Remote-LAB GymKT

Úloha je postavena na měření odporů dvou základních elektronických součástek - platinového čidla a termistoru se zápornou charakteristikou - při různých teplotách. Pro zahřívání (resp. chlazení) obou součástek je použit Peltiérův článek, jehož výkon je regulován pulzní modulací. Odpor obou součástek je snímán operačním zesilovačem a pomocí dvojice AD převodníků převáděn do digitální podoby. Dvojice zkoumaných součástek je doplněna čidlem digitálního teploměru. Aktuální teplota je odečítána na displeji teploměru - v reálné úloze je čtena připojenou USB web kamerou.

Obslužné systémy jako je změna polarity Peltiérova článku a přepínání aktiv/stand-by režimu je zajištěno posílenými digitálními signály z obslužného PC. Komunikace aparatury a PC je prostřednictvím USB. K výše zmíněnému řízení aparatury je využita univerzální experimentální USB deska K8055

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Klasickou metodou měření velikosti horizontální složky zemského magnetického pole je metoda tangentové buzoly. Na začátku měření je cívka nastavena tak, aby její rovina souhlasila s rovinou magnetického poledníku a tím i se směrem magnetky. Začne-li pak cívkou protékat elektrický proud, vzniká v místě magnetky magnetické pole, jehož magnetická indukce je dána vektorovým součtem magnetického pole Země a magnetickým polem vytvořeným cívkou.

Úloha je postavena na porovnání zemské magnetické indukce a indukce vyvolané uměle pomocí tzv. Helmholtzových cívek. Ze znalosti „umělého“ magnetismu (resp. proudu cívkami) a vektorového součtu obou magn. indukcí je zjištěna hodnota horizontální složky magnetického pole Země v daném místě.

Vlivem pole cívky, jehož vektor magnetické indukce stojí kolmo na horizontální složku zemského magnetického pole, se magnetka vychýlí ze své původní polohy o určitý úhel φ a zaujme novou rovnovážnou polohu odpovídající směru celkové magnetické indukce. Úhel odklonu střelky od svého původního směru je odečítán uživatelem z webové kamery.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

V úloze lze vzájemně porovnat voltampérové charakteristiky (v propustném směru) červené, žluté, zelené, modré a bílé LED. Díky získání prahového napětí, lze určit šířku zakázaného pásma použitého polovodiče a vlnovou délku emitovaného světla. Princip měření této úlohy je založen na standardním postupu proměřování V-A charakteristiky obecného elektronického prvku. Pomocí proměnného zdroje měníme napětí na měřeném prvku (zde LED) a na ampérmetru, který je zapojen v obvodu, odečítáme velikost příslušného elektrického proudu.

V případě vzdáleného experimentu CecIL regulovaný zdroj a měřicí přístroje nahrazuje měřicí USB karta K8055. Digitálně-analogový výstup je proudově posílen a slouží jako regulovaný zdroj. Dvojice analogově-digitálních vstupů slouží jako dvojice voltmetrů. Jeden měří napětí na proměřované LED, druhý měří napětí na předřadném rezistoru. Ze znalosti napětí na rezistoru je určen eletrický proud. Pět digitálních výstupů karty K8055 pak slouží pro připojení jedné z pěti LED, které lze proměřovat.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Úloha je postavena tak, aby bylo možné měřit výstupní charakteristiky a převodní charakteristiku, zejména pak určit proudový zesilovací činitel zapojení se společným emitorem. Pro zájemce bude úloha v budoucnu rozšířena i o možnost měření vstupní charakteristiky tranzistoru. Pro úlohu byl zvolen bipolární tranzistor 2N3055, který je poměrně často používám jako výkonový tranzistor výstupních stupňů různých zesilovačů. Díky tomu je tento tranzistor i jeho chrakteristiky dostatečně zdokumentován. Lze tedy získané experimentální hodnoty dobře srovnat s hodnotami z katalogu či datového listu.

Tranzistor je připojen ke kartě K8055. Napětí na bázi tranzistoru je nastaveno pomocí výstupu prvního DA převodníku karty K8055. Jako proměnný zdroj napájecího napětí kolektorového obvodu slouží výstup druhého DA převodníku. Oba DA výstupy USB experimentální karty K8055 jsou proudově posíleny. Naopak pro načítání elektrických veličin slouží dvojice vstupů AD převodníků, které jsou použity jako ampérmetry pro načtení velikosti protékajících proudů a jako voltmetr pro určení napětí mezi kolektorem a emitorem.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Úkolem experimentu je ukázat, jaký je skutečný tvar voltampérové charakteristiky u tak běžného spotřebiče, jakým je klasická žárovka. Proměření V-A charakteristiky žárovky je prvním setkáním studentů s tzv. nelineární zátěží. Zároveň zde lze opět demonstrovat teplotní závislost elektrického odporu u kovů, zejména pak porovnáním odporu „studené“ a „teplé“ žárovky. Princip měření této úlohy je založen na postupu, kdy pomocí proměnného zdroje měníme napětí na měřeném prvku (zde žárovka 2,2 V/0,18 A) a na ampérmetru, který je zapojen v obvodu, odečítáme velikost příslušného elektrického proudu.

Úloha je další ze série úloh zcela vyvinutých a postavených v naší režii. Díky tomu je řízení experimentu opět realizováno pomocí karty K8055 společně s řídicí aplikací K8055-MARIE. V tomto případě dokonce úloha využívá volné kapacity řídicí desky K8055 od úlohy NICoL a tak je realizována přímo na aparatuře této úlohy. Tím se nám podařilo nejen vytvořit novou úlohu s minimálními náklady (cca 200 Kč), ale především jsme vytvořili dvě nezávisle ovladatelné úlohy na jedné desce K8055. To je zatím světovým unikátem!

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Vzdálený experiment umožňuje proměřit zatěžovací charakteristiku dvou dnes běžně používaných elektrochemických zdrojů - alkalické a zinko-chloridové baterie. Z obou baterií srovnateného elektromotorického napětí je odebírán postupně se zvětšující proud. Každé hodnotě odebíraného proudu je současně změřena hodnota odpovídajícího svorkového napětí. Po vynesení dvojic hodnot proud-napětí do grafu získáme závislost svorkového napětí na odebíraném proudu - tzv. zatěžovací charakteristiku zdroje. Tvar této závislosti je ovlivněn vnitřní stavbou článků baterie, což lze z elektrického hlediska popsat pomocí základních parametrů zdroje - elektromotorické napětí, vnitřní odpor (popř. zkratový proud).

Úloha byla vyvinuta našimi studenty v rámci soutěže: Technická olympiádá Plzeňského kraje. Měření úlohy je opět postaveno na osvědčené USB desce K8055, ale k řízení je použit nový způsob vzdálené komunikace. Tento způsob vychází z naší původní aplikace K8055-MARIE (ver. 2), využívá však nových technik. Tím byla zachována zpětná kompatibilita s původním řízením, ale za výrazného zrychlení a zvýšení efektivity vzdáleného řízení připojeného experimentu. Postupně na tento způsob budou převedeny všechny ostatní úlohy a po úspěšných zkouškách bude tato řídicí aplikce uvolněna pro ostatní vývojáře jako další verze aplikace K8055-MARIE.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Vzdálený experiment umožňuje proměřit zatěžovací charakteristiku solárního článku. Tato jeho standardní charakteristika, poskytující základní informace o činnosti fotovoltaického článku jako zdroje elektrické energie, je tvořena grafem závislosti výstupního napětí a výstupního výkonu na odebíraném proudu. Díky této charakteristice lze získat i tzv. faktor plnění a účinnost použitého solárního článku.

I přes současný vývoj našich nových úloh pomocí kombinace modulu Arduino + Ethernet Shield byla tato úloha vyvinuta na platformě řídicí desky K8055 společně s naším rozšířením ISES-ZOMBIE, které umožňuje připojovat měřicí moduly systému ISES ke zmíněné desce K8055. Pro vzdálené řízení se použita aplikace K8055-MARIE. Úloha má ukázat, že neexistuje nějaký starý (deska K8055) a nový (Arduino) způsob tvorby vzdálených úloh, ale že se jedná o naše dva zcela nezávislé způsoby.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Princip měření této úlohy je založen na standardním postupu měření. Pružinový oscilátor, tvořený pružinou tuhosti k a závažím hmotnosti m, je vychylován z rovnovážné polohy. V případě studia tlumený kmitů stačí soustavu „rozhoupat“, pak přestat budit a sledovat její vlastní kmitání. Z časového záznamu okamžité výchylky kvaziperiodického pohybu tlumeného kmitání lze určit součinitel tlumení δ. V případě, že vyšetřujeme závislost amplitudy na budící frekvenci (nucené kmitání), budeme sledovat průběh okamžité výchylky při různých budících frekvencích budící síly.

Pro potřeby změny budící frekvence pomocí počítače je cívka napájena řiditelným napájecím zdrojem střídavého proudu. Řídicí signály pro zdroj, stejně tak jako načítání okamžité výchylky oscilátoru, obsluhuje experimentální souprava ISES. Tato souprava disponuje několika vstupními a výstupními porty, na které lze připojovat různé experimentální moduly – voltmetr, ampérmetr, tenzometr… apod. Experimentální systém ISES je doplněn softwarovou stavebnicí iSES Web Control, pomocí které je vytvořeno vzdálené internetové řízení úlohy.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

U tohoto experimentu máte možnost seznámit se se základním principem vzdáleného řízení. Ať již si představíte, že právě ovládáte výzkumného robota na povrchu Marsu, či záchranný manipulátor v zamořeném prostoru havarované jaderné ponorky kdesi hluboko pod hladinou oceánu, základní principy jsou stejné. Zorné pole použité kamery neumožňuje prostorové vidění. Rozlišovací schopnost je malá. Vzdálený robot reaguje s určitým zpožděním. To vše by Vám měl tento robotický simulátor ukázat.

Robotická ruka KSR-10 vyrobená firmou Velleman byla pro účely naší vzdálené úlohy výrazně upravena. Byly přidány koncové spínače omezující pohyb v krajních polohách. Napájecí baterie byly nahrazeny zdrojem. Ruční řídící panel byl doplněn o elektroniku pro řízení pomocí USB desky K8055 a později modulu Arduino UNO.

Teorie  Aparatura  Spustit experiment

Experiment není zatím veřejně přístupný.

Stále nás čeká spousta práce:
• Právě testujeme bezpečnost vzdáleného ovládání.
• Upravujeme experiment pro 24-hodinový provoz.

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

Experiment není zatím veřejně přístupný.

Stále nás čeká spousta práce:
• Právě testujeme bezpečnost vzdáleného ovládání.
• Upravujeme experiment pro 24-hodinový provoz.
• Píšeme texty pro webové stránky (Popis aparatury, Pracovní úkol).

Teorie  Spustit experiment

Tento experiment vznikl především jako inspirace pro další nadšence! Chceme pomocí něj nadále prezentovat náš koncept stavby vzdálených experimentů, který je nyní založený na modulu Arduino s připojeným Ethernet Shield. Tato úloha je též atypická tím, že řídicí kód byl vyvinut pomocí vývojového prostředí mBlock, pro které jsme napsali speciální rozšíření a které jinak slouží pro výuku základů algoritmizace u malých dětí. Chceme tím ukázat, že stavba vzdálených experimentů je již opravdová hračka. Tak už nás nezlobte a postavte si také nějaký ten vzdálený experiment! (návodný článek připravujeme)

Teorie  Aparatura  Pracovní úkol  Spustit experiment

K8055-MARIE je serverová aplikace, která umožňuje vzdálené (internetové) řízení desky Velleman K8055. Tento program je spuštěn na počítači, ke kterému je připojena deska K8055 a pomocí webové stránky ji můžete vzdáleně ovládat.

K8055-MARIE umožňuje plné ovládání experimentální desky - nastavování analogových i digitálních výstupů, načítání analogových i digitálních vstupů, nastavovat parametry čítačů.

Více se můžete dočíst v odkazu PRO VÝVOJÁŘE.