытно-конструкторской деятельности. В процессе теоретического обучения воспитанники знакомятся с назначением, структурой и устройством роботов, с технологическими основами сборки и монтажа, основами вычислительной техники, средствами отображения информации. Программа содержит сведения по истории современной электроники, информатики и робототехники, о ведущих ученых и инженерах в этой области и их открытиях с целью воспитания интереса учащихся к профессиональной деятельности, направлениям развития и перспективам робототехники.
Программа включающего включает проведение практикума лабораторно- практических, начинающего робототехника, исследовательских работ и прикладного программирования. В ходе специальных заданий обучаемые приобретают обще-трудовые, специальные и профессиональные умения и навыки по сборке устройств, их программированию, закрепляемые в процессе разработки проекта. Содержание практических работ и виды проектов могут уточняться, в зависимости от наклонностей учащихся, наличия материалов, средств и др. Учебные занятия предусматривают особое внимание соблюдению учащимися правил безопасности труда, противопожарных мероприятий, выполнению экологических требований. Содержание программы реализуется во взаимосвязи с предметами школьного цикла. Теоретические и практические знания по робототехнике значительно углубят знания учащихся по ряду разделов физики (статика и динамика, электрика и электроника, оптика), черчению (включая основы технического дизайна), математике и информатике. Курс «Основы электроники и программирование микроконтроллеров» является базовым и не предполагает наличия у обучаемых навыков в области робототехники и программирования. Уровень подготовки учащихся может быть разным.
УСЛОВИЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММЫ
Для реализации программы в кабинете должно иметься следующее оборудование и программное обеспечение (1 учебный комплект на 1 — 3 учащихся):
набор для изучения основ электроники на базе платформы Ардуино;
персональный компьютер с выходом в интернет;
макетная плата с микроконтроллером Ардуино;
среда разработки Arduino IDE;
электронные компоненты:
| № | Наименование | Количество |
| 1 | Макетная плата | 1 |
| 2 | Резистор 220 Ом | 10 |
| 3 | Резистор 2200 Ом | 10 |
| 4 | Резистор 10 кОм | 10 |
| 5 | Светодиод зеленый | 4 |
| 6 | Светодиод красный | 4 |
| 7 | Светодиод синий | 4 |
| 8 | Светодиод желтый | 4 |
| 9 | Фоторезистор | 1 |
| 10 | Датчик Холла | 1 |
| 11 | Терморезистор | 2 |
| 12 | Соединительные провода | 1 комплект |
| 13 | Мультиметр | 1 |
| 14 | USB-кабель | 1 |
| 15 | Конденсатор керамический 10 нФ | 10 |
| 16 | Конденсатор керамический 100 нФ | 10 |
| 17 | Текстовый ЖК-дисплей 16*2 | 1 |
| 18 | Транзистор полевой | 1 |
| 19 | Конденсатор электролитический 10 мкФ | 5 |
| 20 | Кнопка тактовая | 2 |
| 21 | Переменный резистор 1 МОМ | 1 |
| 22 | Потенциометр 10 кОм | 1 |
| 23 | Пьезодинамик | 1 |
| 24 | Диод | 5 |
| 25 | Разъем для батарейки | 1 |
| 26 | Сервопривод | 1 |
| 27 | Двигатель постоянного тока | 1 |
| 28 | Транзистор биполярный | 5 |
| 29 | Датчик температуры | 1 |
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ПРОГРАММЫ
Цель программы – познакомить учащихся с микропроцессорной техникой, как основой современной электроники, научить составлять программы для микроконтроллеров и отлаживать их на реальном оборудовании.
Обучение основано на принципах интеграции теоретического обучения с процессами практической, исследовательской, самостоятельной научной деятельности обучающихся.
Задачи:
Обучающие:
формирование компетенций, необходимых при работе с электронными компонентами, устройствами и приборами;
обучение приемам работы с технической документацией;
обучение основам электротехники, радиотехники, электроники;
обучение современным методам труда и исследований в микроэлектронной промышленности;
изучение разнообразных видов деятельности в области в микроэлектроники;
организация разработок технических проектов.
Развивающие:
формирование активного творческого мышления;
стимулирование познавательной активности учащихся посредством включения их в различные виды проектной деятельности;
развитие интереса учащихся к различным областям электроники и микроэлектроники;
развитие способности ставить перед собой конкретные задачи и добиваться их выполнения.
Воспитательные:
формирование инновационного подхода ко всем сферам жизнедеятельности человека;
развитие у учащихся целеустремленности и трудолюбия;
формирование творческой личности установкой на активное самообразование;
формирование навыков современного организационно-экономического мышления, обеспечивающих социальную адаптацию к современным рыночным отношениям;
приобретение навыков продуктивного коллективного труда.
ОСОБЕННОСТИ ПРОГРАММЫ
Содержание программы реализуется во взаимосвязи с физикой, математикой, информатикой и технологией.
Программа курса «Основы электроники и программирование микроконтроллеров» позволяет на практике изучить вопросы:
использования специализированных программ, микропроцессоров и электронных компонентов, применяемых при проектировании различных встроенных систем управления;
применение типовых решений:
управление внешними устройствами с помощью портов ввода/вывода;
управление внешними устройствами на примере светодиодов, сервоприводов и т.п.;
проверка состояния внешней среды с помощью электронных датчиков;
управление жидкокристаллическим дисплеем;
управление с помощью клавиш (кнопок);
использование языка Си для программирования встроенных внутренних и внешних систем управления;
самостоятельного создания моделей широко известных технических решений систем управления с использованием микропроцессоров.
ОБЩЕУЧЕБНЫЕ УМЕНИЯ, НАВЫКИ И СПОСОБЫ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Программа предусматривает формирование у школьников универсальных способов деятельности общеучебных умений и навыков, и ключевых компетенций:
Познавательная деятельность:
использование различных естественнонаучных методов: наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование;
формирование умений различать факты, гипотезы, причины, следствия, доказательства, законы, теории;
овладение адекватными способами решения теоретических и экспериментальных задач;
приобретение опыта выдвижения гипотез для объяснения известных фактов и экспериментальной проверки выдвигаемых гипотез.
Информационно-коммуникационная деятельность:
владение монологической и диалогической речью, развитие способности понимать точку зрения собеседника;
использовать для решения познавательных и коммуникативных задач различных источников информации.
Рефлексивная деятельность:
владение навыками контроля и оценки своей деятельности, умение предвидеть возможные результаты своих действий;
постановка цели, планирование, определение оптимального соотношения цели и средств.
ОЖИДАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ УЧАЩИХСЯ
Данный курс призван решить следующие образовательные и развивающие задачи.
Учащиеся должны знать:
правила и меры безопасности при работе с электрооборудованием;
роль и место микроэлектроники в жизни;
основные характеристики микропроцессоров;
элементы технического дизайна;
методы проектирования, сборки, настройки, тестирование готовых устройств;
методику проверки работоспособности отдельных узлов и деталей;
основы программирования автоматизированных систем;
основы языка программирования СИ;
Учащиеся должны уметь:
самостоятельно разрабатывать электрические схемы программируемых устройств;
разрабатывать и конструировать учебно-демонстрационные системы управления на основе микроконтроллеров;
грамотно применять электроизмерительные приборы;
вести индивидуальные и групповые исследовательские работы;
самостоятельно изготавливать простые модели систем управления из готовых электронных компонентов;
самостоятельно программировать микроконтроллеры на одном из популярных языков программирования;
работать с программным пакетом прототипирования Fritzing;
программировать собранные устройства под задачи начального уровня сложности.
СИСТЕМА ДИАГНОСТИКИ РЕЗУЛЬТАТИВНОСТИ ПРОГРАММЫ
| Результат | Направление диагностики | Параметры диагностики | Методы диагностики |
| Обучение | Теоретические ЗУН. | Владение основными понятиями, умениями. | Опрос, тестирование, наблюдение. |
| Практическая творческая деятельность учащихся. | Личностные достижения учащихся в процессе усвоения программы. | Наблюдение, анализ творческой деятельности и защиты проектов. |
| Развитие | Особенности личной сферы | Работоспособность | Наблюдение |
|
| Ориентация на успех | Тестирование, наблюдение |
|
| Готовность к саморазвитию | Анализ творческой активности |
| Познавательная сфера | Мотивация | Анкетирование, опрос |
|
| Внимание | Наблюдение, тестирование |
|
| Кругозор | Анкетирование, беседа |
|
| Творческое мышление | Тестирование, наблюдение |
| Воспитание | Нравственная сфера | Ценностные ориентации | Наблюдение, беседа |
| Социальные отношения | Удовлетворенность отношениями в группе, положение личности в коллективе, сплоченность коллектива | Наблюдение, беседа |
| Профессиональное самоопределение | Профессиональные намерения, готовность к выбору профессии | Тестирование, беседа, анализ данных о выпускниках, поступивших в ВУЗы на инженерные специальности, анализ результатов государственной итоговой аттестации в форме ЕГЭ по физике и информатике. |
Формы организации учебного процесса
Занятия по программе организованы по принципу непрерывного обучения. Основной подход к обучению – личностно-ориентированный. Предпочтение отдается групповой работе, когда учащиеся объединяются работой над общим проектом. Педагог выступает в роли руководителя проекта, главного технического консультанта и воспитателя. Основные формы проведения занятий:
практические и лабораторные работы, предполагающие выполнение законченного практического проекта на каждом занятии;
беседы, дискуссии;
мультимедиа лекции;
коллективные творческие дела;
аудиторные занятия в малых группах, индивидуализированные образовательные траектории.
Формы подведения итогов
Основным критерием результативности обучения является способность учащегося самостоятельно решать простейшие задачи при проектировании простых автоматизированных устройств на базе микроконтроллеров, самостоятельно ставить перед собой задачи, осознанно и конструктивно их решать. Основная форма подведения итогов по каждой теме – анализ достоинств и недостатков, собранных учащимися схем систем управления.
Диагностика уровня усвоения материала осуществляется:
по результатам тестирования, завершающего изучение темы (группы тем);
по результатам выполнения учащимися практических заданий на каждом занятии;
по результатам конкурсных работ (в течение изучения курса проводится несколько творческих конкурсов), выступлений на научно-практических конференциях.
УЧЕБНО-ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ПРОГРАММЫ
| № п/п | Изучаемые темы | Кол-во часов | Практика |
|
| Правила эксплуатации ноутбука ОС Windows 8 Техника безопасности | 1 |
|
| Что такое микроконтроллер? | 4 | 4 |
| Как научить электронную плату думать | 1 | 1 |
| Как сделать электронику проще: Arduino | 1 | 1 |
| Как управлять Arduino: среда разработки | 1 | 1 |
| Как заставить Arduino мигать лампочкой: светодиод | 1 | 1 |
| Обзор языка программирования Arduino | 3 | 3 |
| Процедуры setup и loop | 1 | 1 |
| Процедуры pinMode, digitalWrite, delay | 1 | 1 |
| Переменные в программе | 1 | 1 |
| Электронные компоненты | 4 | 4 |
| Что такое электричество: напряжение и ток | 1 | 1 |
| Как укротить электричество: резистор, диод, светодиод | 1 | 1 |
| Как быстро строить схемы: макетная доска и мультиметр | 1 | 1 |
| Железнодорожный светофор | 1 | 1 |
| Ветвление программы | 3 | 3 |
| Что такое цикл: конструкции if, for, while, switch | 1 | 1 |
| Как написать свою собственную функцию | 1 | 1 |
| Как упростить код: SOS при помощи процедур | 1 | 1 |
| Массивы и пьезоэлементы | 4 | 4 |
| Что такое массив | 1 | 1 |
| Строки: массивы символов | 1 | 1 |
| Воспроизведение произвольных слов на азбуке Морзе | 1 | 1 |
| Как пищать на Arduino: пьезоэффект и звук | 1 | 1 |
ШИМ и смешение цветов | 4 | 4 |
| Понятие ШИМ и инертности восприятия | 1 | 1 |
| Управление яркостью светодиода | 1 | 1 |
| Смешение и восприятие цветов | 1 | 1 |
| Радуга из трёхцветного светодиода | 1 | 1 |
Сенсоры | 3 | 3 |
| Что такое сенсоры | 1 | 1 |
| Аналоговый и цифровой сигналы | 1 | 1 |
| Как распознать наклон: датчик наклона, digitalRead | 1 | 1 |
Кнопка — датчик нажатия | 4 | 4 |
| Как работает кнопка | 1 | 1 |
| Как при помощи кнопки зажечь светодиод | 1 | 1 |
| Как сделать кнопочный выключатель | 1 | 1 |
| Шумы, дребезг, стабилизация сигнала кнопки | 1 | 1 |
Переменные резисторы | 4 | 4 |
| Как преобразовать сигнал: делитель напряжения | 1 | 1 |
| Как делить напряжение «на ходу»: потенциометр | 1 | 1 |
| Как Arduino видит свет: фоторезистор | 1 | 1 |
| Как измерить температуру: термистор | 1 | 1 |
Семисегментный индикатор | 3 | 3 |
| Как работает индикатор | 1 | 1 |
| Как включить индикатор | 1 | 1 |
| Как научить Arduino считать до десяти | 1 | 1 |
Микросхемы | 4 | 4 |
| Зачем нужны микросхемы | 1 | 1 |
| Как упростить работу с индикатором: драйвер CD4026 | 1 | 1 |
| Как сосчитать до 99 при помощи драйвера | 1 | 1 |
| Как вывести произвольное число | 1 | 1 |
Жидкокристаллические экраны | 3 | 3 |
| Как работает текстовый дисплей | 1 | 1 |
| Как вывести приветствие: библиотека, класс, объект | 1 | 1 |
| Как вывести русскую надпись | 1 | 1 |
Соединение с компьютером | 3 | 3 |
| Последовательный порт, параллельный порт, UART | 1 | 1 |
| Как передавать данные с компьютера на Arduino | 1 | 1 |
| Как научить компьютер говорить на азбуке Морзе | 1 | 1 |
Двигатели | 2 | 2 |
| Разновидности двигателей: постоянные, шаговые, серво | 1 | 1 |
| Как управлять серводвигателем с Arduino | 1 | 1 |
Транзисторы | 4 | 4 |
| Как управлять электричеством: транзистор | 1 | 1 |
| Разновидности транзисторов | 1 | 1 |
| Как вращать двигатель | 1 | 1 |
| Как управлять скоростью двигателя | 1 | 1 |
Сборка курсового проекта | 18 | 18 |
| Из чего состоит устройство | 3 | 3 |
| Что такое мезонинная плата | 2 | 2 |
| Как собрать устройство | 3 | 3 |
| Как заставить устройство двигаться | 2 | 2 |
| Что такое программный интерфейс | 3 | 3 |
| Как описать алгоритм езды | 2 | 2 |
| Как создать собственную библиотеку | 3 | 3 |
| Итого: | 70 | 70 |
СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ
Тема 1. Микроэлектроника и микропроцессоры (4 ч)
Микроэлектроника (2 ч)
Теоретический материал
Микроэлектроника. Фотолитография. Цифровые интегральные микросхемы. Микропроцессоры. Развитие микроэлектроники. Однокристальные микро-ЭВМ. Микроконтроллеры. Применение и перспективы развития направления. Производство микропроцессоров в России. Платформа Arduino. Технические спецификации. Правила техники безопасности. Правила работы с оборудованием.
Практическая работа №1 «Мигающий светодиод»
Изучение оборудования и комплекта электронных компонентов. Написание базовой программы «Мигающий светодиод», используемой для включения и выключения светодиода, который подключён к Arduino и мигает заданное время. Анализ имеющегося программного кода программы и творческое изменение алгоритма работы программы.
Микроконтроллеры (2 ч)
Теоретический материал
Архитектура фон Неймана. Гарвардская архитектура. Компьютеры в одной микросхеме. Микропроцессоры для встраиваемых систем. Микроконтроллеры — основа управления. История микроконтроллеров. Как работает микроконтроллер. Порты ввода/вывода. Маркировка на плате микроконтроллера. RISC архитектура. Оцифровка. ЦАП и АЦП.
Практическая работа №2 «Поиск информации»
Поиск нужной информации в Интернете. Особенности поиска новой информации. Перевод web-страниц. Принципы работы с Википедией.
Тема 2. Неформальная схемотехника (14 ч)
Ток и напряжение (2ч)
Теоретический материал
Электрический ток. Проводники. Полупроводники. Диэлектрики. Разность потенциалов. Напряжение. Сила тока. Единицы измерения. Обозначение. «Земля». Электродвижущая сила. Источники питания. Обозначения на схеме. Энергия. Мощность.
Практическая работа №3 «Электрические цепи»
Создание простых электрических цепей из основных компонентов. Схема работы электрического звонка.
Резисторы (2 ч)
Теоретический материал
Сопротивление. Резисторы. Обозначение на схеме. Характеристики резисторов. Закон Ома. Соединение резисторов. Параллельное и последовательное соединение резисторов. Применение резисторов. Токоограничивающие резисторы. Стягивающие и подтягивающие резисторы. Делители напряжения. Мощность резисторов. Маркировка резисторов. Допустимая нагрузка и техника безопасности. Воспламенение резисторов.
Практическая работа №4 «Резисторы»
Чтение маркировки резисторов. Создание простейших электрических цепей, содержащих резисторы. Параллельное и последовательное соединение резисторов. Электрические схемы с токоограничивающим, стягивающим и подтягивающим резисторами.
Светодиоды (2 ч)
Теоретический материал
Диод. Электроды. Анод. Катод. Полупроводниковые диоды. Р-п переход. Применение диодов. Выпрямители. Владимир Фёдорович Миткевич. Светоизлучающий диод. Электролюминесценция. Олег Владимирович Лосев. Виды светодиодов. Применение светодиодов. Характеристики светодиода. RGB-светодиод. Органические светодиоды. Производство светодиодов (российские светодиоды).
Практическая работа №5 «Светодиоды»
Изучение работы диодов в электрической цепи. Создание электрических схем со светодиодами. Последовательное соединение светодиодов. Вычисление сопротивления токоограничивающего резистора для светодиода.
Измерение электрических величин (2ч)
Теоретический материал
Вольтметр, амперметр и омметр. Мультиметр. Аналоговые и цифровые мультиметры. Разрядность цифрового мультиметра. Основные режимы измерений. Дополнительные функции.
Практическая работа №6 «Мультиметр»
Изучение основных режимов работы мультиметра. Измерение мультиметром напряжения, сопротивления и силы тока. Изучение дополнительных функций мультиметра. Измерение температуры с помощью термопары. Измерение напряжения в цепи с нагрузкой и без нагрузки.
Делитель напряжения (2 ч)
Теоретический материал
Схема делителя напряжения. Примеры. Применение делителя для считывания показаний датчика. Потребитель тока. Подключение нагрузки. Расход энергии «впустую». Применимость делителя напряжения. Для чего не подходит делитель напряжения. Опасные факторы и возгорание.
Практическая работа №7 «Делитель напряжения»
Создание простейшей схемы с делителем напряжения. Расчёт электрических параметров цепи.
Транзисторы (2 ч)
Теоретический материал
Транзисторы. Обозначения на схеме. Применение транзисторов. Аналоговая и цифровая техника. Биполярные и полевые транзисторы. Дважды Нобелевский лауреат Джон Бардин. Подключение транзисторов для управления мощными компонентами. Транзистор - «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора. Закон Мура.
Практическая работа №8 «Управление мощной нагрузкой»
Изучение работы полевого транзистора при управлении работой электромотора. Создание схемы.
Конденсаторы (2 ч)
Теоретический материал
Конденсатор. Ёмкость. Единицы измерения. Зарядка и разрядка. Типы конденсаторов. Электролитические и керамические конденсаторы. Полярность. Опасность разрушения (взрыва). Применение конденсаторов в микроэлектронике. Резервный и фильтрующий конденсатор. Соединение конденсаторов. Предельные характеристики.
Практическая работа №9 «Фильтрующий и резервный конденсатор»
Применения керамических конденсаторов при создании схем с использованием микроконтроллера Arduino. Изучение электрических цепей с фильтрующим и резервным конденсаторами. Построение графика изменения напряжения.
Тема 3. Программирование микроконтроллеров (32 ч)
Среда разработки приложений (2 ч)
Теоретический материал
Среда разработки приложений для микроконтроллера Arduino. Язык C/C++. Структура программы. Операторные скобки. Константы. Комментарии. Управление цифровым входом/выходом. Случайные числа.
Практическая работа №10 «Гирлянда»
Изучение среды разработки приложений. Создание схемы с одним, двумя, тремя и т.д. светодиодами. Программное управление последовательностью включения светодиодов и временем их горения. Создание модели, описывающей работу ёлочной гирлянды.
Основы языка Си (2 ч)
Теоретический материал
Переменные. Присваивание. Арифметические операции и математические функции. Условный оператор. Операторы сравнения. Циклы.
Практическая работа №11 «Счётчики»
Управление включением/выключением светодиодов, подключённых к Arduino. Создание и контроль счётчиков включений светодиодов.
Управление и алгоритмы (2 ч)
Теоретический материал
Управление и алгоритмы. Открытые и закрытые системы управления. Модель светофора для пешехода. Описание принципа работы. Алгоритм управления.
Практическая работа №12 «Светофор»
Создание моделей светофора. Создание программ управления работой различных моделей светофора.
Цветовая модель (2ч)
Теоретический материал
Цветовые модели. Аддитивная цветовая модель. RGB-куб. Смешение цветов (синтез). Широтно-импульсная модуляция (PWM). Создание схемы для модели «Декоративный светильник». Цикл со счётчиком.
Практическая работа №13 «Декоративный светильник»
Создание модели декоративного светильника, на основе RGB- светодиода. Программное управление работой светильника. Изучение аддитивной цветовой модели и синтеза цветов.
Двоичное кодирование (2 ч)
Теоретический материал
Кодирование информации. Двоичное кодирование. Кодирование информации с помощью светодиодов.
Практическая работа №14 «Двоичное кодирование»
Создание кодовой таблицы, используя последовательность светодиодов и кодового табло из светодиодов. Программное управление передачей закодированного сообщения.
Потенциометр (1 ч)
Теоретический материал
Реостат. Потенциометр. Делитель электрического напряжения. Подстроечный резистор. Аналоговый и цифровой вход/выход на микроконтроллере. Проблема соответствия шкал. Пропорциональный перенос значений.
Практическая работа №15 «Регулятор»
Использование потенциометра для управления временем мигания светодиода.
Последовательный интерфейс обмена данными (1 ч)
Теоретический материал
Связь микроконтроллера Arduino с компьютером или другими устройствами, поддерживающими последовательный интерфейс обмена данными. Встроенный монитор последовательного интерфейса. Скорость связи. Функции обмена данными.
Практическая работа №16 «Монитор последовательного интерфейса» Мониторинг цифровых показаний с потенциометра с помощью монитора последовательного интерфейса.
Фоторезисторы (2 ч)
Теоретический материал
Переменные резисторы. Фоторезистор. Применение.
Практическая работа №17 «Фоторезистор»
Мониторинг цифровых показаний с фоторезистора с помощью монитора последовательного интерфейса. Поиск коэффициента перевода сопротивления фоторезистора в цифровой код. Схема управления включением светодиода в зависимости от окружающей освещённости. Изучение модели системы управления автоматическим включением/выключением освещения.
Пьезокерамические излучатели (2 ч)
Теоретический материал
Звук. Громкоговорители. Пьезоэлектрический эффект. Пьезокерамические излучатели (пьезоизлучатели). Генерирование звука на пьезоизлучателе. Таблица соответствия частоты и нот. Последовательность нот как массив элементов. Массивы.
Практическая работа №18 «Воспроизведение звуков»
Изучение соответствия нот и частот. Изучение работы прототипа музыкальной открытки (шкатулки).
Кнопки (2 ч)
Теоретический материал
Интерфейс человек-машина. Миниатюрное механическое устройство для передачи сигнала (ввода информации). Пример подключения кнопки к контроллеру Arduino. Функции связи микроконтроллера с компьютером. Счётчик нажатий на кнопку. Азбука Морзе. Проблема дребезга контактов. Функции связи микроконтроллера Arduino с компьютером Практическая работа №19 «Управляющие кнопки»
Подключения управляющей кнопки к микроконтроллеру. Счётчик нажатий на кнопку. Изучение и программное решение проблемы дребезга контактов. Изучение системы ввода информации, использующей всего 2 кнопки.
Тензорезистор (2 ч)
Теоретический материал
Датчики давления. Тензорезистор. Принцип действия, применение. Тензостанция.
Практическая работа №20 «Цифровой силомер»
Контроль показаний тензодатчика и управление светодиодами, в зависимости от показаний. Создание модели цифрового силомера (в зависимости от силы нажатия на датчик загораются несколько светодиодов).
Сервоприводы (2 ч)
Теоретический материал
Сервоприводы. Состав. Рулевая машинка (сервомашинка). Характеристики. Применение.
Практическая работа №21 «Управление сервоприводом»
Практическая работа по использованию функции для поворота мотора от 0 до 180° и наоборот. Создание модели пульта управления краном погрузчика (используя кнопки и сервомоторы).
Датчик Холла (2 ч)
Теоретический материал
Датчики магнитного поля. Эффект Холла. Датчик Холла. Применение. Системы защиты и контроля. Система контроля открытия дверей.
Практическая работа №22 «Датчик Холла»
Программный контроль состояния датчика Холла. Создание модели системы контроля открытия/закрытия дверей.
Управление мощной нагрузкой (2 ч)
Теоретический материал
Электродвигатели постоянного тока. Способы управления мощной нагрузкой. MOSFET-транзистор. Управление электродвигателем.
Практическая работа №23 «Модель вентилятора»
Создание различных моделей вентилятора (автоматическое управление; управление с помощью кнопок, потенциометра).
Датчики температуры (2 ч)
Теоретический материал
Единицы измерения температуры. Датчики температуры. Цифровые датчики. Интерфейс 1-Wire. Схема подключения датчика к Arduino.
Практическая работа №24 «Пожарная сигнализация»
Программный контроль температурного режима. Создание модели пожарной сигнализации.
Жидкокристаллический дисплей (2 ч)
Теоретический материал
Жидкокристаллический дисплей (LCD). Характеристики. Подключение символьного дисплея к микроконтроллеру. Основные команды для вывода информации на экран дисплея.
Практическая работа №25 «Работа с ЖК дисплеем»
Работа с символьным жидкокристаллическим дисплеем. Вывод информации на экран дисплея. Бегущая текстовая строка. Создание пользовательских символов.
Структурное программирование (2 ч)
Теоретический материал
Композиция. Альтернатива. Итерация. Использование задач из школьного курса информатики на линейные, условные и циклические алгоритмы в системах автоматического управления. Работа со строковыми переменными.
Практическая работа №26 «Строковые переменные»
Реализация классических алгоритмов работы со строковыми переменными (палиндром, счастливый билет).
Тема 4. «Технические инновации» (18 ч)
Творчество и инновации (2 ч)
Теоретический материал
Творчество в технике. Инновация — что это? Как рассказать о своём изобретении. Проект — что это? Презентация проекта. Размещение информации в сети Интернет. Программное обеспечение Fritzing для быстрой разработки электрических схем на основе электронных компонентов и микроконтроллера Arduino.
Практическая работа №27 «Компьютерное моделирование»
Изучение компьютерной программы Fritzing для создания принципиальных электрических схем и их визуализации.
Проект «Цифровые часы» (4 ч)
Практическая работа
Создать прототип цифровых часов с функцией будильника.
Проект «Велосипедный спидометр» (4 ч)
Практическая работа
Создать физическую модель описывающую принципы работы велосипедных спидометров.
Проект «Цифровая метеостанция» (4 ч)
Практическая работа
Используя различные датчики, создать прототип цифровой метеостанции.
Проект «Управляемый светофор» (4 ч)
Практическая работа
Создание модели управляемого светофора.
ЛИТЕРАТУРА
Литература
Катцен С. PIC-микроконтроллеры. Все, что вам необходимо знать/ пер. с англ. Евстифеева А.В. — М.: Додэка-ХХ1, 2008- 656 с.
Кравченко А.В. 10 практических устройств на AVR-микроконтроллерах. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI», К. «МК-Пресс», 2008. — 224с.
Голубцов М.С. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. — М.: СО ЛОН-Пресс,2003. — 288с.
Тавернье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения/ пер.с фр. — М.: ДМК Пресс, 2004. — 272с.
Микушин А.В. Занимательно о микроконтроллерах. — СПб.: БХВ- Петербург, 2006. — 432с.
Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.1. — М.: ООО «ИД Скимен», 2002. — 336с.
Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.2. — М.: ООО «ИД Скимен», 2002. — 392с.
Фрунзе А.В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т.З. — М.: ООО «ИД Скимен», 2003. — 224с.
Суэмацу Ё. Микрокомпьютерные системы управления. Первое знакомство. / Пер. с яп; под ред. Ёсифуми Амэмия. — М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2002. — 226с.
Ревич Ю.В. Занимательная микроэлектроника. — СПб.: БХВ-Петербург, 2007. — 592с.
Эванс Б. Arduino блокнот программиста /пер. с англ. В.Н.Гололобов (электронная книга).
Для учащихся:
Копосов Д. Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для 5–6 классов. М: БИНОМ. Лаборатория знаний. — 2012. — 284 с.
Копосов Д. Г. Первый шаг в робототехнику: рабочая тетрадь для 5–6 классов. М: БИНОМ. Лаборатория знаний. — 2012. — 88 с.
Ревич Ю.В. Занимательная микроэлектроника. – Спб.: БХВ-Петербург, 2007. – 592с.
Эванс Б. Arduino блокнот программиста /пер. с англ. В.Н.Гололобов (электронная книга).
Веб-ресурсы:
http://www.ardino.cc. Официальный сайт производителя.
http://www.ardino.ru. Русская версия официального сайта.
http://wiki.amperka.ru. Теоретические основы схемотехники.
http://robocraft.ru. Информационный портал калининградской команды RoboCraft в области робототехники.
http://www.freeduino.ru. Сайт ООО «Микромодульные технологии», выпускающего аналог Arduino.
10 022
3 345 
