Образовательный кейс «Светильник, управляемый по USB»

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
дополнительного образования «Детский технопарк «Кванториум»
г. Комсомольска-на-Амуре

Образовательный кейс «Светильник, управляемый по USB»

по дополнительной общеобразовательной общеразвивающей

программе «Проектные IT-технологии»

2 год обучения

Блок №2. Информационные технологии

Тема № 3.2.2. Прикладная электроника и схемотехника

2 учебных часа

Автор: Черепанов А.А.,

педагог дополнительного образования МБОУ ДО Кванториум

г. Комсомольск-на-Амуре

2023 г.

1. Проблемная ситуация 3

2. Привязка к предметным областям знаний 3

3. Цель кейса, задачи кейса 4

4. Планируемые результаты кейса 5

5. Этапы реализации 5

6. Оборудование и материалы 7

7. Список использованных источников 7

8. Рефлексия 7

9. Приложения 8

1. Проблемная ситуация

Через порт USB (Universal Serial Bus — универсальная последовательная шина) можно подключить к компьютеру любые виды периферийных устройств; в последнее время этот порт все чаще используется для подключения клавиатуры и мыши. Данный тип соединения называется «Подключай и работай», или технология «Plug and Play». Чтобы подключить новое USB-устройство, не нужно ни выключать, ни перезагружать компьютер -Windows распознает подключенное периферийное устройство автоматически, а к работе с ним можно приступать незамедлительно. Одна шина USB может одновременно работать со 127 различными устройствами, будь они подключены последовательно или через USB-концентратор. Первая спецификации USB 1.0 была опубликована в начале 1996 года, а уже осенью 1998 года появилась спецификация USB 1.1, исправлявшая проблемы, обнаруженные в первой спецификации. Весной 2000 года была опубликована версия 2.0, которая предусматривала повышение пропускной способности шины USB практически в сорок раз. USB 3.0 — новый промышленный стандарт подключения периферийных устройств к компьютеру или ноутбуку, разработанный некоммерческой организацией USB Implementers Forum. Стандарт USB 3.0 совместим со всеми предыдущими версиями проводного интерфейса USB, но обладает гораздо более высокой скоростью работы и малым энергопотреблением. Скорость передачи данных достигает почти 5 Гбит/с за счет использования двух дополнительных высокоскоростных дифференциальных линий (режим SuperSpeed). Пользователи вряд ли увидят коренные различия между USB 2.0 и USB 3.0 кроме скорости передачи данных и потребления, конечно, однако эти интерфейсы похожи лишь внешне. Стандарт USB 3.0 не является очередной модернизацией предыдущей версии, это принципиально новый стандарт, хотя и совместимый с USB 2.0 по разъёмам и драйверам. Для освоения основ передачи и приема данных, воспользуемся шиной USB 2.0, которая имеет повсеместное распространение.

Кейс-задание: Мы хотим сделать так, чтобы наше устройство управлялось с компьютера программой, использовав возможности микроконтроллера AVR для управления светильником. Для этого нам надо организовать связь по USB между нашим устройством и программой на компьютере.

1. Привязка к предметным областям знаний

Предметная область технология:

• формулировка проблемы и задачи;

• сборка, макетирование и монтаж;

• тестирование и оценка;

• техническое описание;

Предметная область математика:

• расчет цифровой зависимости;

• определение размеров цепи;

Предметная область физика:

• понятие свет и полупроводник;

• светоотдача и яркость;

• светочувствительность материала

Предметная область информатика:

• составление блок-схемы

• презентационные материалы

• программирование кода

1. Цель кейса, задачи кейса

Цель кейса: Изготовление простой конструкции, использующей терминал порта, для управления яркостью светоизлучающего диода.

Задачи кейса:

Предметные:

• выработать навыки применения средств IT-технологий в повседневной жизни;

• исследовать особенности проектируемого предмета, рассмотрев аналоги;

• составить общую схему и провести сборку устройства;

• протестировать и, в случае необходимости, доработать модель;

Метапредметные:

• развить стремление к получению качественного законченного результата;

• обучить навыкам конструирования сложных систем;

• расширить технический кругозор;

Личностные:

• провести профессиональное ориентирование учащихся;

• воспитать мотивацию к изобретательству, созданию собственных программных реализаций электронных устройств;

• развить коммуникативные навыки, умение работать в команде;

Продуктовые:

• провести макетирование и сборку устройства;

• программирование кода

• выполнить электрические измерения;

• исследовать различные виды соединений термистора;

Рекламные:

• закрепить умения создания презентаций на основе индивидуальных шаблонов;

• развить навыки ораторского искусства;

• развить последовательность логической аргументации оппонентам.

1. Планируемые результаты кейса

Soft Skills:

• умение находить, анализировать и использовать информацию;

• умение формулировать проблему и выдвигать гипотезы по ее решению;

• умение работать в команде;

• умение выражать собственное мнение, защищать его на основе привидения аргументов.

Hard Skills:

• умение работать с измерительными приборами;

• макетирование и сборка электрических цепей;

• навесной монтаж;

• работа с различными типами электронных компонентов;

• измерение электрических величин.

1. Этапы реализации

Дорожная карта кейса:

1. Оборудование и детали

• Цифровой или индукционный мультиметр. Плата Arduino.

• резисторы, светоизлучающий диод, соединительные провода.

1. Список использованных источников

• Гукин, Д. Программирование на C для чайников / Д. Гукин. - Москва: Диалектика, 2019. - 384 c. - ISBN: 978-5-907144-39-2

• Бокселл, Дж. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками / Дж. Бокселл. -Санкт-Петербург: Питер, 2016. -400 с. - ISBN: 978-5-496-02421-1

• Перышкин, А.В. Физика. 8кл: учебник / А.В. Перышкин. – Москва: Дрофа, 2019. – 238 с. - ISBN: 978-5-358-09884-8

• Amperka.ru

1. Рефлексия

1. Какие объекты позволяют легко манипулировать текстовыми данными?

2. Что возвращают методы Serial.available() и Serial.read()?

3. Чем отличаются конструкции for и while?

4. Каким образом можно организовать более сложное ветвление, чем if … else?

5. Как можно объединить текстовые строки?

6. Как можно привести текстовую строку, содержащую цифры, к числовому типу?

Задания для самостоятельного решения

1. Проверьте, попадает ли переданное число в диапазон значений, которые нужно передавать в analogWrite(). Передайте на компьютер сообщение об ошибке, если нет.

2. Переделайте программу так, чтобы устройство распознавало текстовые команды, например, «on» и «off», и соответственно включало и выключало светодиод.

Вам может пригодиться один из методов String: toLowerCase(yourString) или toUpperCase(yourString), которые возвращают переданную строку yourString, приведенную к нижнему или верхнему регистру соответственно.

1. Приложение

Принципиальная схема

Схема на макетной плате

Скетч

#define LED_PIN 9

// для работы с текстом существуют объекты-строки (англ. string)

String message;

void setup()

{

pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

}

void loop()

{

// передаваемые с компьютера данные поставляются байт за

// байтом, в виде отдельных символов (англ. character). Нам

// нужно последовательно их обрабатывать пока (англ. while)

// в порту доступны (англ. available) новые данные

while (Serial.available()) {

// считываем (англ. read) пришедший символ в переменную

char incomingChar = Serial.read();

// не стоит путать целые числа и символы. Они соотносятся

// друг с другом по таблице, называемой кодировкой. Например

// '0' — это 48, '9' — 57, 'A' — 65, 'B' — 66 и т.п. Символы

// в программе записываются в одинарных кавычках

if (incomingChar = '0' && incomingChar

// если пришёл символ-цифра, добавляем его к сообщению

message += incomingChar;

} else if (incomingChar == '\n') {

// если пришёл символ новой строки, т.е. enter, переводим

// накопленное сообщение в целое число (англ. to integer).

// Так последовательность символов '1', '2', '3' станет

// числом 123. Результат выводим на светодиод

analogWrite(LED_PIN, message.toInt());

// обнуляем накопленное сообщение, чтобы начать всё заново

message = "";

}

}

// посылайте сообщения-числа с компьютера через Serial Monitor

}

Пояснение

В этой программе мы создаем объект класса String. Это встроенный класс, предназначенный для работы со строками, т.е. с текстом. Не путайте его с типом данных string, который является просто массивом символов. String же позволяет использовать ряд методов для удобной работы со строками. Мы знакомимся с новым видом циклов: цикл с условием while. В отличие от цикла со счетчиком for, цикл while(expression) выполняется до тех пор, пока логическое выражение expression истинно. Метод available() объекта Serial возвращает количество байт, полученных через последовательный порт. В данном эксперименте цикл while работает до тех пор, пока available() возвращает ненулевое значение, любое из которых приводится к true.

Переменные типа char могут хранить один символ. В этом примере символ мы получаем методом Serial.read(), который возвращает первый байт, пришедший на последовательный порт, или -1, если ничего не пришло. Обратите внимание, что в if мы сравниваем не пришедший символ с 0 и 9, но их коды. Если пришел какой-то символ, который не является цифрой, мы не будем его добавлять к нашей строке message. Объекты типа String позволяют производить конкатенацию, т.е. объединение строк. Это можно сделать так: message = message + incomingChar, но можно записать в сокращенной форме: message += incomingChar. В этой программе мы дополняем if конструкцией else if. Это еще один условный оператор, который проверяется только в случае ложности выражения, данного первому оператору. Несколько else if могут следовать друг за другом, при этом каждое следующее условие будет проверяться только в случае невыполнения всех предыдущих. Если в конце разместить else, он выполнится только если ни одно из условий не выполнено. Напомним, что последовательностью \n кодируется символ переноса строки. Если он был передан устройству, мы передаем полученные ранее символы как параметр для analogWrite(), которая включает светодиод. Мы используем один из методов String, toInt(), который заставляет считать строку не набором цифр, но числом. Он возвращает значение типа long, при этом, если строка начинается с символа, не являющегося цифрой, будет возвращен 0. Если после цифр, идущих в начале строки, будут символы не-цифры, на них конверсия остновится. Обратите внимание на выпадающее меню внизу монитора порта: чтобы наше устройство получало символ перевода строки, там должно быть выбрано «Новая строка (NL)». Пустая строка обозначается так: "". Опустошив ее, мы готовы собирать новую последовательность символов.