Kurikulum S 

Autor/autoři: Ing. Josef Kovář

Škola: Střední průmyslová škola Zlín, Třída T. Bati 4187, 760 43 Zlín

www.spszl.cz

 

Uplatnění projektu:

• obor vzdělání: 26-41-M/01 Elektrotechnika, 78-42-M/01 Technické lyceum
• ročník: 3., 4.
• oblast/oblasti vzdělávání: matematické vzdělávání, přírodovědné vzdělávání (fyzika), vzdělávání v informačních a komunikačních technologiích

-          v oboru elektrotechnika odborné vzdělávání, obsahové okruhy elektrotechnický základ, elektrotechnika, elektrotechnická měření, technické kreslení

-          v oboru technické lyceum odborné vzdělávání, obsahové okruhy technická fyzika, aplikovaná matematika, grafická komunikace a průmyslový design

• základní vyučovací předmět; příp. mezipředmětové vztahy:

-          v oboru elektrotechnika vyučovací předměty mikroprocesorová technika, automatizace, číslicová technika

-          v oboru technické lyceum vyučovací předměty elektrotechnika, automatizační technika, stavba a programování mikropočítačů

 

Cíle projektu (základní idea/záměr žákovského projektu):

Žák (žáci) se naučí zpracovávat návrhy algoritmů, zpracovávat informace ze snímačů, využívat posuvné registry, programovat jednočipové mikropočítače podle navržených algoritmů, naučí se ovládat a řídit regulované soustavy.

Rozvíjet vědomosti a dovednosti žáků:

• navrhovat algoritmy pro řízení složitější světelné křižovatky;
• programovat jednočipové mikropočítače;
• propojit vzájemně mikropočítače a řešit jejich komunikaci;
• připojit snímače k mikropočítači a porozumět jejich činnosti;
• připojit výstupy k mikropočítači a bezchybně je ovládat.

 

Anotace:

Projekt se zabývá zpracováním návrhu modelu světelné křižovatky s železničním přejezdem. Přejezd vlaku je řízený samostatným mikropočítačem, a to náhodně na základě generování náhodných čísel. Křižovatka obsahuje snímače přítomnosti aut, aby bylo možné nastavit různé režimy řízení. V rámci projektu je nutné navrhnout elektroniku pro vstupy a výstupy jednočipovému mikropočítači I51 a pro napájení vlaku. Navržený program je napsaný v jazyce symbolických adres ASM I51.

 

Klíčová slova:

jednočipový mikropočítač, posuvný registr, Hallova sonda, optický snímač, křižovatka, asembler

 

Typ projektu:

• délka realizace: 4 měsíce při maturitní zkoušce, jinak délka záleží na vyučujícím, který projekt zadává
• dle počtu zúčastněných: individuální i skupinový, projekt se dá rozdělit do několika částí, které mohou řešit jak jednotlivci, tak i skupiny
• dle místa realizace: školní (laboratoř automatizace)

 

Výstup projektu:

• Návrh regulované soustavy
• Zapojení jednočipového mikropočítače do soustavy
• Návrh algoritmů a programů
• Vyhodnocení získaných informací
• Návrh dalších možností rozvoje projektu
• Modul, který mohou další žáci využívat při výuce
• Obhajoba a prezentace návrhu a realizace modulu

 

Obsah projektu:

• Snímače přítomnosti: optické snímače, Hallovy sondy
• Posuvné registry: ovládání a zapojení
• Návrh modelu křižovatky a jeho praktická realizace
• Návrh elektronických obvodů a plošných spojů pro vstupy a výstupy
• Připojení obvodů k mikropočítači
• Návrh algoritmů a napsání programů

 

Realizace a organizační zajištění projektu:

Projekt se realizuje v laboratoři automatizace. Výsledný model bude sloužit pro procvičování řízení a programování jednočipových mikropočítačů žáky.

U projektu je důležité odhadnout schopnosti žáka: do jaké je míry je žák schopný samostatně pracovat a zda stačí jej navádět, nebo je nutné jej neustále kontrolovat a určit termín, do kdy zadaný úkol musí splnit. Pokud je nutný harmonogram prací (v případě rozdělení projektu na několik částí určitě ano), pak tento harmonogram zpracuje učitel.

Prvním krokem po zadání projektu je diskuze mezi žákem a zadávajícím (v tomto případě i konzultantem), co všechno musí žák vyřešit.

 

Realizace projektu se uskutečňuje v těchto krocích:

1. Zpracování návrhu světelné křižovatky (žák konzultuje s vyučujícím, jak bude vypadat model křižovatky a následně narýsuje výkres ve skutečné velikosti).

-          Zpracování návrhu křižovatky s vlakovým přejezdem (viz příloha, obr. 11).

-          Realizace křižovatky: vyrobení dřevěného modelu (může vyrobit žák sám, nebo si jej nechá vyrobit ve školních dílnách) s umístěním snímačů, křižovatkových světel a kolejiště (viz příloha, obr. 12).

-          Návrh a realizace elektroniky: výběr vhodných číslicových obvodů (konzultace s vyučujícím, který má větší přehled), návrh plošných spojů, osazení a praktické ověření plošných spojů (vyučující pomáhá v případě, kdy žák nemůže najít chybu), (viz příloha, obr. 1 až 7).

-          Ověření činnosti snímačů: žák připojí snímače k navržené elektronice a ověří pomocí měřicích přístrojů, zda snímače předávají správné signály.

-          Ověření navrženého modulu výstupů: žák připojí modul výstupů ke zdroji impulzů a bude sledovat pomocí měřicích přístrojů, zda se informace dostávají na správné výstupy (vyučující pomáhá v případě, kdy žák nemůže najít chybu).

-          Propojení soustavy s mikropočítačem: žák fyzicky propojí sestavenou a ověřenou elektronickou část s mikropočítačem (viz příloha, obr. 13), navrhne jednoduché testovací programy a ověří správnost celého zapojení.

1. Zapojení jednočipového mikropočítače do soustavy (vyučující stanoví základní požadavky na obsluhu křižovatky, žák je může doplnit).

-          Stanovení požadavků z hlediska činnosti světelné křižovatky.

-          Návrh algoritmů a programů pro řízení křižovatky a jejich ověření na modulu křižovatky (viz příloha, obr. 14).

 

1. Návrh elektroniky a algoritmu pro ovládání jízdy vlaku.

-          Výběr mikropočítače (pomůže vyučující, má více znalostí).

-          Návrh elektronického zapojení napájení vlaku a jeho ovládání (pomůže vyučující), (viz příloha, obr. 8 až 10).

-          Návrh algoritmu a programu pro náhodná čísla.

-          Ověření programu na modulu křižovatky.

1. Vyhodnocení projektu.

-          Ověření správnosti algoritmů pro řízení křižovatky.

-          Zpracování celkového závěru, posouzení úspěšnosti projektu.

1. Zpracování návrhu dalších možností rozvoje projektu.

-          Navržení připojení modulu k PLC (programovatelný automat – Programmable Logic Controler).

-          Návrh připojení modulu k PC jeho vizualizace a ovládání z PC.

 

Nutné prostředky pro řešení projektu:

Aby mohl být projekt realizován, je nutné, aby v laboratoři ve škole byly tyto prostředky:

• modul – jednočipový mikropočítač na bázi SAB 80C517A (odvozený od I51) se čtyřmi použitelnými V/V porty
• deska pro návrh plošného spoje
• vrtačka, páječka a pájka
• programové vybavení pro návrh plošného spoje
• programové vybavení pro návrh programu v ASM I51, jeho odladění a simulaci
• měřicí přístroje, osciloskop
• program MULTISIM pro návrh obvodů a jejich ověření v simulaci
• stavebnice DOMINOPUTER pro zapojení navržených obvodů a jejich ověření
• optický snímač OMRON E3F2-DS10B4-N 2M

Nákup součástek v celkové hodnotě cca 250 Kč:

• Hallovy sondy TLE4905 L
• Posuvný registr 74HC595

Výše uvedené prostředky jsou v základním vybavení laboratoře nebo dílen, nebo existují jiné, srovnatelné.

 

Vyhodnocení výsledků a hodnocení žáků:

Hodnocení žáka

Žák po celou dobu spolupracuje s vedoucím a zadavatelem projektu. Protože se jedná o školní projekt, je zadavatelem a vedoucím práce učitel automatizace. Konzultantů může být více. Např. učitel automatizace, učitel elektroniky, učitel mikroprocesorové techniky. Vyhodnocení projektu je záležitostí školy. Záleží na tom, jak byl projekt zadaný. Může to být pouze učitel automatizace, pokud jde o zadání v rámci výuky, ale také odborné komise, pokud se jedná třeba o soutěž.

Vyhodnocení výsledků projektu

Řešení projektu pomůže žákovi rozvinout tvůrčí schopnosti. Naučí se navrhnout několik možností řešení, ověřit je v praxi a vybrat to nejvhodnější. Naučí se potýkat se s problémy, neustupovat, ale snažit se najít nové řešení, i když to vždy při jeho základních znalostech není snadné. Zde je právě důležitá úloha konzultanta, který musí správným způsobem zasáhnout, povzbudit, poradit, najít příčinu současného nezdaru a navést žáka na jiné řešení problému. Postupným zpracováním projektu získá žák hluboké znalosti v návrhu plošných spojů, algoritmizaci programů. Zjistí, že není možné jen si sednout a začít psát program, ale že musí dopředu propracovat posloupnost řešení. Naučí se tak systémovému přístupu při zpracovávání úloh. Neméně důležitou částí je spojení teorie (vyhledávání informací) s praxí.

 

Použitá literatura a jiné zdroje:

• pro řešitele projektu (pro žáky): Zdroje jsou stejné pro žáka i vyučujícího. V zadání a popisu tohoto projektu nejsou uvedeny žádné citace z literatury. Ty jsou použity až při vypracování vlastního projektu a jsou použity níže uvedené odkazy.
• použitá autorem při tvorbě/přípravě:

-          Matoušek, David. Práce s mikrokontroléry ATMEL AT89C2051. 2. vydání. Praha. BEN- technická literatura, 2002. 251 s. ISBN 80-7300-094-6.

-          Kovář, Josef. MIT_3. , 2007. Dostupný z WWW: <https://www.spszl.cz/modules/wfdownloads/viewcat.php?cid=9>. s. 29.

-          Hanulík, Stanislav. Cit2. [s.l.] : [s.n.], 2008. 14 s. Dostupný z WWW: https://www.spszl.cz/modules/wfdownloads/singlefile.php?cid=6&lid=259

-          https://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/MC54HC595.pdf

-          https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/80170/INFINEON/TLE4905.html

-          https://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/BC637.pdf

-          https://www.datasheetcatalog.org/datasheet/philips/BC558.pdf

-          https://www.limasoft.cz/omron/pdf/E3F2_cz.pdf

-          https://www.datasheetcatalog.org/datasheet/motorola/74HC164.pdf

 

Přílohy a poznámky:

Příloha k projektu, podpůrné materiály vytvořené autorem (vyučujícím), jsou k dispozici v elektronické podobě na CD, projekt č. 23.

 

Reflexe projektu (co se dělo, jaký to má význam) pro rozvoj klíčových kompetencí:

Kromě odborných kompetencí rozvíjí žák při řešení projektu řadu klíčových kompetencí v rovině vědomostí, dovedností a postojů. Podílí se na plánování a realizaci činností. Žák pracuje s internetem, s informačními zdroji, vyhledává informace, třídí je, zpracovává a posuzuje – výrazně tak směřuje k rozvoji kompetencí pracovat s informacemi a využívat prostředky informačních a komunikačních technologií. Při zpracování návrhů a postupu řešení odborného problému dochází k rozvoji kompetencí k řešení problémů. Při řešení projektu dochází i k aplikaci průřezových témat Člověk a svět práce a Informační a komunikační technologie.

 

Komentář:

Obsah projektu je možné modifikovat. Celý projekt je variabilní. Může jej zpracovávat jen jeden žák, ale může na něm pracovat i skupina několika žáků. Projekt lze rozdělit na několik částí, které budou na sebe navazovat. Může se jednat o tyto „dílčí“ projekty:

• Návrh křižovatky se základní elektronikou a její praktické ověření všech funkcí (vstupy snímačů a výstupy pro ovládání křižovatky).
• Výběr mikropočítače pro řízení jízdy vlaku, návrh algoritmu a sestavení programu pro jízdu vlaku.
• Zapojení mikropočítače k modelu křižovatky a návrh algoritmů a zpracování programů pro její řízení.
• Následná úprava modelu tak, aby šel připojit k jiným řídícím počítačům, třeba k PLC.
• Připojení celé soustavy k PC, vizualizace a řízení z PC.

Hotový model lze nadále využívat v laboratoři pro výuku programování mikropočítačů a ovládání regulovaných soustav.