Мастер-класс "Знакомство с платформой Arduino"

Мастер класс «Знакомство с платформой Arduino»

Классы: 6-7.

Время на занятие: 45 минут.

Оборудование: компьютерный класс с установленной Arduino IDE, Arduino Uno, резисторы 220 Ом, потенциометры, светодиоды, соединяющие провода, макетные платы, компьютер педагога, проектор.

Презентация: https://multiurok.ru/files/prezentatsiia-k-master-klassu-znakomstvo-s-platfor.html

Ход занятия

Педагог: (1 слайд) всем добрый день! Сегодня нас на каждом шагу подстерегают новые технологии: у каждого в кармане есть телефон, дома стиральная машина, а в школе компьютеры. Всем этим и многими другими вещами управляют сложные системы, состоящие из сотен и тысяч различных электронных компонентов. Некоторые из них нуждаются в программировании, некоторые нет. Сегодня же мы с вами познакомимся с такой платформой, как Arduino. Слышали ли вы что-то о ней? Что вы можете о ней сказать?

Учащиеся: (отвечают): слышали, на ней что-то создают.

Педагог: (2 слайд 1ч.) Arduino является итальянской маркой устройств, предназначенных для быстрого прототипирования электронных устройств, то есть позволяет достаточно быстро собрать различные необходимые электронные устройства, не затрачивая на это большие материальные, временные ресурсы и усилия. (2 слайд 2ч.) То есть Arduino представляет собой платформу для быстрой разработки электронных устройств на основе датчиков, двигателей и электронных компонентов. На экране представлена очень малая часть этих компонентов. Как вы думаете, что можно построить на основе данной платформы?

Учащиеся: (выдвигают свои предположения).

Педагог: на самом деле, данная платформа позволяет сделать огромное множество устройств, которыми мы пользуемся в быту, и большое множество других, на которые может хватит фантазии разработчика и ресурсов самой платы, начиная от небольших роботов (3 слайд – видео), (4 слайд), (5 слайд) симпатичного левитрона с растениями, (6 слайд) усилителя-приемника сигнала, (7 слайд) автоматической кормушки для домашних животных, или, например, (8 слайд) руля для компьютерных гонок, (9 слайд) автоматически открывающегося ведра. Вариантов того, что можно сделать на данной платформе – бесконечное множество.

Педагог: продолжая говорить о платформе Arduino, нужно сказать, что плат Arduino тоже большое множество, но наиболее используемыми являются следующие платы: (10 слайд) плата Arduino Nano предназначена для использования в проектах, где необходим небольшой форм-фактор электроники. Она функционально повторяет следующую плату, Arduino Uno, и использует тот же микроконтроллер для выполнения операций – ATmega328.

Педагог: (11 слайд) наиболее классической платой можно назвать плату Arduino Uno. Она используется чаще всего, так как имеет удобную форму, с ней проще всего работать. Данная плата предназначена для разработки рабочих макетов устройств, имеет 14 цифровых выходов-входов, 6 аналоговых. Использует микроконтроллер ATmega328.

Педагог: (12 слайд) Плата Arduino Mega является самой большой платой семейства Arduino и предназначена для разработки в больших проектах, требующих большое количество портов ввода-вывода для различных датчиков, двигателей. Используется микроконтроллер ATmega1280. Теперь давайте с вами непосредственно рассмотрим плату, с которой мы будем сегодня работать – Arduino Uno.

Педагог: (раздает платы и компоненты) (13 слайд) У нас на экране находится схема элементов платы Arduino Uno, давайте рассмотрим ее вместе. Слева у нас находится USB порт, с его помощью мы можем загружать программу, написанную нами для исполнения платформой. Кроме того, USB порт может обеспечивать питание платы для работы в небольших проектах. Питание также возможно получать через разъем питания, находящийся ниже. Кнопка перезагрузки помогает сбросить работающую программу для того, чтобы начать ее работу заново. По середине платы расположены светодиоды, обеспечивающие индикацию работы платы. Особенно удобен светодиод 13 пина. Он позволяет не подключать дополнительный светодиод, а запрограммировать этот для передачи информации пользователю. Микроконтроллер ATmega328 предназначен для выполнения вычислений и логических операций. Данный микроконтроллер имеет 32 КБ памяти, имеет частоту 16 МГц. Снизу расположены + (5 Вольт) и – питания, а также аналоговые и цифровые пины. Цифровых пинов на плате 14, аналоговых – 6. Давайте разберемся, что же такое пины. Кто-то уже слышал такое понятие?

Учащиеся: пины используются при коммутации компьютера и автомобиля, например.

Педагог: (14 слайд) верно. Проще говоря, пины – это контакты для соединения элементов схемы. На плате Arduino Uno присутствует три типа пинов. Первый – цифровые пины, отмечены буквой D. Такие пины предназначены для приема и передачи логического сигнала: 0 или 1. Данные сигналы передаются при помощи напряжения: 0 – 0 Вольт, 1 – от 3,3 до 5 Вольт. Аналоговые пины – пины с аналогово-цифровым преобразователем. Они позволяют считывать подаваемое на пин напряжение и преобразовывать его в числовое значение. Однако, в обратную сторону данные пины, работают как цифровые – передают логические сигналы. Пины с пометкой «~» называются портами с ШИМ. ШИМ расшифровывается как широтно-импульсная модуляция. Такие пины предназначены для точной регулировки работы устройств, путем снижения на небольшое время напряжения, подаваемого на работающий модуль, а затем повышения его до исходного состояния.

Педагог: (15 слайд) для быстрого прототипирования все схемы собираются на макетных платах. В этих платах также существуют пины. Пины по вертикали, помеченные числом – соединены межу собой, и вдоль них можно воткнуть провода в любой пин для передачи сигнала, вместо соединения пайкой. По вертикали объединены только пины «+» и «-» для подведения питания с платы. Давайте рассмотрим электронные компоненты, расположенные у вас на столе. (16 слайд) Светодиоды – это компоненты, которые при подаче электричества – светятся. При высоком напряжении – светодиоды выходят из строя, поэтому в схема используют резисторы. (17 слайд) Резисторы – это элементы, необходимые для рассеивания и поглощения электрической энергии в электрических цепях устройств.

Педагог: (18 слайд) а теперь давайте попробуем собрать электронную схему, которая будет зажигать светодиод. Она показана на экране. При подключении к источнику питания, в нашем случае USB порту компьютера, светодиод загорится.

Учащиеся: (собирают схему, пробуют включить).

Педагог: (19 слайд) давайте попробуем усложнить схему. Сейчас мы с вами добавим потенциометр. Потенциометр – компонент, похожий на резистор. Он изменяет свое сопротивление в зависимости от того, насколько повернут его вал. С его помощью вы сможете регулировать яркость свечения светодиода.

Учащиеся: (собирают схему, пробуют включить).

Педагог: (20 слайд) и, наконец-то, давайте попробуем добавить элементы программирования. Для этого перестроим схему по схеме, показанной на экране. И сядем по двое за комьютеры. У каждого из вас на компьютере открыта среда программирования Arduino IDE. В ней мы будем писать программу на основе языка программирования C++. Попробуем написать программу для изменения яркости светодиода.

Педагог: (21 слайд)(педагог за компьютером пишет программу, транслирует ее на доску через проектор) Самые две важные функции любой программы: void setup и void loop. Внутри void setup происходит единоразовая настройка платы перед началом работы, а в void loop происходит основная часть программы бесконечно повторяясь. Команда pinMode объявляет режимы работы пина: INPUT – ввод, OUTPUT – вывод. Для того, чтобы объявить переменную используем ее тип, а затем название, например int bright, а затем присвоим ей значение, прочтенное с аналогового пина bright = analogRead(A1). Мы получим с потенциометра число от 0 до 1023, но нам необходимо число для вывода через ШИМ диапазона 0-253, поэтому разделим переменную bright на 4. Теперь мы можем передать светодиоду значение яркости analogWrite(5, bright). Теперь вы можете загрузить программу нажав на стрелочку вправо.

Учащиеся: (собирают схему, программируют, загружают, пробуют включить).

Педагог: (22 слайд) Вы молодцы, справились с поставленной задачей. А теперь давайте посмотрим одни из основных команд. Некоторые из них мы уже видели, а некоторые нет. Например, команда digitalWrite нужна для передачи цифрового сигнала, а delay для задержки работы микроконтроллера в миллисекундах. А теперь давайте попробуем самостоятельно собрать электронную схему светофора, а затем запрограммируем ее. На это у вас есть 7-10 минут, затем мы посмотрим, как должна была работать схема.

Учащиеся: (собирают схему, программируют, загружают, пробуют включить).

Педагог: (23 слайд) Кто справился самостоятельно – молодец, а кто нет – посмотрите, какая возможна схема и программа для работы светофора. Кто не справился, пожалуйста, доделайте светофор, а у кого все получилось – вы можете сделать интересную гирлянду на свой манер, а затем продемонстрируйте всем остальным.

Учащиеся: (доделывают светофор, собирают схему, программируют, загружают, пробуют включить).

Педагог: сейчас наше занятие подходит к концу. Мне бы хотелось узнать, понравилось ли вам занятие? Хотели бы вы дальше работать с микроконтроллерами, изучать эту сферу? Насколько вам было сложно, легко?

Учащиеся: (рефлексируют).

Педагог: (24 слайд) спасибо вам за ответы, и спасибо за работу! Ждем вас еще у нас на занятиях!