Το κουδούνι
Χριστίνα: Κύριε, το κουδούνι χτυπάει πολύ γρήγορα όταν είναι για μάθημα, δεν προλαβαίνουμε να τελειώσουμε την κουβέντα μας.
Καθηγητής: Καλημέρα στη Χριστίνα με τα παράπονά της, αλλά γιατί χτυπάει το κουδούνι;
Περίμενα να δείξει λίγη συμπόνια, “ναι Χριστίνα, αλλά αργεί όταν είναι να βγείτε”. Άκου γιατί χτυπάει το κουδούνι;
Χριστίνα: Για να ανεβούμε στην τάξη.
Καθηγητής: Την αιτία ρωτώ, όχι το αποτέλεσμα.
Χριστίνα: Μα κύριε, κάποιος πάτησε το διακόπτη
του.
Καθηγητής: Αυτό γινόταν παλιά.
Χριστίνα: Ναι τώρα έχετε προγραμματίσει ένα
κουτάκι κι αυτό χτυπάει το κουδούνι.
Καθηγητής: Τι περιέχει το κουτάκι που λες;
Χριστίνα: Πάντα είχα αυτή την απορία.
Καθηγητής: Μέσα έχει ένα μικροελεγκτή, microcontroller κατά τη διεθνή ορολογία.
Χριστίνα: Δηλαδή;
Καθηγητής: Σωστά, με το που έμαθα το όνομα κάποιου δε
σημαίνει ότι τον γνωρίζω κιόλας. Ας δούμε όμως τι είναι ο μικροελεγκτής. Είναι ένα
ολοκληρωμένο ηλεκτρονικό κύκλωμα, που σαν το νευρικό μας σύστημα, ελέγχει το
περιβάλλον του με αισθητήρες ή χρησιμοποιώντας το εσωτερικό του ρολόι, αντιδρά
ανοιγοκλείνοντας διακόπτες.
Μιχάλης: Βρίσκεται συνέχεια σε εγρήγορση.
Καθηγητής: Έτσι είναι. Ο πιο γνωστός μικροελεγκτής εδώ
στην Ευρώπη, φέρει το όνομα Arduino UNO. Διαθέτει 20 θύρες, που ανάλογα με το πρόγραμμα,
λειτουργούν σαν θύρες εισόδου μηνυμάτων ή σαν θύρες εξόδου εντολών. Από τη
στιγμή που τίθεται σε λειτουργία, με ένα εσωτερικό χρονόμετρο, ελέγχει
ασταμάτητα τις θύρες του.
Καθηγητής: Τα παλιά τα χρόνια, έβγαινε ο επιστάτης ή
ένας καθηγητής με μια κουδούνα στο χέρι και την κουνούσε πέρα δώθε. Αργότερα,
με τον εξηλεκτρισμό των πόλεων, δημιουργήσαμε ένα κύκλωμα από μια ηλεκτρική πηγή
(την τάση της πόλεως), ένα κουδούνι και ένα πιεστικό διακόπτη, που τον πίεζε
την κατάλληλη ώρα ο υπεύθυνος καθηγητής. Οι μαθητές τότε, του έπιαναν την
κουβέντα για να καθυστερήσει. Στις μέρες μας, αναθέσαμε την πίεση του διακόπτη
σε μικροελεγκτή που ασυγκίνητος ανοιγοκλείνει το διακόπτη ακριβώς στην ώρα του.
Χαρά: Κακό αυτό, καμιά ανθρώπινη
παρέμβαση;
Καθηγητής: Μα εμείς το προγραμματίσαμε, εξάλλου μπορούμε
να διακόψουμε τη λειτουργία του και να βάλουμε τη Χριστίνα να το χτυπάει ή να γυρίσουμε
στην κουδούνα.
……………γέλια……………..δεν
είναι να του μιλάς αυτού του ανθρώπου …………...αλλά αν δεν του μιλάω, θα μιλάω στη
διπλανή μου και θα αρχίσει τις παρατηρήσεις………….
Καθηγητής: Ας δούμε μια προσομοίωση κουδουνιού με το Arduino.
Χρειαζόμαστε:
1.
ένα βομβητή (buzzer) που θα παίζει το
ρόλο του κουδουνιού,
2.
ένα πιεστικό
διακόπτη (pushbutton),
3.
ένα breadboard (πλάκα
συνδέσεων),
4.
μια πηγή
ηλεκτρικού ρεύματος (μπαταρία),
5. καλώδια σύνδεσης,
6. ένα μικροελεγκτή (Arduino) και
7. ένα υπολογιστή για να προγραμματίσουμε τον μικροελεγκτή.
Βαγγέλης: Εκείνη τη σανίδα κοπής ψωμιού, τι την
θέλουμε;
Καθηγητής: Πρόσεξε, είναι μια λέξη breadboard και όχι δύο bread board. Πάντως έχεις δίκιο, θυμίζει σανίδα ψωμιού, σαν
μία λέξη κωδικοποιεί πλάκα συνδέσεων ηλεκτρικών – ηλεκτρονικών εξαρτημάτων με
εύκολο τρόπο, όπως θα διαπιστώσετε, παλαιότερα χρησιμοποιούσαμε κολλητήρι.
…………….γέλια…………..
Νίκος: Ποιο, αυτό του καραγκιόζη;
…………….χαμόγελο……..
Καθηγητής: Και πάλι δίκιο, ηλεκτρικό κολλητήρι, ήθελα
να πω, εξάρτημα συγκόλλησης καλωδίων. Ώρα να αρχίσουμε, προσαρμόζοντας το
βομβητή στο breadboard και τη
μπαταρία, προσοχή στην πολικότητα. Συνήθεια των τεχνικών είναι, το μαύρο
καλώδιο από την πηγή ηλεκτρικού ρεύματος να σηματοδοτεί τον αρνητικό πόλο και
το κόκκινο τον θετικό. Ο βομβητής προσημαίνει με (+) το θετικό του ακροδέκτη.
Νίκος: Εύκολο, αλλά
βουίζει συνέχεια.
Καθηγητής: Θα πρέπει τουλάχιστον το ένα από τα δύο
καλώδια να το αποσυνδέουμε όταν θέλουμε να σιγήσει και να το συνδέουμε όταν
θέλουμε να λειτουργήσει.
Ελένη: Και γιατί δε βάζουμε ένα διακόπτη;
Καθηγητής: Ωραία συνδέστε και έναν πιεστικό διακόπτη
ανάμεσα στο θετικό πόλο (+) της πηγής και τον βομβητή.
Ελένη: Λειτουργεί σαν το κουδούνι της
πόρτας μας. Με τον μικροελεγκτή τι γίνεται;
Καθηγητής: Ήρθε η ώρα του, θα πάρει τη θέση του πιεστικού
διακόπτη. Αποσυνδέστε την πηγή και το διακόπτη και συνδέστε το (+) του βομβητή σε
μία θύρα, ας πούμε τη 11 και το (-) δίπλα, στη γείωση (GND) σύντμηση της λέξης ground. Ανοίγουμε στον υπολογιστή το περιβάλλον
προγραμματισμού Arduino IDE και γράφουμε τις εντολές που θέλουμε.
Δημήτρης: Εντολές, μία δεν είναι; «χτύπα το
κουδούνι».
Καθηγητής: Αυτές οι συσκευές δεν κάνουν ότι θέλουμε, κάνουν ότι τους πούμε και πρέπει να τους πούμε τα πάντα λεπτομερώς.
Δημήτρης: Είναι χαζά δηλαδή.
Καθηγητής: Ακριβώς, αλλά μας ταλαιπωρούν μόνο την
πρώτη φορά, μετά εκτελούν το πρόγραμμα συνεχώς ξανά και ξανά, ενώ εμείς
μπορούμε να ασχοληθούμε με άλλες ασχολίες.
Μιχάλης: Και τι πρέπει να του πούμε;
Καθηγητής: Στο περιβάλλον προγραμματισμού διακρίνουμε
δύο περιοχές. Στην πρώτη void setup γράφουμε τα προκαταρκτικά, τώρα για παράδειγμα θα
το πληροφορήσουμε ότι η θύρα 11 θα λειτουργεί ως έξοδος και αυτή η περιοχή
εκτελείται μόνο μια φορά με το άνοιγμα του μικροελεγκτή. Στη δεύτερη περιοχή void loop γράφουμε τι να κάνει,
για παράδειγμα, "ενεργοποίησε τη θύρα 11 για ένα δευτερόλεπτο, απενεργοποίησέ
την για ένα δευτερόλεπτο" και πάλι από την αρχή.
Πρόγραμμα:
void setup() {
pinMode(11,OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(11,HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(11,LOW);
delay(1000);
}
Λευτέρης: Αστείο φαίνεται, θα μπαίνουμε και θα
βγαίνουμε κάθε 2 δευτερόλεπτα.
Καθηγητής: Τι προτείνεις λοιπόν;
Λευτέρης: Τίποτα, μου κάνει αυτό το, μπες βγες.
Καθηγητής: Έλα, σοβαρέψου.
Λευτέρης: Μα είναι εύκολο, θα γεμίσουμε το
πρόγραμμα με εντολές.
Καθηγητής: Γίνε πιο σαφής.
Λευτέρης: 8:15 11 HIGH μετά από 2 δευτερόλεπτα 11 LOW, 9:00 11 HIGH μετά από 2 δευτερόλεπτα 11 LOW, 9:05 11 HIGH μετά από 2 δευτερόλεπτα 11 LOW, 9:50 11 HIGH μετά από 2 δευτερόλεπτα 11 LOW, να συνεχίσω;
Καθηγητής: Όχι, καλά τα πήγες, πρέπει να του πούμε τα
πάντα, ακόμα και το να σιωπά τα Σαββατοκύριακα. Φαίνεται δύσκολο αλλά ένα
παιχνίδι είναι κι αυτό. Μόλις μάθατε ένα απλό προγραμματισμό, χρησιμοποιώντας
το ρολόι του μικροελεγκτή. Με την ίδια λογική λειτουργεί το αυτόματο πότισμα κι άλλες
εφαρμογές. Τι θα λέγατε για ένα λαμπάκι νύχτας; Να ανάβει όταν δύει ο Ήλιος και
να σβήνει όταν ανατέλλει;
Τασία: Τώρα δυσκολεύουν τα πράγματα γιατί
πρέπει να ελέγξει το περιβάλλον του και όχι το ρολόι του, μιας και ο Ήλιος δεν
ανατέλλει και δύει πάντα την ίδια ώρα.
Καθηγητής: Σωστά χρειάζεται και μια φωτοαντίσταση, ένας αισθητήρας που η τιμή της αντίστασής του εξαρτάται από το φως που δέχεται (περισσότερο φως, μικρότερη αντίσταση), με κατάλληλη συνδεσμολογία. Κάντε μια επανάληψη στα κυκλώματα ηλεκτρικού ρεύματος και τα συζητάμε στο επόμενο μάθημα.
.Συνέχεια:
Καθηγητής: Αλλά ας πιάσουμε τα πράγματα από την αρχή,
με αυτό που λέμε ηλεκτρισμός. Από πού πήρε το όνομά του;
Χαρά: Από το ήλεκτρο όπως αποκαλούσαν οι
Αρχαίοι Έλληνες το κεχριμπάρι.
Καθηγητής: Σωστά. Το 600 π.Χ., ο Θαλής παρατήρησε ότι
το ήλεκτρο ασκούσε δυνάμεις σε ελαφρά αντικείμενα, όπως είναι οι τρίχες, όταν
το έτριβε με μάλλινο ύφασμα. Το 1600 μ.Χ., ο Άγγλος Γκίλμπερτ, διαβάζοντας
Θαλή, άρχισε να τρίβει τα πάντα με τα πάντα καταγράφοντας τις μεταξύ τους
έλξεις και απώσεις.
Ανδρέας: 1000 χρόνια μετά; πολύς χρόνος.
Καθηγητής: Δεν πρόσεξες το π.Χ..
Ανδρέας: Βέβαια, ακόμα περισσότερα, 2200 χρόνια,
μεγάλη καθυστέρηση.
Καθηγητής: Από τότε ξεκίνησαν τα πειράματα
ηλεκτροστατικής φύσεως και χρειάστηκαν ακόμα 200 χρόνια, το 1800 δηλαδή, ώστε ο Βόλτα,
να κατασκευάσει την πρώτη μπαταρία, που εξασφάλιζε συνεχή ροή φορτίων. Από
εκείνη τη στιγμή, ήταν δεδομένη η κατάκτηση του ηλεκτρομαγνητισμού. Το 1820 ο
Έρστεντ ερμήνευσε τα μαγνητικά φαινόμενα που προκαλεί το ηλεκτρικό ρεύμα και το
1831 ο Φαραντέι μας έδωσε την ηλεκτρική γεννήτρια. Ας δούμε όμως τα πράγματα με
τη σειρά που τα γνωρίζουμε σήμερα, ξεκινώντας από το ηλεκτρικό φορτίο και τα
είδη του. Για πες μας Μιχάλη.
Μιχάλης: Οι έλξεις και οι απώσεις μας βεβαιώνουν
ότι έχουμε δυο ειδών ηλεκτρικά φορτία,
τα θετικά και τα αρνητικά. Έτσι ορίσαμε και εκπροσώπους τους, επιγραμματικά θα
λέγαμε:
R Στο μακρόκοσμο θετικό είναι το φορτίο που αποκτά
μια γυάλινη βέργα αν την τρίψουμε με μεταξωτό ύφασμα, ενώ στο μικρόκοσμο
εκπρόσωπος είναι το πρωτόνιο.
R Αντίστοιχα, αρνητικό είναι το φορτίο που αποκτά
μια βέργα από εβονίτη (πλαστικό) αν την τρίψουμε με μάλλινο ύφασμα και
εκπρόσωπος στο μικρόκοσμο είναι το ηλεκτρόνιο.
Καθηγητής: Και η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού
φορτίου στο S.I.;
Νίκος: Το ένα Κουλόμπ
Καθηγητής: Σωστά και η κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων;
Νίκος: Α ναι, έχουμε την τυχαία και την
προσανατολισμένη.
Καθηγητής: Να
θυμηθούμε ότι στο μικρόκοσμο κανένα σωματίδιο δεν παραμένει ακίνητο, όλα
κινούνται με τυχαίες κινήσεις και αυτή την κίνηση λέμε θερμική.
Ανδρέας: Προσανατολισμένη πώς πετυχαίνουμε;
Καθηγητής: Χρειαζόμαστε πηγή ηλεκτρικού ρεύματος και
σαν τέτοια καλείται κάθε συσκευή που μετατρέπει οποιαδήποτε μορφή ενέργειας σε
ηλεκτρική, εξασφαλίζοντας στο κύκλωμα την απαραίτητη διαφορά δυναμικού ή τάση
όπως τη λένε οι ηλεκτρολόγοι.
Ανδρέας: Διαφορά δυναμικού; Τι είναι αυτό.
Καθηγητής: Είναι ένα φυσικό μέγεθος που υποδηλώνει την
“υπόσχεση” της πηγής για την ηλεκτρική ενέργεια σε Joule που θα τροφοδοτεί το κύκλωμα για κάθε
Χαρά: Οι μπαταρίες που μετατρέπουν
χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, οι ρευματοδότες (πρίζες) που μετατρέπουν μηχανική
ενέργεια σε ηλεκτρική, οι φωτοκυψέλες που μετατρέπουν φωτεινή ενέργεια σε
ηλεκτρική, οι ανεμογεννήτριες που μετατρέπουν την αιολική (κινητική) ενέργεια
σε ηλεκτρική κ.λπ.…..
Καθηγητής: Σωστά, με τη διευκρίνιση ότι οι
ρευματοδότες (πρίζες) είναι τα άκρα μιας γεννήτριας που βρίσκεται στην
Πτολεμαΐδα ας πούμε. Η τάση των κοινών μπαταριών, όπως αυτή αναγράφεται πάνω
τους από τον κατασκευαστή τους είναι 1,5V που σημαίνει ότι……
Νίκος: για κάθε
Καθηγητής: και η τάση της πόλης μας ……
Νίκος: σε όλη την Ευρώπη 220V, ενώ στην Αμερική 110V.
Καθηγητής: Ωραία κι ένα ηλεκτρικό κύκλωμα αποτελείται
από ………
Νίκος: Μια πηγή ηλεκτρικού ρεύματος, ένα
καταναλωτή, ένα διακόπτη και αγωγούς (καλώδια) σύνδεσης.
Καθηγητής: Πολύ σωστά, μεταξύ πηγής ηλεκτρικού
ρεύματος και καταναλωτή, βρίσκεται ένας διακόπτης. Επομένως, το πόσο έξυπνα
λειτουργεί ένα κύκλωμα, εξαρτάται από το πόσο έξυπνα έχει σχεδιαστεί ο
διακόπτης του.
Λευτέρης: Έξυπνα;
Καθηγητής: Ναι όπως είδαμε με το βομβητή – κουδούνι. Στο σπίτι μας για παράδειγμα ποια είναι τα είδη των διακοπτών που υπάρχουν;
Λευτέρης: Ξεκινώντας από την εξώπορτα υπάρχει
πιεστικός διακόπτης για το κουδούνι, σε κάθε δωμάτιο υπάρχουν διακόπτες για να
ανάβουμε και να σβήνουμε τα φώτα του δωματίου.
Νίκος: Οι τεχνικοί τους αποκαλούν on – off διακόπτες.
Μιχάλης: Ενδιαφέρον παρουσιάζουν ζευγάρια
διακοπτών στο διάδρομο και την κρεβατοκάμαρα που ανάβεις το φως από τον έναν
και το σβήνεις από τον άλλο.
Καθηγητής: Και αυτοί είναι γνωστοί ως aller – retour, διαθέτουν τρία
άκρα και ανάλογα με τη θέση τους συνδέουν τη μεσαία επαφή με το ένα ή το άλλο άκρο.
Η συνδεσμολογία τους είναι σχετικά απλή, ας τη δούμε στον πίνακα και παράλληλα
να την πραγματοποιήσουμε.
Καθηγητής: Ποιος θα μας εξηγήσει αυτά τα τέσσερα κυκλώματα που έχω σχεδιάσει στον πίνακα;
Χριστίνα: Κλειστό κύκλωμα παρατηρώ στο δεύτερο
και στο τέταρτο σχήμα, με αποτέλεσμα να ανάβει ο λαμπτήρας. Στα άλλα δύο
σχήματα το κύκλωμα είναι ανοικτό και ο λαμπτήρας σβηστός.
Μιχάλης: Μου θυμίζει το 0 και 1
της πληροφορικής.
Νίκος: Δίκιο
έχεις, να γράψω τον πίνακα τιμών;
Καθηγητής: Έλα
στον πίνακα.
Νίκος: Με
τη σειρά που τα βλέπω, θα είναι:
|
Αριστερός διακόπτης |
Δεξιός διακόπτης |
Λαμπτήρας |
|
1 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
|
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
δηλαδή ανάβει ο λαμπτήρας όταν και οι δύο διακόπτες είναι στο μηδέν ή στο ένα, μου θυμίζει την πύλη XNOR.
Καθηγητής: Μπράβο παιδιά, υπάρχουν βέβαια και όλες οι ηλεκτρικές
συσκευές που λειτουργούν με διακόπτες. Φανταστείτε τώρα, όλοι αυτοί οι
διακόπτες σπιτιού και συσκευών, να ελέγχονται από μικροελεγκτή. Έτσι
καταλήγουμε σε αυτό που αποκαλούμε έξυπνο σπίτι. Ήδη διαθέτουμε τα smart phone, smart TV και πάμε για τα smart home. Υπάρχουν εταιρίες
που και σήμερα μπορούν να ρομποτοποιήσουν τα σπίτια μας. Ας δούμε τώρα μια
εφαρμογή με το λαμπάκι νύχτας που λέγαμε.
Έξοδος:
θα είναι ένα LED (Light_Emitting_Diode). Πρόκειται
για ηλεκτρονικό εξάρτημα με πολικότητα (έχει σημασία πού θα συνδέσουμε το + και
πού το -) και τάση λειτουργίας 1,6V μετατρέποντας ηλεκτρική ενέργεια σε φως. Ο
μικροελεγκτής παρέχει τάση 5V, οπότε θα χρειαστεί σε σειρά με το LED να συνδέσουμε ένα
αντιστάτη των 220Ω.
Είσοδος:
θα είναι ο φωτοαντιστάτης (LDR, Light_Dependet_Resistor) σε σειρά
με αντιστάτη των 10kΩ.
Πρόγραμμα:
void setup() {
pinMode(13,OUTPUT);
pinMode(A0,INPUT);
}
void loop() {
int light=analogRead(A0);
if (light>500)
{digitalWrite(13,LOW);}
else {digitalWrite(13,HIGH);}
delay(100);
}
Χαρά: Κύριε, έγραψα το πρόγραμμα και πατώντας το βελάκι (ανέβασμα_upload) μου ζητάει αποθήκευση.
Καθηγητής: Βέβαια, ο υπολογιστής αποθηκεύει το πρόγραμμα πριν το ανέβασμα με την επωνυμία sketch_onoma.ino, στη συνέχεια μέσα από τα "Εργαλεία" ελέγχουμε την Πλακέτα να είναι "Arduino Uno" και τη Θύρα που προτείνει π.χ. "COM6".
Ελένη: Τέλεια, λειτουργεί, το γυρνάω προς το φως των παραθύρων και σβήνει, το σκεπάζω με το χέρι μου και ανάβει.
Ανδρέας: Και το δικό μου λειτουργεί. Αυτός, μάλιστα, είναι έξυπνος διακόπτης.
Καθηγητής: Ο τίτλος της εργασίας σας για το επόμενο μάθημα είναι:
"Γη, ο πλανήτης των διακοπτών"
λαμβάνοντας υπόψη σας ό,τι διακόπτες φανταστείτε, ακόμα και την ανατολή και δύση του Ήλιου. Με το ξημέρωμα ξεκινά η φωτοσύνθεση, λαλούν τα κοκόρια , νέοι άνθρωποι είστε, έχετε φαντασία που καλπάζει.
