Spojité řízení teploty

Příklad dobré praxe; téma: Odborné vzdělávání, přírodovědné vzdělávání; žákovský projekt; průřezové téma: Informační a komunikační technologie

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 číslicová technika, mikroprocesorová technika, automatizace

-          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 informace z teplotních snímačů, programovat jednočipové mikropočítače, porozumí sériové komunikaci a přenosu dat, naučí se řídit regulované soustavy.

Rozvíjet vědomosti a dovednosti žáků

  • o regulovaných soustavách, jejich ovládání, sledování a řízení;
  • programování jednočipových mikropočítačů;
  • porozumění sériové komunikaci a přenosu dat;
  • zpracovávat a vyhodnocovat data v PC.

 

Anotace:

Projekt se zabývá měřením a regulací teploty na jedno- a vícekapacitních soustavách pomocí jednočipového mikropočítače. Regulovanou soustavu tvoří obdélníkový hliníkový profil. Na jednom konci užší strany je hliníkový profil zahříván a v určitých vzdálenostech od místa ohřevu se pomocí teplotních senzorů snímá teplota. Senzory informaci předávají mikropočítači I51, který ji vyhodnocuje a následně podle navrženého programu může buď jen sledovat a předávat naměřené hodnoty do PC k dalšímu zpracování, nebo může soustavu přímo regulovat.

 

Klíčová slova:

regulátor, regulovaná soustava, teplotní senzory, jednočipový mikropočítač

 

Typ projektu:

  • délka realizace: 4 měsíce (délka realizace může být různá, podle oboru a hloubky zpracování, nemusí být řešeno vše, i načasování může být různé, záleží na tom, jak která škola má členěnou výuku; z hlediska maturitního projektu je vhodné období prosinec až březen
  • dle počtu zúčastněných: individuální (1 žák)
  • 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:

  • Návrh regulované soustavy a její realizace
  • Principy měření teploty
  • Snímání teploty pomocí mikropočítače
  • Vlastnosti regulovaných soustav
  • Nespojitá a spojitá regulace
  • Návrh algoritmu a programu pro sledování, řízení a vyhodnocování teploty

 

Realizace a organizační zajištění projektu:

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

Realizace projektu se uskutečňuje v těchto krocích:

  1. Zpracování návrhu regulované soustavy

-          Výběr nejvhodnějšího profilu pro tepelnou soustavu (Příloha, obr. 1)

-          Návrh, realizace, ověření různých typů ohřevů pro soustavu

-          Výběr nejvhodnějšího ohřevu a jeho zabudování do soustavy (Příloha, obr. 2, 3)

-          Výběr teplotních čidel a jejich zapojení do soustavy (Příloha, obr. 4)

-          Propojení soustavy s mikropočítačem

  1. Zapojení jednočipového mikropočítače do soustavy

-          Stanovení požadavků z hlediska měření a vyhodnocování

-          Výběr displeje a jeho připojení k mikropočítači

-          Zobrazování naměřených hodnot na displeji (Příloha, obr. 7)

-          Přenos informací do PC

  1. Zpracování návrhu algoritmů a programů

-          Algoritmus pro snímání teploty

-          Algoritmus pro komunikaci s displejem

-          Algoritmus pro sériovou komunikaci pro RS232C

-          Algoritmus pro jednoduché řízení soustavy

  1. Vyhodnocení získaných informací

-          Zápis teplot do tabulky v Excelu a jejich grafické vyjádření (Příloha, obr. 5)

-          Vyhodnocení grafů

-          Zpracování celkového závěru, posouzení úspěšnosti projektu

  1. Zpracování návrhu dalších možností rozvoje projektu

-          Navržení algoritmu a programu pro spojité a nespojité řízení soustavy

-          Zabudování jiných typů senzorů

-          Navození náhodné poruchy na soustavě (ventilátor ovládaný mikropočítačem s generátorem náhodných čísel)

-          Zadávání konstant a žádané hodnoty z PC

 

Projekt může vypracovat žák, který patří z hlediska studijních výsledků k lepšímu průměru ve třídě. Z hlediska znalostí programování jednočipových mikropočítačů lze předpokládat, že řešení bude poměrně jednoduché. Žák postupně poznává, že uvést teorii do praxe je podstatně složitější.

 

U projektu je důležité odhadnout schopnosti žáka. Do jaké míry je 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.

 

Konkrétní realizovaný projekt:

První věcí po zadání projektu byla diskuze mezi žákem a zadávajícím (v tomto případě i konzultantem), co všechno musí žák vyřešit. Tečkou jsou označeny body konzultace. Následuje, co žák řeší.

  • Ohřev regulované soustavy (typ soustavy určí zadávající)

-          Při návrhu ohřevu vycházel žák ze znalostí z elektroniky. První pokus spočíval v ohřevu soustavy pomocí rezistorů. Výkon byl ale nedostatečný. Po konzultaci navrhl ohřev pomocí ztrátového tepla výkonového tranzistoru. Tento návrh se osvědčil. (Příloha, obr. 1–3)

  • Měření teploty (typy snímačů)

-          Žák vyhledal v odborné literatuře a na internetu vhodné snímače teploty a po konzultaci se dále věnoval pouze dvěma typům snímačů.

-          Žák nastudoval základní principy snímačů, připojil je k mikropočítači a vytvořil program pro jejich ovládání (program navrhoval samostatně, při jeho ověřování musel občas pomáhat konzultant). (Příloha, obr. 4)

  • Zobrazování teploty

-          Ze stávajících zobrazovačů, které jsou v laboratoři k dispozici, si žák vybral dvouřádkový LCD displej, který je naprosto dostačující pro zobrazování všech potřebných hodnot. (Příloha, obr. 7)

  • Přenos informací do PC

-          Žák našel po konzultaci vhodné komunikační prostředí pod Windows XP (Hyperteminál).

-          Žák připojil I51 pomocí sériového rozhraní k PC.

-          Žák napsal program pro odesílání údajů do PC.

  • Vyhodnocení v Excelu a grafické znázornění teplot

-          Znalosti z informačních a komunikačních technologií umožnily žákovi pracovat v programu Excel bez dalších konzultací. (Příloha, obr. 5)

  • Nespojitá regulace teploty
  • Spojitá regulace teploty

 

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 (projekt může vyučující upravit tak, aby se pro řízení použil jiný typ mikropočítače, nebo PLC)
  • modul – dvouřádkový LCD displej
  • výkonové rezistory 1 W, tranzistory a jiné součástky
  • deska pro návrh plošného spoje
  • hliníkový profil
  • teplotní snímače DS18B20
  • 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

Všechny výše uvedené prostředky jsou pro školy běžně dostupné 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 odborná komise, pokud se jedná třeba o soutěž.

Vyhodnocení výsledků projektu

Řešení projektu pomohlo žákovi rozvinout tvůrčí schopnosti. Naučil se navrhnout několik možností řešení, ověřit je v praxi a vybrat to nejvhodnější. Naučil se potýkat se s problémy, neustupovat, ale snažit se najít nové řešení, i když to vždy při jeho základních znalostech nebylo 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 získal žák hluboké znalosti v návrhu plošných spojů, algoritmizaci programů. Zjistil, že není možné jen si sednout a začít psát program, ale musí dopředu propracovat posloupnost řešení. Naučil se tak systémovému přístupu při zpracovávání úloh. Neméně důležitou částí bylo 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 byly použity až při vypracování vlastního projektu a byly použity níže uvedené odkazy.
  • Použitá autorem při tvorbě/přípravě:

-          MALÝ, Martin. Sběrnice 1-Wire™ [online]. 2004-11-17 [cit. 2009-03-15]. Dostupný z WWW: <http://hw.cz/Rozhrani/ART1215-Sbernice-1-Wire%E2%84%A2.html>.

-          VLTOUŠ, Ondřej. Jak na převodník SMT160-30-92 [online]. 2001-12-03 [cit. 2009-02-20]. Dostupný z WWW: <http://hw.cz/Teorie-a-praxe/Programovani/ART387-Jak-na-prevodnik-SMT160-30-92.html>.

-          ŘEHÁK, Jan. Převodník teplota/střída SMT160-30-92 [online]. 2001-11-19 [cit. 2009-02-13]. Dostupný z WWW: <http://hw.cz/Produkty/Nove-soucastky/ART391-Prevodnik-teplota-strida-SMT160-30-92.html>.

-          Smartec. Senzor teploty: Katalogový list SMT160-30 [online]. 2002- [cit. 2009-02-13]. Dostupný z WWW: <http://www.hamradio.cz/aprs/uismt/SMT_160-30_CZ.pdf>.

-          ČERNÝ, Zdeněk. Konstrukce druhé verze teploměru: Teploměr pro PC se snímačem SMT 160-30 [online]. 2007-06-02 [cit. 2009-02-14]. Dostupný z WWW: <http://kunidoupe.net/teplomer/konstrukce2>.

-          DH servis. Jednoduchý teploměr s možností přenosu dat po RS232 [online]. 2002-2009 [cit. 2009-02-20]. Dostupný z WWW: <http://www.dhservis.cz/dalsi_1/teplomer.htm>.

-          OMNITRON s. r. o.: Senzor teploty SMT160-30 [online]. 2008-02-01 [cit. 2009-02-14]. Dostupný z WWW: <http://www.smartec.fr/intl/cz/temperature.php>.

-          MASLAN, Stanislav. Ovládání znakových LCD s řadičem HD44780 [online]. 2009-03-16 [cit. 2009-02-15]. Dostupný z WWW: <http://hw.cz/novinky/art2727-ovladani-znakovych-lcd-s-radicem-hd44780.html>. Http://www.elektronika.kvalitne.cz/ATMEL/necoteorie/LCDmatice.html.

-          DS18B20 [online]. [2008- ] [cit. 2009-02-18]. Dostupný z WWW: <http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/maxim/DS18B20.pdf>.

-          Wikimedia Foundation Inc. Teplota [online]. 2009- , 19. 3. 2009 [cit. 2009-02-20]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/Teplota>.

-          Wikimedia Foundation Inc. Termočlánek [online]. 2006- [cit. 2009-02-27]. Dostupný z WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/Termo%C4%8Dl%C3%A1nek>.

 

Přílohy a poznámky:

Příloha k projektu, podpůrné materiály vytvořené autorem (vyučujícím), jsou k dispozici v elektronické podobě na CD, projekt č. 24.

 

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, viz dále uvedený výčet možných „menších“ žákovských projektů:

  • Návrh soustavy a její ohřev
  • Návrh systému pro sledování soustavy a její řízení (podle možností dané školy)
  • Snímání teploty pomocí různých snímačů
  • Vyhodnocování údajů a jejich zpracování
  • Nespojité řízení soustavy
  • Spojité řízení soustavy
  • Návrh systému pro náhodné působení poruch na regulovanou soustavu

Hotový model lze nadále využívat v laboratoři pro identifikace kapacitních soustav nebo pro jejich spojité i nespojité řízení.