Měření vzdálenosti pomocí ultrazvuku na vstupu mikropočítače vzorová úloha (SŠ)
Jméno ………………………………… Třída …………………………………..
Datum ………………………………..
1 Teoretický úvod Ultrazvukový snímač vytváří vysokofrekvenční zvukové vlny a zachycuje je zpět odrazem od překážky. Elektronika senzoru vypočítá časový interval mezi vyslaným a příchozím signálem. Zpoždění tohoto signálu určí vzdálenost předmětu, od kterého se vlna odrazila. Tato technologie se využívá pro měření: rychlosti a směru větru, hladiny vody v nádrži a může se také využívat na detekci předmětu před senzorem. Pro měření rychlosti a směru se využívá více ultrazvuků a vypočítává rychlost od relativní vzdálenosti částic ve vzduchu nebo vodě. Pokud chceme změřit množství kapaliny v nádrži, snímač určí vzdálenost k povrchu kapaliny. Jiné aplikace jsou: Sonar, ultrasonograf, zabezpečovací zařízení a nedestruktivní zkoušení materiálů. Ultrazvuk obvykle používá snímače, které vytvářejí zvukové vlny o kmitočtu nad 20000 Hz, což je uchem neslyšitelný zvuk – ultrazvuk. Tato technologie je omezena tím, že plocha, od které se ultrazvuk odráží a prostředí ve kterém se šíří není konzistentní. Např. pěna na povrchu kapaliny v nádrži může narušit odčítání, nebo změna atmosféry kde se šíří ultrazvuk. Výsledky z ultrazvuku se zobrazují na LCD mikropočítače. Displej LCD z tekutých krystalů se v angličtině řekne liquid crystal display. Je to malá, tenká a plochá zobrazovací součástka, která se skládá z velkého množství monochromatických (černých) bodů maticově seřazených před zdrojem světla nebo reflektorem. LCD zobrazovače jsou energeticky úsporné, tak jsou vhodné do jakéhokoliv přístroje. V této úloze si ukážeme jak je možno změřit vzdálenost předmětu od ultrazvuku. Vzdálenost se bude zobrazovat v centimetrech na displeji LCD.
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
2 Zadání 1. Zapojte zařízení dle animace a naprogramujete kostku dle zadání 2. Proveďte měření vzdáleností ve svém okolí (vzdálenost spolužáka, výšku třídy) dle zadaných úkolů. 3. Výsledky zapište do tabulky
3 Postup práce 1. úkol: Provedeme měření věcí ve svém okolí (vzdálenost spolužáka, výšku třídy, velikost lavice atd.) Porovnáme délku pomocí metru, pravítka a odchylku zapíšeme do tabulky. Předměty měříme vždy kolmo k ploše. 2. úkol: Měřte různé druhy povrchů materiálů ze stejné vzdálenosti a sledujte odchylku měření (textil, dřevo, podlaha, zeď, okno atd.), pokud nějaká nastane, zapíšeme její velikost do poznámky v tabulce. 3. úkol: Měřte různé druhy tvarů materiálu ze stejné vzdálenosti a sledujte nějakou chvíli (asi 10s) odchylku měření (tabule skla, opěrátko židle, hasicí přístroj, umývadlo atd.), pokud nějaká nastane, zapíšeme její velikost do poznámky v tabulce.
4 Záznam výsledků Algoritmus: Start Ultrazvukový senzor vyhodnocení vzdálenosti zobrazení vzdálenosti na displeji mikropočítače 1. úkol: Měřící zařízení detekovalo předměty od 15 cm do 250 cm, výsledek se zobrazil na displeji. Při porovnání délky naměřené měřícím zařízením s délkou naměřenou pravítkem, se došlo k závěru, že měřící odchylka je +- 2cm.
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
Tabulka 1: Měření I; zdroj: autor
Pořadí měření
Vzdálenost naměřená Vzdálenost naměřena ultrazvukem měřidlem
Měřený předmět
1
strop třídy od lavice
200 cm
200 cm
2
penál
19 cm
20 cm
3
sešit
30 cm
29 cm
4
lavice
50 cm
50 cm
5
zeď
40 cm
41 cm
2. úkol: Série měření byla provedena v konstantní vzdálenosti s různými objekty. Vzdálenost naměřená měřícím zařízením byla, taktéž konstantní, tzn., že povrch měřeného objektu nemá vliv na naměřenou hodnotu. Tabulka 2: Měření II; zdroj: autor
Pořadí měření
Měřený předmět
Vzdálenost v cm
Poznámka
1
podlaha
50 cm
měřeno ve stejné vzdálenosti dle pravítka
2
penál
50 cm
měřeno ve stejné vzdálenosti dle pravítka
3
sešit
50 cm
měřeno ve stejné vzdálenosti dle pravítka
4
mobil
50 cm
měřeno ve stejné vzdálenosti dle pravítka
5
zeď
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
50 cm
měřeno ve stejné vzdálenosti dle pravítka
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
3 úkol: Z konstantní vzdálenosti byly měřeny objekty různých tvarů. U nerovných nebo nakloněných předmětů byla zaznamenána větší odchylka. Měřící zařízení bylo umístněno v konstantní vzdálenosti a před každým měření byla přeměřena vzdálenost pomocí pravítka.
Tabulka 3: Měření III; zdroj: autor
Pořadí měření
Měřený předmět
Vzdálenost v cm Poznámka
1
nakloněná tabule skla
20 cm
Až 255cm
2
hasicí přístroj
20 cm
Až 45cm
3
opěrátko židle
20 cm
Až 23cm
4
umývadlo
20 cm
Až 25cm
5
batoh
20 cm
Až 22cm
5 Závěr Při měření objektů měřicím zařízením se dospělo k závěru, že při naklonění objektu se naměřená vzdálenost měnila. Tzn., že měřící zařízení vykazovalo větší odchylku od reálné vzdálenosti.
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
6
Kontrolní otázky 1. Co vysílá ultrazvukový snímač? 2. Co měříme ultrazvukovým senzorem? 3. Které zvíře v přírodě využívá ultrazvuk k orientaci? 4. Jan ultrazvuk vysílá a přijímá signál zpět? 5. Ultrazvuk NXT dokáže měřit vzdálenosti?
7
Použité prameny, zdroje
Midstorms: LEGO [online]. [cit. 2014-6-16]. Dostupné z: http://www.lego.com/cs-cz/mindstorms Nauč se programovat: LEGO [online]. [cit. 2014-6-16]. Dostupné z: http://www.lego.com/cscz/mindstorms/learn-to-program
Projekt CZ.1.07/1.1.16/01.0030
Motivace žáků ZŠ a SŠ pro vzdělávání v technických oborech
