Område 4 · lektion 23–24 · 25 feb – 4 mars

Bygge 3 – sensor med mekanisk visare

En givare mäter något i världen. Kortet räknar om råvärdet till en storhet med enhet, kalibrerad mot en referens du kan namnge. Ett servo flyttar en visare över en skala du själv ritat och kan försvara. Det är kursens tredje bedömda system, och det första du ska förklara muntligt.

Det här är ett bedömt mekatroniskt system Bygge 3 sammanför alla tre delarna: visaren, tavlan och servofästet är den mekaniska strukturen, givaren i sin spänningsdelare och servots matning är elektrotekniken, och medelvärdet, kalibreringen och omvandlingen till vinkel är styrtekniken. Det ger belägg för alla fem förmågorna: F1 planera och bygga, F2 använda ritningar och manualer samt samarbeta, F3 dokumentera, F4 beskriva systemuppbyggnad och fysikaliska principer, och F5 bedöma din egen förmåga vid samråd. Det nya jämfört med bygge 2 är att F4 och samarbetsdelen av F2 beläggs muntligt, i redovisningen på det andra passet. En inlämnad text kan inte visa att du kan förklara ditt system för någon som frågar tillbaka.

Uppgiften

Bygg ett instrument. Inte en mätning, inte ett program som skriver ut ett tal – ett instrument som någon annan kan gå fram till, läsa av och lita på.

Du väljer givaren själv bland kitets: LDR, NTC, potentiometer, HC-SR04 eller DHT. Avvägningarna står i kravställningen i guiden Visa mätvärdet. Vad instrumentet mäter är alltså ditt beslut; vad det ska klara står i kravlistan längre ned.

Grundkretsen ser ut så här. Den gäller för LDR, NTC och potentiometer; med HC-SR04 eller DHT byter du ut spänningsdelaren mot givarens egna anslutningar, resten är detsamma.

• Rf är det fasta motståndet du valt ur din givares uppmätta ytterlägen, med det geometriska medelvärdet som utgångspunkt. Vilket värde du valde och varför är ett eget krav i listan nedan.
• Rg är givaren, ritad med en pil tvärs igenom. Ordningen mellan Rf och Rg avgör åt vilket håll råvärdet går – båda hållen är rätt, se motståndsgivarguiden.
• A0 mäter mellan de två. Använder du en I²C-display är A4 och A5 upptagna, så givaren får sitta på A0 till A3.
• M1 är servot som bär visaren. Tre sladdar: brun till GND, röd till matningen, orange till D9.
• De två jordsymbolerna är samma nolla. Ger du servot egen matning ska batteriets minuspol till samma jord, annars har kortet och servot ingen gemensam referens och visaren rycker slumpmässigt.

Två pass, och två veckor emellan dem

Det här är den viktigaste raden på hela sidan. Bygge 3 kravställs på genomgången den 11 februari, men arbetspasset är inte förrän lektion 23. Torsdagen däremellan är sportlov.

Kom med något halvbyggt och en specifik fråga Arbetspasset är det enda tillfälle du får med mig innan redovisningen, och sextio minuter räcker till felsökning men inte till att bygga från noll. "Råvärdet står stilla på 1023 fast jag mätt att LDR:n ändrar sig mellan 1,2 och 90 kΩ" är en fråga som går att svara på under ett pass. Ett tomt kopplingsdäck är det inte. Fastnar du under lovet: skriv ned exakt var, med de råvärden du såg, och ta med anteckningen.

Parvis, med egen dokumentation och egen redovisning

Bygget görs i par, som bygge 1 och 2. Ni planerar, ritar och felsöker tillsammans. F2 handlar bland annat om att samarbeta, och arbetspasset plus redovisningen är de enda ställen där samarbetet går att observera.

Dokumentationen skriver ni var för sig, och ni redovisar var för sig. Samma bygge, två texter, två förklaringar. F3 och F4 bedöms individuellt. Ni får dela mätvärden, schema och kalibreringspunkter; formuleringarna, motiveringarna och exemplen ska vara dina.

En bra arbetsfördelning i det här bygget är att en av er kalibrerar och den andra mäter kontrollpunkterna, och att ni sedan byter roller och gör om det. Ett par där den ena kodar och den andra bygger tavlan får två halva belägg i stället för två hela – och den som inte rört kalibreringen har ingenting att säga på redovisningen.

Innan arbetspasset

Fyll i samrådsunderlaget. De tre frågorna – vad jag redan kan, vad jag behöver hjälp med, vad jag tror situationen kräver – tar två minuter och är kursens enda belägg för F5.

Svara också på de åtta frågorna i kravställningen. Två av dem är särskilt lätta att skjuta upp och särskilt dyra att skjuta upp: vilken referens du kalibrerar mot, och vilka två exempel du ska beskriva ditt system mot i redovisningen.

Arbetsgång

1. Skriv en mening om vad instrumentet ska visa. "Rumstemperaturen mellan 15 och 30 grader, avläsbar på en meters avstånd." Den meningen avgör alla val efter den.
2. Mät givaren ensam med multimetern, i minst två lägen i vardera änden av ditt område. Skriv ned båda talen med enhet. Det är givarens datablad, framtaget av dig.
3. Välj det fasta motståndet ur de två talen och räkna ut de råvärden du väntar dig i båda ändarna.
4. Rita kopplingsschemat. Ditt eget, inte en avritning av figuren ovan. Beteckningar, pinnummer, ditt faktiska motståndsvärde och den matning du tänker använda.
5. Bygg kretsen utan servot och skriv ut råvärdet fyra gånger i sekunden. Jämför med det du räknade fram i steg 3. Gå inte vidare förrän de stämmer överens.
6. Lägg till medelvärdet med en for-loop och skriv ut både en enskild avläsning och medelvärdet på samma rad. Notera hur mycket lugnare den andra kolumnen är – det är ett mätvärde till dokumentationen.
7. Kalibrera i två punkter mot din referens. Vänta in givaren vid varje punkt. Skriv ned par av referensvärde och råvärde, med datum.
8. Skriv omvandlingsfunktionen och kontrollera den mot båda punkterna och mot minst en punkt emellan.
9. Koppla in servot och kör det ensamt från VINKEL_MIN till VINKEL_MAX. Hitta dina verkliga ändlägen genom att lyssna efter surret.
10. Räkna ut och rita tavlan. Grader visarrörelse per enhet, avstånd mellan strecken längs bågen, och var siffrorna sitter. Gradskiva, inte ögonmått.
11. Sätt ihop kedjan. Medelvärde, kalibrering till storhet, constrain, storhet till vinkel, skrivning till servot bara vid ändring. I den ordningen.
12. Bygg den mekaniska strukturen. Servot i ett fäste som inte fjädrar, tavlan fast, visaren styv nog att inte böja sig. Kontrollera för hand att armen går fritt hela vägen mellan ändlägena innan du låter koden köra dit.
13. Gör kontrollmätningen. Se nästa avsnitt. Den görs på det färdiga instrumentet.
14. Prova det som inte ska fungera. Gå utanför området i båda riktningarna. Dra ur och sätt i strömmen. Skugga givaren mitt i en avläsning. Anteckna vad som hände – de anteckningarna blir dokumentationens bästa avsnitt.
15. Förbered redovisningen och dokumentera. Var för sig.

Kontrollmätningen

Ett bedömt bygge ska innehålla mätvärden med enhet. I det här bygget är mätningen dessutom hela poängen: ett instrument som ingen kontrollerat är bara en visare som rör sig.

Obligatorisk: kalibreringen kontrollerad mot referensen

Mät minst fem punkter spridda över hela ditt område, varav minst två som inte är dina kalibreringspunkter, och minst en på mitten. Läs av tavlan som en annan människa skulle göra det – på strecken, inte i koden – och jämför med referensen.

Siffrorna är ett exempel på hur en tabell ska se ut, inte ett facit. Det som gör den till ett belägg är sista kolumnen och en mening om vad den betyder: ligger felen åt samma håll är de systematiska och du kan förklara varför; hoppar de fram och tillbaka är det brus, och då ska du säga hur stort.

Obligatorisk: bygget mäter sitt eget brus

Låt bygget skriva ut skillnaden mellan största och minsta av sina sexton prov, som i kalibreringsguiden. Anteckna spridningen i råvärdessteg och räkna om den till din storhet. Räkningen ur tabellen ovan, som har kalibreringspunkterna 16,0 °C vid råvärde 615 och 30,0 °C vid 456:

k = (30,0 − 16,0) / (456 − 615) = 14,0 / (−159) = −0,0881 °C per steg

Med en uppmätt spridning på 6 steg blir det

6 · 0,0881 = 0,53 °C mellan största och minsta enskilda avläsning

0,53 / √16 = 0,53 / 4 = 0,13 °C kvar efter medelvärdesbildningen

Det talet svarar på frågan hur många decimaler instrumentet får visa, och det ska stå i dokumentationen.

Frivillig, för den som siktar högre: servots ström

Bryt servots röda sladd och koppla in multimetern i serie, som i bygge 1 och 2. Mät i vila och när visaren rör sig. Jämför med vad kortets 5 V kan lämna och avgör om instrumentet behöver egen matning.

Använd 10 A-uttaget Ett servo kan dra över en halv ampere när det rör sig. Sitter sladden i milliampere-uttaget bränner du säkringen i stället för att få ett mätvärde. Byt uttag och vred innan du mäter.

Redovisningen

Kursens första. Den är kort – tio elever på 55 minuter blir ungefär fem minuter var – och den finns av ett bestämt skäl. F4 lyder att eleven beskriver hur ett system är uppbyggt, och F2 handlar bland annat om att samarbeta. Ingen av de två går att belägga med en inlämnad text ensam: en text kan vara skriven av vem som helst, och den kan inte frågas tillbaka.

Vad de fem minuterna ska innehålla

1. Vad instrumentet visar, och över vilket område. En mening, med enhet. Börja här och gå aldrig tillbaka hit.
2. Signalvägen, del för del. Peka på bygget medan du pratar: givaren, spänningsdelaren, den analoga ingången, medelvärdet, kalibreringen, vinkeln, servot, visaren. Namnge de tre delarna – mekanisk struktur, elektroteknik, styrteknik – och säg vad i ditt bygge som är vad. Det är den meningen som direkt belägger F4.
3. Ett tal ur din kalibrering. Vilka två punkter du mätte, mot vilken referens, och vad ett råvärdessteg blev värt i din storhet. Ett tal med en motivering väger mer än fem påståenden.
4. Ett fel du hittade och vad det visade sig vara. Det här är det avsnitt som brukar bli bäst, och det är också det som är svårast att hitta på i efterhand. Anteckna medan du bygger.
5. Dina två exempel. Ett system ur industrin och ett ur vardagen som löser en liknande uppgift. Säg vad som är likt och vad som är olikt – det olika är oftast det intressanta.

Så förbereder du dig

• Öva högt en gång, med klockan. Fem minuter är kortare än det låter. Den som inte övat kommer till punkt två när tiden är slut.
• Ta med bygget, inte bilder på det. Du ska kunna peka. Fungerar det inte den dagen redovisar du det ändå och säger vad som är fel – det är fullt godkänt och ofta mer intressant.
• Ha ett papper med dina fem tal på. Kalibreringspunkter, spridning, största fel i kontrollmätningen. Inga andra anteckningar behövs.
• Räkna med följdfrågor. "Varför just det motståndet?" "Vad händer om det blir kallare än skalan?" "Hur vet du att tavlan stämmer på mitten?" Alla tre går att förbereda.

Skillnaden mellan E och C hörs i redovisningen F4 skiljer E från C på ett enda ord: översiktligt mot utförligt. En översiktlig beskrivning säger vad delarna heter. En utförlig säger också varför varje del ser ut som den gör och vad som hade hänt om den sett ut annorlunda. "Här sitter ett motstånd på 10 kΩ" är det första. "Här sitter 10 kΩ eftersom givaren går mellan 1,2 och 90 kΩ och roten ur produkten blir 10,4 kΩ – med 1 kΩ hade jag bara fått 44 procent av skalan" är det andra. Samma bygge, olika betyg.

Dokumentationen

Använd dokumentationsmallen. De fyra E-punkterna är golvet: vad systemet gör, kopplingsschemat, koden, och vad som gick fel på vägen.

Dokumentationen bär E/C-gränsen F3 skiljer E från C på ett enda ord: enkel mot noggrann. Ordet handlar om vad du skriver, inte om vad du byggt. Ett utmärkt instrument med tunn text landar på E. Det motsatta gäller inte – du kan inte skriva dig till en visare som pekar rätt. Men av de två är det texten som oftast fattas.

Fyra saker som hör särskilt till det här bygget

• Kalibreringen som en egen rubrik. De två punkterna, referensen med namn, datum, den framräknade lutningen och vad ett råvärdessteg är värt. Det här är bygge 3:s motsvarighet till bygge 0:s beräknat-mot-uppmätt, och det är det tyngsta enskilda beviset för F1.
• Skalans räkning. Grader visarrörelse per enhet, avståndet mellan strecken längs bågen, och varför du valde just den graderingen. En mening om instrumentets upplösning hör hit.
• Felkällorna, uppdelade. Vilka av dina fel är slumpmässiga och vilka är systematiska? Använd tabellen i kalibreringsguiden som checklista och skriv om dina, inte om alla.
• Vad instrumentet inte kan. Området det inte täcker, noggrannheten hos referensen du kalibrerade mot, trögheten hos givaren. Att kunna säga var din modell slutar och den riktiga konstruktionen börjar är precis vad "utförligt och nyanserat" betyder.

Om det inte fungerar

• Råvärdet står stilla nära 0 eller 1023. Delaren saknar sin ena halva, eller en gren är avbruten. Mät spänningen på A0 med multimetern – det skiljer fallen åt på tio sekunder.
• Råvärdet hoppar vilt fast givaren står still. Antingen glapp i kopplingsdäcket, eller så är A0 inte kopplad till någonting alls. En analog ingång utan koppling är en antenn.
• Instrumentet stämmer i ändarna men inte på mitten. Omvandlingen görs i ett steg, direkt från råvärde till vinkel. Kalibrera först, mappa sedan. Det här är områdets signaturfel och det står utförligt i guiden Visa mätvärdet.
• Kalibreringsfunktionen ger samma tal oavsett insignal. Lutningen räknades i heltal och blev 0. Konstanterna för storheten ska vara float, med decimalpunkt.
• Medelvärdet blir negativt när du ökar antalet prov. Summan är en int och har vikt runt. 64 · 1023 = 65 472 ryms inte i en int. Byt till long.
• Visaren står i ändläget och surrar. Värdet ligger utanför skalan och constrain saknas, eller så är servovinklarna satta till 0 och 180 utan marginal.
• Kortet startar om när visaren rör sig. Brownout. Servot drar mer än kortets matning orkar. Ta bort lasten från armen och prova igen – försvinner felet var det aldrig i koden. Ge servot egen matning med gemensam GND, se servoguiden.
• Displayen är svart, eller analogRead ger skräp efter att den kopplats in. I²C ligger på A4 och A5. Kör en I²C-avsökare för adressen och flytta givaren till A0 till A3.
• Uppladdningen misslyckas. Sitter något på pinne 0 eller 1? Är rätt port vald? Koppla ur allt utom USB-sladden och ladda upp en tom sketch för att avgöra om felet sitter i kortet eller i bygget.

Vidare

Med bygge 3 redovisat är område 4 klart. Du har då byggt tre bedömda mekatroniska system, och det tredje kan något de två första inte kunde: mäta en storhet som glider, säga hur säkert den är mätt, och visa den för någon annan.

Nästa område ger bygget kraft. Servot har hittills orkat med en spak, en lucka och en visare. Det som ska dra, lyfta eller rulla behöver en motor – och en motor får inte sitta på en pinne.

Tillbaka till område 4 eller till kursens material.