Microcontrollers and learning the control theory

Morokhin Dmitrii Vital'evich ORCID: 0000-0002-0005-3976 PhD in Technical Science Associate Professor, Department of Information and Computer Systems, Volga State Technological University 424031, Russia, respublika Marii El, g. Ioshkar-Ola, ul. Panfilova, 17, kab. 521 MorohinDV@volgatech.net Other publications by this author

Использование микроконтроллерных наборов, которые выпускаются различными производственными и торговыми организациями может повысить наглядность и увеличить качество получаемых практических навыков при проведении занятий по дисциплинам, связанным с использованием вычислительной техники.

Именно применение подобных инструментов позволяет ответить на часто возникающий в процессе обучения различных дисциплин вопрос: «Для чего нужны получаемые знания?». Это можно отнести и к программированию ^[5] и к теории управления и к другим дисциплинам.

В настоящее время недостатка в подобном инструментарии нет. Обзоров также много ^[2,3]. В основном речь идет об использовании различных робототехнических наборов. Можно отметить исследование университета Иннополис ^[6], публикации и инструменты известного специалиста по теории управления Ю.К. Полякова ^[4,5].

Существует множество интересных решений: Fischertechnik, ТРИК, OLLO, LittleBits и другие. Однако, в первую очередь следует отметить различные модификации электронных конструкторов на основе платформ Lego и Ардуино. При этом наборы на основе Lego позиционируются, в основном, для проведения занятий в средней школе. Ардуино, как требующий знания основ физики и электроники, используется на более поздних этапах обучения, начиная со старших классов школы и в ВУЗах.

В данной работе описано использование микроконтроллерных наборов на базе платформы Arduino, предлагаемых компанией «Амперка», при проведении занятий по дисциплине «Основы теории управления» для студентов, обучающихся по программе среднего и высшего профессионального образования.

Практические работы по рассматриваемой дисциплине служат задаче получения практических навыков проектирования и реализации систем управления. Обычно здесь студенты учатся работать с элементарными устройствами и строить на их основе несложные системы.

Перед тем, как непосредственно начать использовать микроконтроллеры для построения систем управления, необходимо получить знания по предшествующим дисциплинам, а именно: «Электроника и электротехника», «Микропроцессорные системы», «Программирование». Отметим, что при изучении этих дисциплин также можно использовать данные обучающие наборы.

Для дисциплины «Основы теории управления» на первый план выходит изучение способов управления внешними по отношению к системе процессами на основе получаемых данных. Работа с микропроцессорными комплектами помогает значительно повысить уровень освоения практических компетенций, необходимых для формирования специалистов в области вычислительной техники.

На рисунке 1 приведен пример реализации простейшей системы управления с получением данных от потенциометра и выводом информации на дисплей.

Рис 1. Простейшая система управления

В данной работе остановимся на опыте применения образовательного набора «Амперка» №1-РТН ^[2].

1. Первым этапом работы является изучение основных особенностей микроконтроллера ATmega328p, платы Arduino Uno на его основе и способов подключения платы к ПК. Здесь же рассматривается программная среда Arduino IDE для написания приложений и способы записи программы в контроллер.

2. Рассмотрение языка программирования для среды разработки. Этому вопросу необходимо уделить достаточно большое время, так как несмотря на распространенность основы (язык С++), программирование микроконтроллеров имеет свои особенности. Здесь же следует показать студентам, как использовать возможности получения обратной связи от МК при помощи взаимодействия по последовательному порту.

3. На основе предыдущего этапа переходим непосредственно к изучению особенностей заданной системы управления. Здесь рассматривается особенности основных частей микроконтроллера:

• Постоянная флэш-память для хранения программы работы системы.
• Статическое ОЗУ, используемое для хранения данных.
• ПЗУ, в котором хранятся основные настройки и служебные данные системы.
• Порты ввода-вывода. Их типы, особенности инициализации и операций чтения-записи информации в различных ситуациях.

4. Изучаются некоторые устройства вывода информации. В зависимости от наличия элементов можно подключить к микроконтроллеру светодиодные индикаторы, пьезоизлучатели, семисегментные индикаторы (с использованием дешифраторов или без них), жидкокристаллические экраны.

5. Устройства ввода. Из набора можно использовать тактовые кнопки, переменные резисторы, а также данные, полученные по последовательному интерфейсу с ПК.

6. Фоторезистор, термистор, датчики линии. Датчики позволяют получать информацию о внешних условиях и могут активно использоваться при построении систем автоматического управления. Для более полного изучения требуется дополнительные датчики.

7. Исполнительные механизмы. Позволяют получить законченную систему управления и приступить непосредственно к созданию алгоритмов и программ управления. В наборе присутствует сервопривод и двухколесное шасси для сборки колесного робота.

8. Разработка схем и конструкторской документации на разрабатываемую систему. Предлагается использование системы Fritzing, в рамках которой можно создать различные виды схем от макетной до печатной платы. Конечно, существуют и другие, не менее интересные программные средства для решения этой задачи.

9. Сборка, настройка и программирование системы управления. Самым распространенным вариантом здесь является колесный робот, анализирующий сигналы с различных датчиков.

10. Для расширения возможностей системы управления и изучения расширенного набора инструментария, используется удаленное управление и отображение информации с устройства. Для этого могут применятся проводные и беспроводные средства связи, интернет технологии (отображение данных системы на сайте), инструменты визуализации (Processing) и т.д.

Например, на рисунке 2 приведена визуальная схема сборки и представление изображения на экране для простейшего радара на основе ультразвукового дальномера и Ардуино в связке с Processing ^[1].

Рис 2. Визуализация данных с дальномера.

11. На основе собранной системы возможно проведение экспериментов по изучению работы спроектированной системы управления в реальных условиях. Например, для задачи следования по линии, возможно программирование поведения колесного робота по релейному, пропорциональному, пропорционально-дифференциальному и другим видам регуляторов.

Таким образом, микроконтроллерный набор «Амперка» №1-РТН оказался весьма полезным при проведении занятий по рассматриваемой дисциплине.

В дальнейшем, для расширения круга решаемых задач требуется расширение набора датчиков и исполнительных механизмов.