Spis treści:
- 1 Początki z Arduino - poradnik dla majsterkowiczów w wieku wczesnoszkolnym
- 2 Arduino, czyli od czego zacząć naukę programowania
- 3 Czym jest Arduino?
- 4 Jak działa płytka Arduino?
- 5 Czego będziemy potrzebowali?
- 6 Pomocnicze narzędzia warsztatowe
- 7 Arduino - wyprowadzenia: wejścia i wyjścia
- 8 Zanim zaczniemy...
- 9 Arduino dla dzieci - przykładowy projekt na początek - koncepcja
- 10 Przykładowy kod programu na Arduino
- 11 Po pierwsze - bezpieczeństwo!
Początki z Arduino - poradnik dla majsterkowiczów w wieku wczesnoszkolnym
Platforma Arduino to niepozorna, mała płytka, która oferuje wielkie możliwości. Umożliwia realizację najróżniejszych projektów, niezależnie od umiejętności czy wieku użytkownika. Niniejszy artykuł jest wprowadzeniem w świat Arduino szczególnie z myślą o tych, którzy przejawiają zainteresowania techniczne już od pierwszych lat swojego życia.
Arduino, czyli od czego zacząć naukę programowania
Człowiek może wchodzić w świat rozmaitych zainteresowań w zasadzie na każdym etapie swojego życia ziemskiego. Dotyczy to również wieku wczesnoszkolnego, kiedy to w umyśle takiego człowieka bardzo często pojawiają się pierwsze odpowiedzi na pytanie pt. “Kim chcę być w przyszłości”, przede wszystkim w kontekście pracy zawodowej. Zwykle jest to związane z przeżywanymi przez dziecko fascynacjami określonym zawodem lub dziedziną zainteresowań. Zauważając takie tendencje u dzieci, warto pomóc im małymi kroczkami pomóc wkraczać w ten świat, poprzez użycie odpowiednich do tego celu narzędzi.
I tak, jeśli dzieci przejawiają zainteresowania techniczne, to z uwagi na coraz bardziej częsty udział elektroniki i informatyki w wielu dziedzinach nauki i techniki, bardzo dobrym pomysłem jest pokazanie dzieciom Arduino – narzędzia, z którego korzystają ludzie o silnie zróżnicowanych umiejętnościach technicznych – zarówno początkujący bez wcześniejszego praktycznego doświadczenia, jak również zawodowi projektanci, którzy zjedli zęby na pisaniu kodu źródłowego i projektowaniu układów elektronicznych.
Czym jest Arduino?
W ogólnym zarysie, Arduino jest ekosystemem, który obejmuje sprzęt i oprogramowanie dystrybuowane na licencji open-source. W skład warstwy sprzętowej wchodzą płytki bazowe z mikrokontrolerem (programowalnym układem elektronicznym) oraz osprzęt zewnętrzny w postaci licznych akcesoriów i rozszerzeń. Natomiast warstwę programową stanowi zintegrowane środowisko programistyczne – Arduino IDE, w którym tworzymy kod programu, często z wykorzystaniem gotowych bibliotek pomocniczych umożliwiających obsługę konkretnego rozszerzenia sprzętowego, np. wyświetlacza LCD lub czujnika do pomiaru temperatury. O popularności i szerokim zakresie zastosowań Arduino świadczy liczna społeczność użytkowników w internecie, a także nieustannie rozrastające się repozytorium projektów, które każdy użytkownik może za darmo pobrać, a także poddać modyfikacjom i udostępnić innym użytkownikom.
Jak działa płytka Arduino?
Najprościej ujmując, zasada działania ekosystemu Arduino polega na tym, że w pierwszej kolejności tworzymy kod programu w środowisku Arduino IDE, a następnie wgrywamy go do pamięci mikrokontrolera, umieszczonego na płytce sprzętowej. Teraz każdorazowo po włączeniu zasilania płytki, będzie się odbywała realizacja kodu programu wgranego do pamięci. Interakcja kodu programu ze światem fizycznym będzie zależeć także od elementów osprzętu zewnętrznego, podłączonego do wyprowadzeń płytki. Tymi elementami mogą być np. przyciski i diody LED. W ten sposób, możemy utworzyć program, który np. będzie powodował zaświecenie diody LED inicjowane krótkim naciśnięciem przycisku oraz jej zgaszenie po kolejnym naciśnięciu przycisku. Możemy także dokonać pewnej ,,automatyzacji”, np. zastępując przycisk czujnikiem światła, który pod wpływem dostatecznego zaciemnienia w pomieszczeniu będzie wyzwalał zaświecenie diody LED oraz jej zgaszenie, kiedy w pokoju będzie odpowiednio jasno, tzn, zgodnie z wartością progową zadeklarowaną wcześniej w kodzie programu.
Czego będziemy potrzebowali?
Wbrew pozorom, aby tworzyć niesamowite rzeczy w oparciu o Arduino już w wieku kilku lat, nie będzie potrzeba wiele rzeczy. Oprócz dobrych chęci, na pewno będzie potrzebna płytka Arduino – najbardziej popularnym wyborem jest model Arduino UNO R3, który jest często klonowany przez wielu innych producentów. Nie musimy jednak koniecznie kupować oryginalnego Arduino – możemy także nabyć płytkę kompatybilną z Arduino w niższej cenie. Aby mieć pewność, że kupujemy sprawdzony towar, warto sprawdzić, czy jest on dostępny na stronie oryginalnego producenta i posiada zadeklarowaną zgodność z oryginalnym Arduino.
Przy realizacji pierwszych, najprostszych projektów, ale także tych o wyższym stopniu zaawansowania, zdecydowanie przydadzą się dodatkowe elementy, w postaci płytki stykowej, przewodów połączeniowych, diod LED, rezystorów, potencjometrów, tranzystorów, przycisków, a także czujników. Aby uruchomić płytkę Arduino, musimy jej także dostarczyć napięcie za pośrednictwem portu USB (przy komunikacji z komputerem) lub zasilacza sieciowego, który podaje napięcie stałe z zakresu 7V – 12V (kiedy używamy płytki Arduino poza komputerem, np. już w projekcie docelowym).
Nieodzownym elementem przy zabawie z Arduino, jest także komputer – to właśnie na nim będziemy tworzyli kod programu na potrzeby naszego projektu. Arduino oraz kompatybilne z nim klony, mogą współpracować zarówno z komputerami klasy PC z systemem operacyjnym Windows jak i komputerami Apple Macintosh z systemem operacyjnym MacOS.
Pomocnicze narzędzia warsztatowe
Większość małych projektów tworzonych w oparciu o płytki Arduino, najmłodsi użytkownicy mogą wykonać bez użycia narzędzi warsztatowych, poprzestając tylko na płytce stykowej i przewodach połączeniowych. Jednak jeśli Twoje dzieci chcą być nieco bardziej kreatywne, wówczas warto im sprezentować kilka narzędzi pomocniczych.
W miarę rozwijania zainteresowania elektroniką, z pewnością przyda się lutownica kolbowa, która nie jest zbyt drogim narzędziem, choć należy pamiętać o nadzorowaniu dzieci podczas jej używania, ze względu na ryzyko poparzenia przy nieostrożnym operowaniu tym narzędziem. Lutownica okazuje się być bardzo przydatnym narzędziem, zwłaszcza przy tworzeniu bardziej rozbudowanych projektów, które wykraczają poza obszar standardowej płytki stykowej. Pomocnym dodatkiem jest także statyw z klipsami (tzw. ,,trzecia ręka”) do przytrzymywania płytek PCB. Podczas lutowania przydają się także szczypce boczne, za pomocą których możemy przycinać przewody oraz nadmiary wyprowadzeń elementów.
Jeśli by podczas montażu prototypu okazało się, że na płytce prototypowej PCB zabrakło miejsca, a resztę elementów musimy dolutować ,,w powietrzu”, wówczas możemy ten problem łatwo rozwiązać na pomocą pistoletu klejowego. Klej na gorąco umożliwia ustabilizowanie elementów bez ryzyka roztopienia punktów lutowniczych, ale w dalszym ciągu podczas operowania pistoletem klejowym należy zachować wzmożoną ostrożność – dysza wylotowa takiego pistoletu nie rozgrzewa się do tak wysokiej temperatury jak grot lutownicy, ale w dalszym ciągu jest na tyle gorąca, że jej dotknięcie może spowodować oparzenia.
Arduino - wyprowadzenia: wejścia i wyjścia
Wyprowadzenia umieszczone wzdłuż dłuższych boków płytki Arduino, obejmują wejścia i wyjścia. Za ich pomocą, zewnętrzne urządzenia i elementy współpracujące, komunikują się z mikrokontrolerem umieszczonym na tej płytce. Wyprowadzenia wejściowe są przeznaczone do przesyłania informacji do Arduino, zaś poprzez wyprowadzenia wyjściowe, Arduino wysyła informacje do urządzeń zewnętrznych, które są z tą płytką połączone. Przykładowymi elementami wejściowymi, które mogą współpracować z Arduino, są czujnik temperatury, przycisk, czujnik światła, czujnik tętna i czujnik wilgotności gleby.
Wszystkie te elementy w zależności od swojej budowy, reagują na konkretne zjawiska fizyczne, które przetwarzają na sygnały elektryczne wysyłane do Arduino i odpowiednio przetwarzane zgodnie z kodem programu. Natomiast poprzez wyjścia Arduino, mikrokontroler umiejscowiony na płytce wysyła informacje do zewnętrznych modułów, jako wynik zaistniałego zdarzenia. Przykładami takich komponentów wyjściowych, które są powszechnie używane przez dzieci rozpoczynające naukę z Arduino, są diody LED, serwomechanizmy, przekaźniki, a także buzzery. Wszystkie te i podobne elementy, wykonują czynności zgodnie z ich przeznaczeniem, w odpowiedzi na polecenia wydawane z pokładu płytki Arduino.
Zanim zaczniemy...
…w pierwszej kolejności warto zrobić swoim dzieciom wprowadzenie teoretyczne, które tłumaczy wszelkie zagadnienia praktyczne w przystępny sposób. Z tego względu, należy przekazać dzieciom takie informacje jak zasada działania Arduino i relacje pomiędzy wejściami i wyjściami oraz opracowanie planu pierwszego projektu. Kluczowe jest omówienie poszczególnych etapów projektu. Dopasowujemy każdy komponent, a następnie analizujemy koncepcję projektu. Następnie, gdy już to zrobimy, pozostaje nam tylko przerobić to, co właśnie zrobiliśmy i o czym mówiliśmy, na kod programu.
Po napisaniu kodu programu, istnieje możliwość napotkania drobnych problemów, ale jeśli zaczniemy będziemy realizować etapy naszego projektu w sposób krok po kroku, wówczas wszystko będzie szło łatwiej.
Arduino dla dzieci - przykładowy projekt na początek - koncepcja
Rozpoczynając przygodę z Arduino, warto zdecydowanie sięgnąć po najprostsze projekty, które w sposób elementarny pokazują interakcję kodu programu z osprzętem zewnętrznym. Dobrym projektem na początek, jest model miniaturowej lampki nocnej, która jest załączana i wyłączana automatycznie, odpowiednio do poziomu zaciemnienia w pokoju. Elementami zewnętrznymi w tym projekcie, jest dioda LED (symbolizująca lampkę nocną) oraz czujnik światła (np. fotorezystor z potencjometrem dostrojczym).
Przykładowa koncepcja w oparciu o którą należy stworzyć kod programu dla tego projektu brzmi następująco: Czujnik sprawdza naświetlenie pomieszczenia co 60 sekund. Jeśli naświetlenie w pomieszczeniu jest poniżej ustawionego progu, należy zaświecić światło oraz zgasić światło, kiedy naświetlenie osiągnie lub przekroczy ustawiony próg.
Na tej podstawie, dzieci mogą szybko zrozumieć zasadę działania wejść i wyjść Arduino i tworzyć coraz bardziej zaawansowane projekty, np. podlewaczkę roślin wyzwalaną czujnikiem wilgotności. Nowe wyzwania sprzętowe to także jeszcze bardziej zaawansowane kody programów. Dlatego tak ważne jest opanowanie podstawowych instrukcji zawartych w kodzie programu w środowisku Arduino IDE.
Przykładowy kod programu na Arduino
Częścią, która może sprawić najwięcej trudności przy realizacji projektu, może okazać się pisanie kodu programu, ale jest to także element, na którym można się sporo nauczyć – zwłaszcza na błędach oraz jak ich nie popełniać. Jednym z najprostszych kodów programów jest program sterujący miganiem diody LED, która jest wbudowana fabrycznie w płytkę Arduino.
Kod programu:
//Program migajacy wbudowana dioda LED
void setup() //ustawienie poczatkowe programu
{
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT); //pin LED_BUILTIN jako wyjscie
}
void loop() //petla programu
{
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); //wlaczenie diody LED
delay(1000); //odczekanie jednej sekundy
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); //wylaczenie diody LED
delay(1000); //odczekanie jednej sekundy
}
Powyższy kod programu, jest rozpisany na dwie sekcje – “Setup” i “Loop”. Zawartość sekcji “Setup” jest wykonywana pojedynczo, przy każdorazowym włączeniu zasilania lub resetowaniu Arduino. Natomiast sekcja “Loop” jest powtarzana i wykonywana w pętli przez cały czas, kiedy płytka Arduino jest zasilana. Bardziej zaawansowane programy obejmują m.in. warunki i biblioteki obsługujące zewnętrzne moduły, np. wyświetlacz LCD.
Po pierwsze - bezpieczeństwo!
Nauka prototypowania urządzeń elektronicznych i programowania w oparciu o platformę Arduino, to bardzo dobry sposób na wprowadzenie dziecka w świat tajników otaczającej nas technologii. Jeśli nie wszystko wychodzi za pierwszym razem, nie należy się zrażać, tylko cierpliwie przejść ponownie poprzez proces twórczy aż do uzyskania zamierzonego rezultatu. Jednak najbardziej istotną rzeczą w tym wszystkim, jest zachowanie bezpieczeństwa – podczas zabaw z Arduino, nie należy zostawiać dzieci bez nadzoru, z uwagi na możliwość oparzenia rozgrzaną lutownicą lub pistoletem klejowym, a także możliwość połknięcia drobnych elementów.
Z tego względu, zanim przystąpimy z naszymi dziećmi do realizacji zadań praktycznych z wykorzystaniem Arduino, niezbędne jest zapoznanie dzieci z organizacją bezpiecznej pracy. Podczas zabawy pamiętajmy także, aby sprawdzać, czy wszystkie elementy zostały prawidłowo połączone, począwszy od zasilania płytki. Nieprawidłowo podłączone zasilanie, może spowodować nawet trwałe uszkodzenie płytki Arduino jak i komputera współpracującego.
