ZPOC Online: 10. Senzory a micro:bit

Na tomto cvičení sa oboznámite so všetkými senzormi, ktoré sú dostupné na mikropočítači micro:bit.

Zoznam úloh

Úloha 1:
Upravte program pre snímač magnetického poľa tak, aby fungoval ako skutočný kompas a zobrazoval šipku ukazujúcu na sever.
Rozdeľte 360 stupňov na príslušné intervaly a v každom znich zobrazíte správnu šípku. Nie je nevyhnutné kresliť každú z nich ručne, existuje na to špeciálny blok. Pozor však dajte na smerovanie na sever, musí obsahovať aj hodnoty okolo nuly aj okolo 360. Pre kontrolu, smerov je 8: S, SV, V, JV, J, JZ, Z a SZ. Na obrazovke však nebudete zobrazovať ani uhol (číslo), ani text (JZ) ale naozaj obrázok šípky.

Ukážka: takto by to vyzeralo naživo

Úloha 2:
Zoberte ľubovoľný iný senzor a zobrazte jeho hodnotu na stupnici s LED diód alebo ako ručičku, ktorou na stupnici hýbe motorček.
Jediný zádrhel v tejto úlohe spočíva v tom, že musíte správne pretransformovať rozsah daného snímača do rozsahu LED pásiku alebo motorčeka.

Ak vám program funguje, spravte scresnshot, zachytávajúci váš program aj samotný microbit a odovzdajte ho ako riešenie tejto úlohy v Classroome.

Ukážka: takto by to vyzeralo naozaj s LED pásikom a takto so servomotorčekom

Termín: ihneď po cvičení, najneskôr však 29.11.

Snímač tlaku

Výstup:
číslo -- tlak na tlačidlo - 0 (nestlačené) a 1 (silný tlak, stlačené).

Aj keď sa to na prvý pohľad nezdá, obyčajné tlačidlo je tiež senzorom. Môže indikovať dosiahnutie nejakej hraničnej polohy, prípadne naozaj aj tlak cez nejaký prevodový mechanizmus. Žiaľ, má len dva stavy - 0 a 1 a teda nie veľkú presnosť.

Pozn.: Nemôžeme priamo zobraziť stav tlačidla, pretože "premenná" button A is pressed je boolovského typu, teda má len hodnoty true a false, pričom funkcia show number potrebuje ako argument číslo. Preto je v programe jednoduchý test if-then-else, ktorým sa pridadí do premennej potrebné číslo.

Snímač teploty

Výstup:
číslo -- teplota od -5 po +50 (nekalibrovaný odhad).

Mikropočítač micro:bit vlastne nemá špecializovaný snímač teploty okolia. Hodnota, ktorú zobrazuje nasledovný program je odvodená z interného snímača teploty, ktorý meria teplotu jadra procesora. Keďže procesor nie je našimi programami veľmi zaťažený a je to relatívne výkonný ARM procesor, pri činnosti sa veľmi neohrieva a preto je keho teplota celkom dobrou aproximáciou teploty okolia. Snímač teploty má vysoké rozlíšenie (t.j. je schopný detekovať aj zmeny o desatiny stupňa), ale nie je kalibrovaný, preto môže detekovať trebárs 20 stupňov hoci teplota je v skutočnosti len 17. Napriek tomu je však dostatočne citlivý a reaguje aj na malé zmeny teploty.

Snímač intenzity svetla

Výstup:
číslo -- intenzita osvetlenia od 0 (tma) po 255 (silné svetlo).

Funkcia:
Mikropočítač micro:bit nemá žiaden špeciálny senzor na snímanie intenzity osvetlenia. Ako je možné, že teda svetlo meriame? Používa na to LED diódy maticového displeja v reverznom zapojení, kedy využívame náboj na P-N priechode v závernom smere. Jeho množstvo je ovplyvnené dopadajúcim svetlom a množstvo náboja potom vieme odmerať nepriamo ako čas potrebný na vybitie parazitného kondenzátora na priechodne. Táto "finta" sa používa už dlho. LED diódu pri tom používame oboma spôsobmi - najprv výstup mikroprocesora privedie napätie na LED, ktorá sa rozsvieti. Potom mikrokontrolér zmení smer na vstupný a meria čas, kým napätie na prechode LED diódy nekleesne pod referenčnú hodnotu. Tento čas je zhruba úmerný množstvu svetla dopadajúcemu na PN prechod.

Pre záujemcov o podrobnejšie vysvetlenie:

Snímač magnetického poľa

Výstup:
číslo -- smer od 0 po 359.

Ako snímač intenzity magnetického poľa je použitý špeciálny čip MAG3110. Na doštičke sa nachádza v ľavej zadnej časti.

Pred použitím senzora je potrebné vykonať jeho kalibráciu, vtedy sa na displeji zobrazí správa "Draw a circle!" Doštičkou treba opísať kruh a po ukončení kalibrácie sa spustí aplikačný program.

Hodnota nameranej veľkosti magnetického poľa je najprv prepočítaná do vodorovnej roviny a potom je výsledná hodnota v stupňoch z intervalu 0 a 359 prístupná cez "premennú" compass heading.

MAG3110: Freescale High Accuracy, 3-Axis Magnetometer

Ako snímač intenzity magnetického poľa je použitý špeciálny čip MAG3110. Je to digitálny trojosový magnetický snímač s nízkou spotrebou a širokým dynamickým rozsahom.

Snímač meria jednotlivé zložky (x-, y- a z-) lokálneho magnetického poľa, ktoré je tvorené predovšetkým magnetickým poľom zeme a zároveň súčtom vplyvov od všetkých komponentov na doske plošného spoja a v jeho okolí. V spojení s akcelerometrom (informácia o natočení a polohe) poskytuje informáciu o natočení voči zemskej osi pričom nie je nevyhnutné udržiavať ho vo vodorovnej polohe ako bežný kompas. Meranie vo všetkých troch osiach umožňuje kompenzovať náklon senzora. Samozrejme, že pri meraní nesmú byť v okolí iné silné zdroje magnetického poľa. K mikroprocesoru na doske je pripojený cez komunikačné rozhranie I2C a je schopný merať magnetické polia do hodnoty 10 Gauss s opakovacou frekvenciou 80 Hz.
(viac info...)

Akcelerometer

Výstup:
Číslo - zrýchlenie vo zvolenej osi (x-, y- alebo z-) v mg v intervale +/-1023. Zrýchlenie 1g zodpovedá zemskej gravitácii. Ak je doštička položená vodorovne displejom nahor, tak x=0, y=0 and z=-1023.

Okrem toho máme možnosť softvérovo rozpoznávať nasledovné pohyby (gestá): up, down, left, right, face up, face down, freefall, 3g, 6g, 8g, shake. V praxi sa akcelerometre používajú napríklad na

detekciu otrasov a seizmickej aktivity
v autopilotoch na lodiach
v navigačných systémoch
stabilizáciu dronov
stabilizáciu otrasov kamery
detekciu nárazov a aktiváciu airbagov

Akcelerometer, alebo snímač zrýchlenia, je špeciálny čip, ktorý meria zrýchlenie v troch osiach (x-, y- a z-). K procesoru je pripojený cez zbernicu I2C.

Typ             MMA8653FC
Rozsah 	 3 osi, rozsahy ±2g/±4g/±8g
Rozlíšenie  	 10 bitov (0..1023)
Citlivosť       1 mg / LSB
Max. rýchlosť   800Hz
Spotreba        7 uA

Viac informácií...

Keďže podľa všeobecnej teórie relativity nevieme rozlíšiť účinky zrýchlenia a gravitácie, tak aj tento senzor nerozlišuje medzi gravitačným a mechanickým zrýchlením. Vyskúšajte si, že ak je senzor kolmo na podlahu, tak zložka g je nulová, zatiaľ čo pri pootočení o 90 stupňov nameriate vždy presne 1g.

Doplnky

Šipky

Aby ste sa nemuseli trápiť s vykreslovaním všetkých 8 šípok, použite blok SHOW ARROW z knižnice BASIC

Servo motorček

Servo motorček sa netočí stále dokola, ale nastaví svoj mechanizmus do polohy v rozsahu 0 až 180° podľa toho, aký parameter uvediete. Výhodou je, že model serva automaticky pribudne aj v simulátore, takže si ho viete vyskúšať aspoň teoreticky. Pripojenie môže byť na ľubovoľnom z výstupov P0 až P3. Riadiaci blok pre servo nájdete v knižnici PINS (je zbalená pod Advanced).

LED pásik

LED pásik je ďalšia zaujímavá periféria, ktorá sa dá použiť aj v simulátore.

Aby ste ho mohli používať, musíte najprv pridať knižnicu Neopixel.

Použitie je potom už jednoduché. Príkaz SHOW BAR GRAPH rozsvieti pomernú časť zo zadaného rozsahu na LED pásiku.

Zmena rozsahov

Zmena rozsahov, tak aby vám aj pri minimálnej aj pri maximálnej hodnote zo senzora zobrazil displej alebo LED pásik alebo motorček to čo potrebujete sa dá spraviť rozličným spôsobom. Ale asi najjednoduchšie je to pomocou bloku MAP, ktorý nájdete v MATH knižnici. Vysvetľujúci obrázok snáď pomôže.