Мобільний демонстраційний вимірювальний комплекс (МДВК) на основі платформи Arduino. (Цифрова лабораторія з фізики та суміжних дисциплін спеціальності «Комп’ютерна інженерія»)

04.05.2021

Мобільний демонстраційний вимірювальний комплекс (МДВК) на основі платформи Arduino. (Цифрова лабораторія з фізики та суміжних дисциплін спеціальності «Комп’ютерна інженерія»)

Ідея та результати роботи

Ми пропонуємо для організації демонстраційного експерименту і лабораторних робіт мобільний демонстраційний вимірювальний комплекс (МДВК) та набір модулів і датчиків на основі платформи Arduino. Вимірювальний комплекс, з відкритим програмним кодом, призначений для демонстрації фізичних явищ і процесів на основі цифрових і аналогових модулів. В процесі дослідження фізичних величин дані можуть передаватись в будь-яку мультимедійну систему на ПК за допомогою радіомодуля або usb-кабеля, з метою демонстрації всіх внутрішніх процесів і виводу виміряних значень на екран перед студентською аудиторією. МДВК може демонструватись як у вертикальному, так і в горизонтальному положенні. МДВК може бути використаний при вивченні дисциплін: фізика і астрономія (шкільний курс), фізика (загальний курс фізики, для нього і розробляється ПЗ), комп’ютерна електроніка, архітектура комп’ютерів, основи робототехніки.

Для роботи МДВК використовується програмне забезпечення на ПК розроблене на мові С# та уніфіковані скетчі (програми для контролера) розроблені в Arduino IDE.

Актуальність впровадження цифрової лабораторії зумовлюється інтенсивним розвитком інформаційних технологій в тому числі навчальних. Інформаційні технології в освіті – це не просто засоби навчання, а й якісно нові технології в підготовці конкурентоздатних фахівців. Вони дозволяють істотно розширити творчий потенціал студентів та викладачів, що користуються ними, виходячи за рамки традиційної моделі навчання.

Практична цінність продукту полягає у дешевизні, простоті, наглядності (оскільки всі елементи схем відкриті і демонструють процеси що відбуваються у електронних схемах), доступності (можна використовувати у будь якій школі чи вузі при вивчені відповідних спец. дисциплін), маштабованості (можна змінювати кількість датчиків в залежності від потреб), може використовуватись користувачами як обізнаними з програмуванням так і без навичок програмування. Програмне забезпечення дозволяє вимірювати до 4 параметрів електричних кіл та демонструвати їх значення на великий екран, подавати графічну залежність до 4 виміряних величин від часу чи в будь-яких комбінаціях одна від одної (наприклад, отримувати вольт-амперні характеристики напівпровідникових приладів).

Програма призначена для лабораторного і демонстраційного експерименту з фізики та інших суміжних дисциплін. Можна використовувати як для розроблених і передбачених у переліку демонстрацій так і для довільних досліджень, але обов’язкове дотримання протоколу передачі даних, в цьому випадку завантаження скетчу відбувається вручну з середовища програмування. Вимоги до ПК для роботи програми: мінімальний об’єм пам’яті 500 МБ ОЗП і більше 100 МБ вільного дискового простору, підтримка віртуальної машини .NET Framework 4.7.2.

Програма запускається з робочої папки з будь-якого диску. Для роботи програма не потребує виходу в Інтернет, але для запуску потрібний контролер Arduino. Програма створена в середовищі Microsoft Visual Studio 2012 та Arduino IDE.

Arduino також спрощує процес роботи з мікроконтролером, але на відміну від інших систем надає ряд переваг для викладачів, студентів і радіоаматорів:

- Низька вартість.

- Кросплатформеність.

- Проста та зручна середовище програмування.

- Розширюване програмне забезпечення з відкритим вихідним кодом.

- Розширюване відкрите апаратне забезпечення.

Програмне забезпечення підтримує три найбільш вживані типи контролерів сімейства Arduino: Arduino Uno, Arduino Nano, Arduino Mega.

Arduino Uno контролер найбільш універсальний контролер з сімейства Arduino і побудований на ATmega328. Платформа має 14 цифрових вхід/ виходів (6 з яких можуть використовуватися як виходи ШІМ), 6 аналогових входів, кварцовий генератор 16 МГц, роз'єм USB, силовий роз'єм, роз'єм ICSP і кнопку перезавантаження. Для роботи необхідно підключити платформу до комп'ютера за допомогою кабелю USB, або подати живлення за допомогою адаптера AC/ DC або батареї.

Але використання такого підходу має свої недоліки:

- менша точність вимірювань;

- потрібно враховувати наведення зовнішніх полів і вплив зовнішньої ємності і індуктивності;

- брязкіт контактів (дребезг контактов);

Але ці недоліки не впливають на кінцевий результат оскільки в навчальному процесі допускається менша точність і надійність в порівнянні з промисловими контролерами.

Інструкція користувача

Послідовність кроків для підготовки до досліджень:

- запуск програми виконується через файл WindowsFormsApp.exe;

- виберіть відповідний дослід;

- складіть схему;

- завантажте скетч у контролер;

- пiдключіть контролер до порту USB;

- виберіть відповідний порт у панелі "Панель звязку";

- підключіть порт;

- відкрийте вікно вимірювань чи графічних досліджень та проведіть дослідження.

Назва конкурсу: Конкурс «Роботи з нами, роботи навколо нас»
ПІБ конкурсанта: Сугак Вадим Русланович
Країна: Україна
Область: Вінницька область
Назва НЗ: Відокремлений структурний підрозділ «Вінницький фаховий коледж Національного університету харчових технологій»
Учасник фіналу: Так
Місце Фінал: 1
Файл статті (pdf): Завантажити

Повернення до списку