Zwiększenie funkcjonalności pracowni komputerowych – część 1

Zwiększenie funkcjonalności szkolnych pracowni komputerowych
Tworzenie zestawów ćwiczeniowych z komputerami jednoukładowymi
W podstawie programowej Informatyki znajdujemy zapis:
Rozwiązywanie problemów i podejmowanie decyzji z wykorzystaniem
komputera, stosowanie podejścia algorytmicznego na III i IV etapie
edukacyjnym
natomiast w podręcznikach do nauczania przedmiotu informatyka znajdujemy różne
propozycje realizacji zagadnień z tego działu. Najczęściej są to zadania z zakresu
matematyki, informatyki, grafiki rozwiązywane za pomocą oprogramowania
komputerowego np.:
- tworzenie algorytmów za pomocą programu ELI
- realizacja algorytmów za pomocą programowania w języku LOGO
- tworzenie modeli sortowania różnymi metodami itp.
Doceniając ważność i potrzebę zajęcia się problematyką algorytmów w ten
sposób należy zauważyć, że uczeń ma bardzo mało możliwości zobaczenia działania
algorytmu na rzeczywistym modelu. Wszystko odbywa się tylko na ekranie monitora.
Zaproponowana rozbudowa pracowni o zestawy ćwiczeniowe z komputerami
jednoukładowymi (mikrokontrolerami) ma za zadanie uzupełnienie realizowanej
problematyki o praktyczne ćwiczenia na rzeczywistych modelach lub urządzeniach.
Na uwagę zasługuje fakt, że cały zestaw ćwiczeniowy mogą wykonać
uczniowie z niewielkiej ilości tanich elementów na zajęciach z techniki.
- Dlaczego komputer jednoukładowy?
Do zestawu ćwiczeniowego zastosowano komputer jednoukładowy (mikrokontroler),
ponieważ w jednym układzie scalonym umieszczono wszystkie elementy komputera:
mikroprocesor, pamięć, porty wejścia/wyjścia oraz całą resztę potrzebną
do działania procesora.
Największym udogodnieniem jest wbudowana w strukturę mikrokontrolera
pamięć flash, przeznaczona na programy, którą można łatwo zaprogramować bez
potrzeby używania drogich programatorów. Obecnie najpopularniejsze są 8-bitowe
mikrokontrolery AVR firmy ATMEL, których cena nie przekracza kilku złotych. Fima
ATMEL udostępnia również nieodpłatnie środowisko do pisania programów w języku
C, Pascal, Basic oraz ich kompilatory. Dostępne są również tanie programatory oraz
duża ilość programów wykonawczych.
- Zestaw ćwiczeniowy na stanowisku ucznia.
programator
płytka
ćwiczeniowa
Proponowany zestaw ćwiczeniowy składa się z:
- komputera PC z zainstalowanym środowiskiem programistycznym WinAVR oraz
sterownikami programatora,
- programatora AVR ISP
- oraz płytki testowej z mikrokontrolerem i kilkoma podzespołami wykonawczymi.
- Zestaw demonstracyjny na stanowisku nauczyciela.
.
płytka
ćwiczeniowa
lub model
Tablica
interaktywna
programator
- Płytka ćwiczeniowa na stanowisku ucznia.
Cały zestaw zawiera łatwo dostępne elementy (np. na portalu aukcyjnym ALLEGRO),
a jego cena nie przekracza kilkudziesięciu złotych.
Ponadto zestaw jest zasilany i programowany bezpośrednio z portu USB komputera
ucznia
Nazwa elementu
składowego
Programator
ISP USBasp
AVR ATMEL
3.3/5V
Rysunek i opis
Cena
orientacyjna
15 zł
Programator przeznaczony do programowania
mikrokontrolerów z rodziny AVR firmy ATMEL,
które odbywa się za pośrednictwem gniazda USB w
PC. (zazwyczaj sprzedawany z kablem IDC
KANDA)









Zasilany z portu USB
Możliwość programowania układów AVR 5V
lub 3.3V
Zabezpieczony port USB przed
uszkodzeniem (bezpiecznik polimerowy)
Prędkość programowania wynosi max 5kB/s
obsługa WIN XP, WIN Vista, WIN 7
także 64bit, WIN 8, Linux
zgodny z USB 2.0 i niższym
dwie diody LED sygnalizujące stan pracy
Zmiana napięcia programowania poprzez
zworki na płycie JP1
współpracuje z Bascom, Eclipse, WinAVR,
mkAVRcalulator, avrDUDE, ARDUINO IDE,
ATMEL STUDIO i in.
Kabel IDC 10
żyłowy KANDA
3 zł
kabel do podłączenia programatora z płytką ćwiczeniową
(potrzebny tylko w przypadku, kiedy nie odpowiada nam
długość kabla dostarczonego z programatorem)
Komputer
jednoukładowy
(mikrokontroler)
5 zł
W zestawie ćwiczeniowym zastosowano mikrokontroler
Attiny 24A (może być dowolnie inny z rodziny Tiny lub
Mega firmy ATMEL)
Typ układu scalonego: mikrokontroler AVR 8 bitowy
Organizacja pamięci Flash: 2k x 8bit
Pojemność pamięci EEPROM: 128B
Pojemność pamięci SRAM: 128B
częstotliwość taktowania: 20 MHz
Liczba wejść/wyjść: 12
Liczba kanałów PWM: 2
Liczba timerów 8-bit: 1
Liczba timerów 16-bit: 1
napięcie zasilające: 1,8 - 5,5V
6 zł
Płytka stykowa
możliwość przyklejenia do podstawy
4 linie zasilania 400 pól
Pojemnik na
baterie 3 x AA
Pojemnik na baterie 3 x AA (R6)
z wyłącznikiem, Nie jest elementem koniecznym zestawu
ćwiczeniowego, jednak umozliwia zasilanie zestawu
(4,5V) niezależnie od komputera
Inne elementy
- przewody połączeniowe na płytce (ze skręki UTP)
- diody LED kolorowe (dyfuzyjne)
- rezystory 620 R
3 zł
3 zł
6 zł
Przejściówka
KANDA 10pin
Moduł przeznaczony do
połączenia programatora AVR z mikrokontrolerem AVR
umieszczonym na płytce stykowej.(można wykonać znacznie
taniej we własnym zakresie)
pojemnik z
bateriami
Mikrokontroler
programator
ISP USB
diody LED
kabel ISP
KANDA
złącze KANDA
płytka stykowa
Przykład wykonania płytki ćwiczeniowej z wymienionych w tabeli podzespołów
Zestaw demonstracyjny dla nauczyciela ma podobne elementy. Dodatkowo został
rozszerzony o podstawkę pod mikrokontroler oraz długi kabel USB do podłączenia
modelu obok tablicy.
Płytka prototypowa podłączona do komputera
- Oprogramowanie
Do prawidłowego funkcjonowania zestawu ćwiczeniowego należ zainstalować na
komputerze sterującym sterowniki programatora ISP – do pobrania ze strony
http://www.fischl.de/usbasp/
oraz bezpłatny kompilator z edytorem do pisania programów w C/C++ WinAVR z
dowolnego miejsca w Internecie
- Wartość dydaktyczna zestawu
Komputery jednoukładowe pozwalają na zaznajomienie uczniów z
najnowocześniejszymi systemami cyfrowego przetwarzania i przesyłania informacji,
posiadają zazwyczaj:
- wiele portów I/O zarówno cyfrowych jak i analogowych
- wewnętrzne zegary
- interfejsy I2C ora 1-WIRE
- sterowanie PWM i wiele innych, co daje wręcz nieograniczone możliwości w
nauczaniu informatyki, fizyki, techniki – pomiary wielkości elektrycznych i
nieelektrycznych, sterowania różnego rodzaju urządzeniami, działającymi modelami,
symulacja zjawisk itp.
- proponowana innowacja dydaktyczna daje możliwość do holistycznego traktowania
nauki w szkole, a uczeń ma praktyczny przykład zastosowania zdobytej wiedzy z
wielu przedmiotów.
Nawet stara zabawka po zainstalowaniu procesora może stać się cenną
pomocą dydaktyczną:
- działające światła kierunkowskazów, światła awaryjne, oświetlenie kabiny,
sygnalizacja otwartych drzwi. Realizowane projekty nie są abstrakcyjne. Procesor
wymontowany z zabawki i zainstalowany w samochodzie będzie spełniał tę samą
rolę.
Przedstawiony zestaw ćwiczeniowy stanowi bazę do wykonywania
różnorodnych zadań z zakresu algorytmiki. Daje możliwość uczniom zapoznania się
z profesjonalnymi sposobami programowania opartymi na języku C. W kolejnym
artykule zostanie przedstawiony sposób korzystania z zestawu.
Nauczycieli zainteresowanych zastosowaniem innowacji zapraszamy do
PODN w Mławie, gdzie można obejrzeć i wypróbować różne pomoce stworzone w
oparciu o zestaw ćwiczeniowy.
Bogdan Kamiński