Проект
«Перетягивание каната»
Состав участников:
Руководитель:
Новосибирск 2016
Аннотация
В данном проекте описывается процесс созданияустановки,способной перетягивать верёвку, из базовых электронных компонентов, шагового двигателя и оборудования IntelEdison. Оригинальность этого устройства заключается в способе перетягивания – участники соревнования не касаются верёвки, перетягивание осуществляется шаговым двигателем на основе данных с пульсометра.
Содержание
Введение4
1 Описание процесса работы над проектом5
1.1 Материалы и оборудование 5
1.2 Этапы работы 5
1.2.1 Теоретическая часть 5
1.2.2 Установка 9
1.3 Анализ хода работы 9
2 Анализ полученного проекта 10
2.1 Сопоставление целей и полученного продукта 10
2.2 Конструктивные особенности проекта 10
2.3 Новизна 11
2.4 Практическая применимость 11
3 Перспективы развития проекта11
ВВЕДЕНИЕ
В этом проекте перетягивание каната осуществляется через управление собственным пульсом, что является частным случаем использования Биологической Обратной Связи (БОС).(Биологическая обратная связь—технология, включающая в себя комплекс исследовательских, немедицинских, физиологических, профилактических и лечебных процедур, в ходе которых человеку посредством внешней цепи обратной связи, организованной преимущественно с помощью микропроцессорной или компьютерной техники, предъявляется информация о состоянии и изменении тех или иных собственных физиологических процессов Википедия).Примерно с середины XX века стали разрабатываться и использоваться методы, в которых устанавливалась биологическая обратная связь с организмом на основе изменения различных параметров, в том числе и пульса. Несмотря на то, что это направление сейчас очень популярно, этот проект практически уникален (так как обычно методы БОС представляют собой тренажёры для одного человека, а этот проект выполнен как соревнование между двумя).
Проект интересен бесконтактным принципом управления перемещением верёвки, а также элементом соревнования.
Мы поставили себе следующие цели:
· Собрать установку;
· Разобраться в принципах работы подобных устройств.
Для их достижения нужно было выполнить задачи, а именно:
· Изучить теорию по данной теме:
o Основы схемотехники;
o Базовые элементы электрической цепи - резистор, светодиод;
· Приобрести навыки практической работы(работа с макетными платами);
· Познакомиться с оборудованием Arduino, изучить основные принципы и функции.
ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА РАБОТЫНАД ПРОЕКТОМ
Материалы и оборудование
1. Пульсометры;
2. Резисторы;
3. Светодиоды;
4. Макетная плата;
5. Контроллер Intel Edison;
6. Ноутбук с программным обеспечением Arduino;
7. Шаговый двигатель и драйвер к нему;
8. Соединительные провода.
Этапы работы
Теоретическая часть
Изучение основ схемотехники началось с подключения светодиода.Для начала, как и у любого диода, у светодиода есть полярность. Полярность определить достаточно легко: короткая нога соответствует катоду, длинная – аноду. Максимальный ток, который может выдержать светодиод, обычно составляет 20мА. Для того чтобы не сжечь светодиод при подключении к контроллеру, нам нужно последовательно подключить резистор, так как цифровыепиныIntelEdison подают 5В. Используя закон Ома, получим нужный номинал резистора.
=>R =250 Ом
В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не имеет большого значения: можно смело брать стандартный номинал — 240 или 220 Ом.
Рис. 1. Схема подключения светодиода
Заметим, что порядок подключения не важен, т.к. при последовательном подключении ток на всех сопротивлениях одинаковый.
Стягивающие резисторы
Стягивающие резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём схему, указанную на рисунке 2:
Рис. 2. неправильное подключение кнопки
Мы хотим,чтобы, когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае (рис. 2) вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода, действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор (рис.3):
Рис. 3. Подключение кнопки, используя стягивающий резистор
Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.
Делитель напряжения
Для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть используется делитель напряжения. Это схема, строящаяся на основе пары резисторов.
Рис. 4. Подключение делителя напряжения
В примере, на вход подаются стандартные 9 В. Но какое напряжение получится на выходе Vout? Или эквивалентный вопрос: какое напряжение покажет вольтметр?
Ток, протекающий через R1 и R2 одинаков, пока к выходу Vout ничего не подключено. А суммарное сопротивление пары резисторов при последовательном соединении:
Таким образом, сила тока протекающая через резисторы:
Теперь, когда нам известен ток в R2, рассчитаем напряжение вокруг него:
Или если оставить формулу в общем виде:
Так с помощью пары резисторов мы изменили значение входного напряжения с 9 до 5 В. Это простой способ получить несколько различных напряжений в одной схеме, оставив при этом только один источник питания.
Другое применение делителя напряжения — это снятие показаний с датчиков. Существует множество компонентов, которые меняют своё сопротивление в зависимости от внешних условий. Так термисторы меняют сопротивление от нуля до определённого значения в зависимости от температуры, фоторезисторы меняют сопротивление в зависимости от интенсивности попадающего на них света и т.д.
Если в приведённой выше схеме заменить R1 или R2 на один из таких компонентов, Vout будет меняться в зависимости от внешних условий, влияющих на датчик. Подключив это выходное напряжение к аналоговому входу Ардуино, можно получать информацию о температуре, уровне освещённости и других параметрах среды.
Значение выходного напряжения при определённых параметрах среды можно рассчитать, сопоставив документацию на переменный компонент и общую формулу расчёта Vout.
После изучения снов схемотехники, были изучены основыС/С++, т.к. язык программирования контроллера IntelEdison основан на C/C++.
Так как пульсометр достаточно сложный прибор, для работы с ним использовалась заранее написанная библиотека.
Установка
Рис.5.Собранная установка
Анализ хода работы
После изучения теории началасьалгоритмизация основной программы.
Программа делала следующее:
· Считала средний пульс характерный для каждого игрока(на основе 1000 ударов каждого игрока);
· Считала относительное изменение для каждого игрока пульса по формуле:
,
где 
-средний пульс, а Р – мгновенный пульс;
· Определяла, чьё относительное изменение меньше, и двигала шаговый двигатель в нужную сторону на один шаг(изначально планировалось, что в зависимости от разницы между ними, менялась скорость шагового двигателя, но, к сожалению, диапазон возможных скоростей оказался меньше, чем нам хотелось бы);
· Определяла, когда один игрок победил (800 шагов в одну сторону) и зажигала соответственный светодиод;
· Возвращала флажок на середину после конца игры.
АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННОГО ПРОЕКТА