Pojďme programovat elektroniku | Stavebnice

Pojďme programovat elektroniku: Zpět ke kořenům, aneb stavebnice R&S ESK15R

  • Dnes nenapíšeme ani řádek kódu
  • A přesto postavíme detektor zaplavení
  • Pohrajeme si se školní stavebnicí

Na internetu dnes seženete nepřeberné množství návodů a hravých nástrojů, jak děti nadchnout pro základní principy programování počítačů, aniž by napsaly jediný řádek kódu v některém z velkých jazyků. S tímto základem pak později mnohem snadněji proniknou do světa, který podle mnoha analytiků bude v příštích desetiletích stejně potřebný pro špičkové uplatnění jako znalost světových jazyků.

Ačkoliv jsme se v našem seriálu doposud věnovali především základům programování a hardware jsme brali jako cosi, co se prostě snadno zapojí do sebe jako Lego a „nějak“ to funguje, dnes bych rád připomenul, že znalost toho, jak pracují jednotlivé součástky polovodičové elektroniky, je pro skutečné pochopení, co se sakra uvnitř toho mého obvodu právě děje, naprosto nezbytná.

Ostatně programování jednoduchých mikrokontrolerů, které díky armádě senzorů změří teplotu, sepnou 230V lampu nebo třeba spustí čerpadlo v bazénu na zahradě, pokud teplota ohřáté vody kdesi v kolektoru na střeše přesáhne požadovanou hodnotu, není ničím jiným než aplikováním základních logických pravidel tranzistorů na vyšší celky.

Hradla, volty, jednočipy

Martin Malý letos díky CZ.NIC vydal skvělou knihu Hradla, volty, jednočipy, která by měla být pro každého začínajícího bastlíře onou pomyslnou biblí, se kterou večer usíná. Některé kapitoly hutné pětisetstránkové knihy, která je k dispozici i v elektronické podobě, by pak měly být rovnou povinné před prvním nákupem některé z destiček Arduina. Martin totiž na příkladech vysvětluje základní principy elektroniky takovým způsobem, aby to pochopil i naprostý laik, který doposud doma vyměnil leda tak prasklou žárovku.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
500 stran bastlení v češtině. To chceš!

Když prolistujete pár stránek, instinktivně skončíte na eBayi a začnete objednávat balíčky tranzistorů a dalších základních součástek, abyste si ty příklady z knihy také vyzkoušeli.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Kniha je k dispozici i v elektronické podobě

Po hutném úvodu konečně k podstatě dnešního článku. V předchozích odstavcích jsem chtěl mírně naznačit, že pro výuku programování je stejně důležité, když škola vedle Arduina nakoupí i stavebnice, které nemají žádné pokročilé mikročipy a jediné co umí, je to, že rozvibrují bzučák a rozblikají diodu. To vše ale bez jediného sofistikovanějšího mikročipu a řádky kódu. Pěkně postaru zapojováním vodičů sem a tam.

Školní stavebnice ESK15R

Jednu takovou stavebnici jsem si na jaře zapůjčil od renomovaného německého výrobce Rhode & Schwarz, který je s trochou nadsázky jakýmsi Applem na poli profesionální měřící techniky. R&S nemohl chybět ani na nedávném veletrhu Amper, kde mě na jejich stánku mezi rozměrnými barevnými displeji chytrých osciloskopů a logických analyzátorů zaujala prostá šedá krabice s názvem Školní stavebnice ESK15R.

Klepněte pro větší obrázek
Školní stavebnice ESK15R na veletrhu Amper

Vyrobil ji tuzemský závod R&S ve Vimperku a už od pohledu skutečně připomíná primitivní stavebnice s žárovkami, které měli ti starší z nás v dětství. Dost možné sovětské provenience.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Plechová stavebnice má i solidní kryt, aby přežila školní hodinu i na opravdu divoké škole. Všimněte si dvou vestavěných multimetrů. Stavebnice má dva 9V zdroje (označené jako B1 a B2). Multimetry mohou měřit elektrické vlastnosti v jejich obvodech.

Stavebnice je napájena bateriemi a jedná se vlastně o pole samčích pinů, které můžete propojovat stejnými kabely, na které jste zvyklí ze světa Arduina, Raspberry Pi a dalších prototypovacích desek.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Detailní záběry na některé části stavebnice: Pole LED, tranzistorů, kondenzátorů/rezistorů a část stavebnice s jednou sedmisegmentovkou. Nastavováním logické 0 a 1 na pinech ABCD se postupně mění číslo na sedmisegmentovém displeji.

Každý pin patří některé součástce, které jsou na stavebnici zaznamenané pomocí standardních symbolů schématického zápisu elektrických obvodů. Součástí stavebnice je pak útlá cvičebnice s několika desítkami pokusů, takže v podstatě stačí drátky zapojit jednotlivé součástky přesně podle schématických nákresů v učebnici.

Stavebnice má k dispozici:

  • 10× rezistor 220Ω až 120kΩ
  • 1× potenciometr 25k/N
  • 3× pár kondenzátorů 4,7nF, 100nF a 100uF
  • 2× NPN tranzistor
  • 1× PNP tranzistor
  • 1× FET tranzistor
  • 1× stabilizátor LM317
  • 1x běžná Si dioda
  • 1× Zenerova dioda 5,6V
  • 1× dvojitý přepínač
  • 1× relé 6V
  • 1× operační zesilovač LM741
  • 2× LED
  • 1× žárovka 12V/50mA
  • 4× CMOS hradlo NAND 4011
  • 1× CMOS čítač 4029
  • 1× CMOS dekodér BCD a sedmisegmentový displej
  • 1× akustický piezoměnič –bzučák

Nenajdete tu opravdu žádný univerzální čip – vše, co stavebnice provede (a není toho málo), provede nikoliv díky programu, který napíšete, ale výhradně propojením součástek.

Školy, které nebudou mít hluboko do kapsy, pak mohou ke stavebnici přikoupit ještě osciloskop, který poslouží jako výstup některých experimentů. Stavebnice na to pamatuje a její součástí jsou propojovací kabely.

Cena není pro každého

Mimochodem, napsal jsem „hluboko do kapsy“ a toto slovní spojení je opravdu na místě, cena Školní stavebnice ESK15R totiž v podstatě diskvalifikuje všechny domácí zájemce – ti by se měli spíše podívat na eBay a další e-shopy, kde najdou principiálně podobné stavebnice za zlomek ceny R&S.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Cvičebnice s příklady je tou nejdůležitější součástí. Stavebnici stačí pomocí kabelů zapojit podle schématu konkrétního příkladu.

Přímo na českých stránkách stavebnice ESK15R cenu nenajdete – jen kontakt na prodejce. V katalogu jednoho z nich, brněnského SOS electronics, jsem ji konečně objevil a trošku mi vyrazila dech: 15 400 korun bez DPH. To je i přes renomé Rhode & Scharz přeci jen hodně a je to trošku škoda, podobná stavebnice by totiž měla být součástí každé hodiny fyziky na 2. stupni ZŠ a na středních školách včetně gymnázií. Možná by pak tento předmět, s pomocí nadšeného pedagoga, nepatřil spíše k těm méně oblíbeným.

Detektor unikající vody

Na závěr si pojďme konečně ukázat nějaký praktický úkol. V závěru cvičebnice jsem objevil sekci „Zapojení pro zábavu i poučení,“ což je i nevyslovené motto našeho seriálu. Zaujal mě hned první příklad, který byl dostatečně atraktivní, abych jej vůbec dokázal v článku nějak reprodukovat: Signalizace stavu hladiny!

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Základní popis detektoru zaplavení a schéma, které převedeme pomocí kabelů na stavebnici

Základní princip je jednoduchý. Dva drátky vedle sebe poslouží jako sonda. Zatímco ve vzduchu mezi nimi nebude protékat žádný proud, protože vzduch bude mít prakticky nekonečný odpor, když je ponoříme do běžné kohoutkové vody, díky směsi minerálů, iontů a solí klesne odpor na 100-500kΩ a začne protékat velmi slabý proud, který je na prvním tranzistoru zesílen a v dalším obvodu se poté periodicky nabíjí a vybíjí kondenzátor, přičemž elektrické pulzy, které dorazí do akustického piezoměniče, jej rozkmitají a ozve se hlasitý varovný tón.

Detektor zaplavení v akci:

Kdybychom měli třeba základní Arduino Uno a modul 5V bzučáku, stačí nám jen pár propojovacích kabelů a toto celé naprogramujeme na pár řádcích kódu. Bude to naprosto primitivní program. Když si však stejný obvod postavíme ze základních součástek, spíše pochopíme, co se vlastně odehrává i v samotném řídícím čipu Arduina Una, ATmega328p, který vlastně není ničím jiným než obrovským polem miniaturních tranzistorů a dalších pomocných polovodičových součástek.

Diskuze (26) Další článek: Trh s mobily je za zenitem, král pevně drží žezlo a nad Čínou září kometa

Témata článku: Hardware, Pojďme programovat elektroniku, Apple, Programování, Arduino, Stavebnice, Kód, Lego, Bastlení, Vzdělávání, Škola, Výuka, Hradlo, Miniaturní tranzistor, Slovní spojení, Analyzátor, Jediný řádek, Amper, Předchozí odstavec, Propojovací kabel, Logický analyzátor, Požadovaná hodnota, První tranzistor, Tranzistor, Šedá krabice


Určitě si přečtěte

Nejlepší hardware: Skládáme nenáročnou sestavu i extrém na hry

Nejlepší hardware: Skládáme nenáročnou sestavu i extrém na hry

** Poradíme, jaký se teď vyplatí koupit hardware ** Procesory, desky, paměti, grafické karty... je z čeho vybírat ** Počítač ale nemusíte skládat, ukážeme i výhodné hotové počítače

Stanislav Janů | 7

Byli tam! Důkazy o přistání na Měsíci, Lunochody i čínská sonda jsou vidět z vesmíru

Byli tam! Důkazy o přistání na Měsíci, Lunochody i čínská sonda jsou vidět z vesmíru

** Sonda LRO pořídila z oběžné dráhy Měsíce zajímavé snímky ** Jsou na nich vidět artefakty všech misí programu Apolla, které přistály na povrchu Měsíce ** Jde například o části lunárních modulů, rovery a dokonce i vlajky

Petr Kubala | 67



Aktuální číslo časopisu Computer

Nejlepší programy pro úpravu fotek zdarma

Externí disky pro zálohu dat

Velký test: herní notebooky

Srovnání 12 batohů