Изучение микроконтроллеров: подключение ультразвукового дальномера к Arduino

В настоящее время развитие образовательной робототехники получило особую популярность. Робототехника – это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства. Робототехника становится необходимостью в промышленной сфере, сфере медицины, безопасности, науки. Например, роботы – пожарные тушат пожары в труднодоступных для человека местах.

Есть модель роботизированной установки «LUF 60», которая не только гасит огонь, но и ликвидирует продукты сгорания с места пожара. Роботы – медсёстры в экспериментальных условиях выполняют рутинную работу за человека. Компания Panasonic выпустила робота «Hospi», который уже прошёл тестирование в Сингапурских больницах, соответствует стандартам и способен помогать медсестре в работе. Ещё более разнообразен и роботизирован процесс создания каких-либо продуктов на заводах. Теперь человеку нет необходимости вручную выполнять тяжёлую работу, появилась новая необходимость – создавать и поддерживать работоспособность роботов.

О государственной поддержке развития робототехники свидетельствует большое количество мероприятий, проводимые в последние годы: Всероссийская робототехническая олимпиада для школьников, Международный робототехнический фестиваль «РобоФинист», WRO (World Robotic Olympics) и многие другие. Каждый конкурс имеет изначально отборочные туры на региональном уровне, после – отбираются участники на уровне страны. Многие научно-технические конкурсы, фестивали и турниры имеют отдельное направление «Робототехника».

Разработка разных «умных» устройств, в том числе и моделей робототехники, связано с использованием микроконтроллеров. Микроконтроллер - это микропроцессорная система в одной микросхеме.

Данная микросхема предназначена для управления всевозможными электронными устройствами и выполнения множества функций. Взаимодействие между электронными устройствами совершается в соответствии с заложенной в микроконтроллер программой, что позволяет управлять разнообразными электронными и электрическими блоками.

Микроконтроллерная платформа Arduino – это наиболее популярная плата для реализации функциональных возможностей микроконтроллеров. Основные части любого микроконтроллера это вычислительный блок, энергонезависимая память и порты ввода-вывода. Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием заранее предусмотренного в них загрузчика, т.е. пользователь загружает свою программу сразу в микроконтроллер через интерфейс USB. Порты ввода-вывода созданы в виде штыревых линеек, их количество определяется конкретным вариантом микропроцессорной платы.

Данные цифровые порты позволяют подключать различные устройства: светодиоды, датчики, кнопки, моторы, сервоприводы и т.д. Платформа Arduino имеет широкие возможности в применении и создании разного уровня проектов. Программирование ведётся через собственную программную оболочку, а язык программирования Arduino – C++.

Прежде чем реализовать сложные проекты на основе микроконтроллеров, необходимо научиться подключать к нему простые радиоэлементы и датчики, и программировать их. Рассмотрим пример подключения к Arduino ультразвукового дальномера.

Для использования датчика «Ультразвуковой дальномер» не обходимы следующие составляющие: Arduino, ультразвуковой датчик HC-SR04, соединительные провода, компьютер, с установленным ПО для программирования.

Ультразвуковой дальномер работает на принципе эхолокации. Он излучает звуковые импульсы в пространство и принимает отражённый сигнал. Определение расстояния происходит посредством расчета времени распространения звуковой волны к препятствию и обратно. Питание ультразвукового дальномера осуществляется напряжением +5 В, два других вывода подключаются к любым цифровым портам Arduiono.

Датчик имеет четырёх - пиновый разъем размером 2.54 мм. VCC: «+» питания, TRIG (T): вывод входного сигнала, ECHO (R): вывод выходного сигнала, GND: «-» питания.

Для подключения ультразвукового датчика к микроконтроллеру необходимо проводами соединить разъёмы как показано на рис. 1.

Рис. 1. Схема подключения ультразвукового дальномера Arduiono

Результатом работы ультразвукового дальномера может быть вывод на экран измеряемой длины до какого-либо объекта. Приведем пример программы измерения расстояния до объектов для Arduiono.

int echoPin = 9;
int trigPin = 8;
void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
int duration, cm;
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
cm = duration / 58;
Serial.print(cm);
Serial.println(" cm");
delay(100);
}

Для наблюдения за результатами можно использовать программу Serial Monitor. Задания для учеников могут самые разнообразные. Например, измерить расстояние до разных объектов и составить список не менее чем из 7 позиций, расположенных в порядке возрастания, в зависимости от значения длины. Подключение ультразвукового дальномера к микроконтроллеру Arduino не вызывает трудности, если соблюдать вышеописанные операции. Это одно из простейших действий, которые можно совершать с данными компонентами, и, несомненно, стоит с этого начать. В данной статье представлен теоретический материал и один из вариантов использования ультразвукового дальномера.

Список литературы:

1. ФГОС ВО по направлению 44.04.01 Педагогическое образование (уровень магистратура).

2. Абдулгалимов Г.Л. Проблемы и решения внедрения ФГОС. Педагогика. 2013. № 10. С. 57-61.

3. Абдулгалимов Г.Л., Гулюта А.А., Казагачев В.Н. Профессиональная подготовка будущего учителя информатики к преподаванию робототехники. Успехи современной науки и образования. 2016. Т. 2. № 12. С. 29-31.

4. Петин Виктор. Проекты с использованием контроллера Arduino + коды. - Спб.: БХВПетербург, 2014. - 400 с.

5. Абдулгалимов Г.Л. Система профессиональной подготовки преподавателя информатики: компетентностный подход, проектирование, внедрение. Монография. Московский гос. гуманитарный ун-т им. М. А. Шолохова. Москва, 2008.

6. Блум, Джереми. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства. - Спб.: БХВ-Петербург, 2015. - 336 с.

7. Абдулгалимов Г.Л. Лабораторный стенд для программирования микроконтроллеров. Техника и технология. 2013. № 5-6 (59). С. 26-28.

8. Абдулгалимов Г.Л. Информационные технологии для учителя предметника. Учебное пособие. Московский гос. гуманитарный ун-т им. М.А. Шолохова. Москва, 2008.

Автор: Клячкина Н. Л.