Методическая разработка лабораторного занятия с использованием дистанционных технологий по МДК 02.01 «Микропроцессорные системы» на тему: «Работа с пьезоэлементом»

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«Сальский индустриальный техникум»

Методическая разработка лабораторного занятия с использованием дистанционных технологий

по МДК 02.01

«Микропроцессорные системы»

на тему: «Работа с пьезоэлементом»

Разработчик: преподаватель Халилова Алёна Васильевна

Специальность 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы

г. Сальск

2024 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ХОД ЗАНЯТИЯ

СТРУКТУРА И ПЛАН ЗАНЯТИЯ

СЦЕНАРИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЯ

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Методическая разработка учебного занятия представляет собой лабораторное занятие по МДК 02.01 Микропроцессорные системы.

Методическая разработка включает в себя такие разделы как: введение, сценарий проведения занятия, заключение, список литературы, приложения.

В условиях удаленного обучения возникает проблема при  проведении лабораторно-практических занятий по многим междисциплинарным курсам. Исключением не стал и МДК 02.01 Микропроцессорные системы.

При выполнении лабораторно-практических занятий по данному междисциплинарному курсу, возникают следующие проблемы:

-              невозможность контроля выполнения правил техники электробезопасности;

-              отсутствие в личном пользовании студентов необходимого оборудования.

Решением данных вопросов является использование виртуальных лабораторий в учебном процессе.

Одной из таких виртуальных лабораторий и является TinkerCad. Данный ресурс позволяет осуществлять сбор цепи элементов на основе платы Arduino Uno и ее программирование.

Преподаватель после регистрации создает виртуальный класс, в котором он может просмотреть работу каждого студента, оставить комментарий в случае необходимости. Кроме того, преподаватель может скопировать к себе созданный обучаемым проект, чтобы внести в него исправления и в дальнейшем продемонстрировать студенту ошибки в реализации программного кода или схем.

Одним из достоинств данной виртуальной лаборатории является то, что доступ в нее и работа в ней осуществляются бесплатно.

Лабораторная работа содержит в себе краткую теорию, ссылку на видеоматериал о принципах работы в среде TinkerCad, задания для самостоятельного решения и видео примеры результата выполнения заданий. Таким образом у обучающихся возникает возможность самоконтроля качества выполнения заданий.

МДК 02.01 «Микропроцессорные системы»

Тема: «Лабораторная работа № 13 «Работа с пьезоэлементом».

Тип урока: лабораторная работа

Дидактический материал: инструкционная карта по выполнению лабораторной работы, вопросы для закрепления материала, опорный план конспекта.

Оборудование: IBM PC.

Методы обучения: эвристический метод (побуждение обучающихся к активной мыслительной деятельности).

Формы реализации метода: пояснительно-иллюстративный материал, видео-файлы.

СТРУКТУРА ЗАНЯТИЯ

1.     Объявление темы занятия.

- объявление темы и цели занятия (осуществляется посредством сервиса Гугл Класс);

- проверка отсутствующих (осуществляется посредством сервиса Гугл Класс).

2.     Инструктаж по технике безопасности (приложение 1).

3.     Выполнение лабораторной работы (приложение 2).

4.     Защита работы (подразумевает ответы на контрольные вопросы посредством программы IP-телефонии Discord);

5.     Подведение итогов.

- объявление результатов работы на учебном занятии;

СЦЕНАРИЙ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАНЯТИЯ

I.      Объявление темы и цели урока:

В сервисе Гугл класс на страничке курса осуществляем приветствие обучающихся путем публикации соответствующего сообщения на ленте. Затем аналогичным образом проводим проверку отсутствующих.

Следующим этапом является проведение инструктажа по технике электробезопасности. С ним ребята ознакамливаются путем просмотра презентации, размещенной в Гугл Классе (Приложение 1).

После инструктажа приступают к выполнению работы. Работа выполняется в среде TinkerCad. Пояснения к работе указываются в соответствующем задании в системе Гугл Класс. На выполнение работы отводится 50 минут.

Следующим этапом является защита лабораторной работы. Она осуществляется посредством видео звонка в программе Discord и представляет собой беседу по контрольным вопросам, указанным в инструкционной карте к лабораторной работе.

Завершающий этап – это выставление оценок по лабораторной работе. Выставление оценок происходит в сервисе Гугл класс.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Инструкционная карта к лабораторной работе № 13

Тема: «Работа с пьезоэлементом».

Цель: Изучить библиотеку команд языка СИ++ для работы с пьезоэлементом и фоторезистором.

Оборудование: IBM PC

Программное обеспечение: онлайн-сервис TinkerCard.

Контрольные вопросы:

1.     Для чего используется пьезоэлемент?

2.     Опишите конструктивное устройство пьезоэлемента?

3.     Чем отличается активный зуммер от пассивного?

4.     Каким образом подключается зуммер к плате Ардуино?

Краткая теория:

Пищалка на Ардуино, которую часто еще называют зуммером, пьезодинамиком или даже баззером – часто используется в различных проектах. Этот простой электронный компонент достаточно легко подключается к платам Arduino, поэтому вы можете быстро заставить вашу схему издавать нужные звуки – сигнализировать, пищать или вполне сносно проигрывать мелодию.

Описание и схема работы зуммера

Зуммер, пьезопищалка – все это названия одного устройства. Данные модули используются для звукового оповещения в тех устройствах и системах, для функционирования которых в обязательном порядке нужен звуковой сигнал. Широко распространены зуммеры в различной бытовой технике и игрушках, использующих электронные платы. Пьезопищалки преобразуют команды, основанные на двухбитной системе счисления 1 и 0, в звуковые сигналы.

Рис. Пьезоэлемент “пищалка”

Пьезопищалка конструктивно представлена металлической пластиной с нанесенным на нее напылением из токопроводящей керамики. Пластина и напыление выступают в роли контактов. Устройство полярно, имеет свои «+» и «-». Принцип действия зуммера основан на открытом братьями Кюри в конце девятнадцатого века пьезоэлектрическом эффекте. Согласно ему, при подаче электричества на зуммер он начинает деформироваться. При этом происходят удары о металлическую пластинку, которая и производит “шум” нужной частоты.

Рис.Устройство пьезодинамика пищалки

Нужно также помнить, что зуммер бывает двух видов: активный и пассивный. Принцип действия у них одинаков, но в активном нет возможности менять частоту звучания, хотя сам звук громче и подключение проще. Подробнее об этом чуть ниже.

Рис. Модуль пищалки для Ардуино

Конструктивно модуль исполняется в самых разных вариантах. Самый рекомендуемый для подключения к ардуино – готовый модуль со встроенной обвязкой. Такие модули можно без особого труда купить в интернет-магазинах.

Если сравнивать с обыкновенными электромагнитными преобразователями звука, то пьезопищалка имеет более простую конструкцию, что делает ее использование экономически обоснованным. Частота получаемого звука задается пользователем в программном обеспечении.

Отличия активного и пассивного зуммера

Главное отличие активного зуммера от пассивного заключается в том, что активный зуммер генерирует звук самостоятельно. Для этого пользователь должен просто включить или выключить его, другими словами, подав напряжение на контакты или обесточив. Пассивный зуммер же требует источника сигнала, который задаст параметры звукового сигнала. В качестве такого источника может выступать плата Ардуино. Активный зуммер будет выдавать более громкий звуковой сигнал в сравнении с его конкурентом. Частота излучаемого звука активного зуммера составляет значения 2,5 кГц +/- 300Гц. Напряжение питания для пищалки варьируется от 3,5 до 5 В.

Активный пьезоизлучатель предпочтительней еще из-за того, что в скетче не потребуется создавать дополнительный фрагмент кода с задержкой, влияющий на рабочий процесс. Также для определения того, что за элемент находится перед пользователем, можно измерить сопротивление между двумя проводами. Более высокие значения будут указывать на активный зуммер ардуино.

По своей геометрической форме пищалки никак не различаются, и отнести элемент к тому или иному виду по данной характеристике не представляется возможным. Визуально зуммер можно идентифицировать, как активный, если на плате присутствуют резистор и усилитель. В пассивном зуммере в наличии только маленький пьезоэлемент на плате.

Подключения зуммера к Arduino

Подключение модуля пьезоэлемента к Ардуино выглядит достаточно простым. Потребляемый ток маленький, поэтому можно просто напрямую соединить с нужным пином.

Рис. Подключение пищалки к Ардуино (порт 12)

На некоторых вариантах корпусов зуммера можно найти отверстие для фиксации платы при помощи винта.

Зуммер arduino имеет два выхода. Следует обратить внимание на их полярность. Темный провод должен быть подключен к «земле», красный – к цифровому пину с PWM. Один вывод настраивается в программе как «вход». Arduino отслеживает колебания напряжения на выводе, на который подаётся напряжение с кнопки, резистора и датчиков.

Рис. Пищалка Арудино с названиями контактов

Напряжение на «вход» подается различное по значениям, система четко фиксирует только два состояния – вышеупомянутые 1 и 0 (логические ноль и единица). К логической единице будет относиться напряжение 2,3-5 В. Режим «выход» – это когда Arduino подает на вывод логический ноль/единицу. Если брать режим логического нуля, тут величина напряжения настолько мала, что ее не хватает для зажигания светодиода.

Рис. Схема подключения пищалки к Ардуино

Обратите внимание, что входы довольно чувствительны к внешним помехам разного рода, поэтому ножку пьезопищалки через резистор следует подключать к выводу. Это даст высокий уровень напряжения на ножке.

Прежде чем приступать к работе в TinkerCard, ознакомьтесь с видео уроком, демонстрирующем принципы работы в нем.

https://www.youtube.com/watch?v=8CEdhias8MU&t=11s

Ход работы:

Задание №1 Подключение пьезоэлемента.

Соберите схему согласно образцу:

Используемые компоненты:

·       Пьезоэлемент.

Программный код:

int p = 3; //объявляем переменную с номером пина, на который мы

//подключили пьезоэлемент

void setup() //процедура setup

{

pinMode(p, OUTPUT); //объявляем пин как выход

}

void loop() //процедура loop

{

tone (p, 500); //включаем на 500 Гц

delay(100); //ждем 100 Мс

tone(p, 1000); //включаем на 1000 Гц

delay(100); //ждем 100 Мс

}

Результат выполнения задания вы можете увидеть, перейдя по ссылке:

https://drive.google.com/file/d/1X8HLTMGT3HDGNTF89Hk1Z-54VsRKHI3_/view?usp=sharing

Задание №2 Создание терменвокс.

В этом задании мы имитируем действие музыкального инструмента терменвокс: изменяем высоту звучания бесконтактным путем, больше или меньше закрывая от света фоторезистор.

Соберите схему согласно образцу:

Используемые компоненты:

·       Пьезоэлемент.

·       Фоторезистор.

·       Резистор.

Программный код:

// даём имена для пинов с пьезопищалкой (англ. buzzer) и фото-

// резистором (англ. Light Dependent Resistor или просто LDR)

#define BUZZER_PIN  3

#define LDR_PIN     A0

void setup()

{

  // пин с пьезопищалкой — выход...

  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);

  // ...а все остальные пины являются входами изначально,

  // всякий раз при подаче питания или сбросе микроконтроллера.

  // Поэтому, на самом деле, нам совершенно необязательно

  // настраивать LDR_PIN в режим входа: он и так им является

}

void loop()

{

  int val, frequency;

  // считываем уровень освещённости так же, как для

  // потенциометра: в виде значения от 0 до 1023.

  val = analogRead(LDR_PIN);

  // рассчитываем частоту звучания пищалки в герцах (ноту),

  // используя функцию проекции (англ. map). Она отображает

  // значение из одного диапазона на другой, строя пропорцию.

  // В нашем случае [0; 1023] -> [3500; 4500]. Так мы получим

  // частоту от 3,5 до 4,5 кГц.

  frequency = map(val, 0, 1023, 3500, 4500);

  // заставляем пин с пищалкой «вибрировать», т.е. звучать

  // (англ. tone) на заданной частоте 20 миллисекунд. При

  // cледующих проходах loop, tone будет вызван снова и снова,

  // и на деле мы услышим непрерывный звук тональностью, которая

  // зависит от количества света, попадающего на фоторезистор

  tone(BUZZER_PIN, frequency, 20);

}

Результат выполнения задания вы можете увидеть, перейдя по ссылке:

https://drive.google.com/file/d/1OsUk72HgQIw1Isd892FTqvIOwsdp3jw0/view?usp=sharing

Задание №3 Анализ кода

Используя код, самостоятельно соберите схему.

Программный код:

void setup()

{

pinMode(9, OUTPUT);

}

void loop()

{

tone(9,1318,150);

delay(150);

tone(9,1318,300);

delay(300);

tone(9,1318,150);

delay(300);

tone(9,1046,150);

delay(150);

tone(9,1318,300);

delay(300);

tone(9,1568,600);

delay(600);

tone(9,784,600);

delay(600);

}

Скачано с www.znanio.ru