Oppgave

NDLA-Boksen: Bommen

Har du noen gang kjørt fram til en bom, så har den åpna seg automatisk? Dette kan virke som et avansert system, men i denne oppgaven skal du lage din egen automatiske bom.

Grå boks med to tilkoplinger, en sensor, en lysdiode og en rød utstikkende pinne. Illustrasjon. — Denne bommen kan bevege seg når ultralydsensoren registrerer et signal. Hvordan, og hva tror du skjer?

En sensor bestående av en mikrofon og en høyttaler står montert på en mikrokontroller. Foto. — Ultralydsensorer sender ut et lydsignal og måler hvor lang tid det tar før signalet returnerer. Hva kan vi bruke en slik sensor til?

Ultralydsensor

Ultralydsensoren "ser" med lyd. Den sender en kort lydpuls og måler tida det tar før ekkoet kommer tilbake – slik finner vi avstanden til et objekt.

En vanlig modul (for eksempel HC-SR04) har to "øyne": TRIG (sender) og ECHO (mottaker). Arduino lager en mikropuls på TRIG, og sensoren sender ei 40 kHz lydbølge i lufta. Når lyden treffer noe, reflekteres den tilbake, og ECHO-pin blir høy akkurat når ekkoet fra lydbølga treffer.

Servomotor

En servomotor er en elektrisk motor som vanligvis kun kan rotere en halv omdreining, 180 grader. Disse motorene vet hvilken posisjon de til enhver tid har, og kan bevege seg til og stoppe på hvilken som helst posisjon innenfor bevegelsesområdet.

En elektrisk motor innkapsla av blå plast med tilkoplingsledninger. Foto. — En servomotor kan brukes som en aktuator for en mikrokontroller. Vanligvis roterer den bare 180 grader og går ikke konstant rundt som en vanlig motor.

Lysdiode

En lysdiode er en elektronisk komponent som omdanner elektrisk energi til lys. Den er bygget slik at strøm bare kan gå én vei (fra anode til katode). Inni er det et tynt lag halvledermateriale som sender ut lys når elektroner og hull møtes – dette kalles elektroluminescens.

Når spenningskilden koples riktig vei (framover), "hopper" elektroner over en barriere i halvlederen og frigjør energi i form av lys.

Hvis du kopler den feil vei, slipper den nesten ikke strøm gjennom, og da lyser det ikke.

Ti lysdioder med forskjellig utforming og farger. Foto. — Ulike typer lysdioder

Programmering

Når du skal begynne å programmere Arduinoen i denne boksen, kan du dele opp dette i flere steg.

Steg 1. Instruks

Du kan begynne med å instruere prateroboten i hvilken rolle den skal ha, og hva den skal hjelpe deg med.

Eksempel på rolleinstruks

Jeg vil at du skal være min digitale veileder og hjelpe meg med oppkopling og programmering av en Arduino Uno R3.

Du skal bruke faguttrykk og ellers et språk og forklaringer som er tilpassa elever i videregående skole. Du skal være engasjerende og motiverende.

Først skal du forklare hvordan systemet jeg spør om, virker.

Så vil jeg ha en oversikt over komponentene jeg kan ha bruk for når jeg bygger dette systemet. Gi meg både navn og bruksmåter.

Jeg trenger også forslag til hvordan systemet skal koples sammen. Gi meg instruksjoner om hvilke pinner som skal benyttes på komponentene og Arduinoen, og om det er behov for resistorer i kretsen.

Du skal så lage en programkode som kan benyttes på systemet. Først forklarer du godt hver enkelt del av programmet. Så skriver du en komplett programkode.

Jeg ønsker at du lager ei liste over eventuelle vanskelige fagbegreper og forklarer dem med et lett og engasjerende språk.

Du skal også lage ei liste med praktiske eksempler på bruk av et slikt system i det virkelige liv.

Jeg vil at du til slutt lager et sammendrag av de viktigste punkta i svaret ditt.

Steg 2. Ultralydsensoren

Du må nå fortelle prateroboten at du skal benytte en ultralydsensor, eksempelvis HC-SR04. For å ta dette stegvis kan det være hensiktsmessig å starte med kun å kople opp denne.

Ut fra NDLA-boksens utforming kan det være greit å programmere Arduinoen slik at den skal gjøre noe når sensoren registrerer en gjenstand innen 10 cm fra boksen. Vær spesielt oppmerksom på at det finnes ultralydsensorer med både 3 og 4 tilkoplingspinner.

Du skal nå programmere Arduinoen til å bruke ultralydsensoren til å måle avstanden mellom seg selv og et objekt rett foran den.

Bruk instruksen under, og åpne deretter seriell monitor i Arduino IDE og se hva som skjer når du endrer avstanden mellom sensoren og objektet.

Forslag til instruks

Jeg skal kople opp en ultralydsensor som skal måle avstand. Jeg ønsker at ultralydsensoren skal registrere bevegelse. Jeg ønsker at du skal skrive avstanden mellom sensoren og objektet i seriell monitor.

Steg 3. Lysdioden

Nå skal du programmere Arduinoen slik at en lysdiode lyser hvis avstanden mellom sensoren og objektet er mindre enn 10 cm. Du kan bruke forslaget til instruks under.

På grunn av NDLA-boksens konstruksjon stikker bommen cirka 10 cm ut, så det er hensiktsmessig å benytte denne avstanden.

Kople opp prosjektet, programmer, og prøv å endre avstanden mellom sensoren og objektet. Fungerer lysdioden slik du har tenkt det?

Forslag til instruks

Jeg skal kople til en lysdiode som lyser når ultralydsensoren registrerer et objekt mindre enn 10 cm foran seg. Er avstanden større enn 10 cm, skal ikke lysdioden lyse.

Steg 4. Programmere servomotoren

Når du har fått ultralydsensoren og lysdioden til å fungere, er du klar for å programmere servomotoren som trekker bommen inn og ut.

Prosjektet skal nå registrere et objekt foran ultralydsensoren, for eksempel en bil. Lysdioden skal tenne, og bommen skal åpne seg. Når det ikke er noe objekt innenfor 10 cm foran ultralydsensoren, skal bommen lukke seg.

For at bommen ikke skal lukke seg med en gang bilen kjører forbi og ut av måleområdet for ultralydsensoren, må det legges inn en forsinkelse, for eksempel på 10 sekunder.

Når du programmerer og kopler dette, er det viktig å kjenne til i hvilken posisjon servomotoren står når programmet starter. Utforsk dette, og eventuelt gjør endringer i oppsettet.

Forslag til instruks

Jeg skal utvide prosjektet ved å kople til en servomotor som skal åpne og lukke en bom. Hvis sensoren oppdager et objekt innen 10 cm foran seg, skal lysdioden tenne, og servomotoren skal bevege seg 180 grader. Når objektet forsvinner fra sensoren, skal det legges inn en pause på 10 sekunder, så skal servomotoren bevege seg 180 grader tilbake, og lysdioden skal slukke.

Eksempel på oppkopling

Et slikt oppsett kan koples på ulike måter, du kan velge å benytte et koplingsbrett, lodde ledninger direkte på komponenter eller bruke jumper-ledninger. Du kan også benytte ulike pinner på Arduinoen.

Her får du et eksempel på kopling og koplingsskjema:

Mikrokontroller med sensorer og aktuatorer kopla sammen med ledninger. Illustrasjon. — Her er et eksempel på hvordan du kan kople opp komponentene. Dette kan også simuleres i for eksempel programmet Tinkercad.

Elektrisk koplingsskjema som viser Arduino, ultralydsensor, servo, resistor og lysdiode. Tilkoplingspunkt er merka. Illustrasjon. — Her ser du det elektriske koplingsskjemaet. Kjenner du igjen symbolene for servomotor, ultralydsensor, resistor og lysdiode?

Lag din egen NDLA-boks

NDLA-boksen kan skrives ut på en 3D-printer, og alle nødvendige filer og tegninger ligger vedlagt. Du kan også kombinere ulike elementer ved å skifte ut enten lokk eller sidevegger på boksen, slik at du kan lage ditt helt eget prosjekt.