XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Дорога в микроэлектронику

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Антаков А.В. 1

---

1МБОУ СОШ № 4 г. Полярные Зори

Осиик Т.И. 1

---

1МБОУ СОШ № 4 г. Полярные Зори

Работа в формате PDF

2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мне всегда было интересно изобретать, моделировать, создавать простые механизмы самостоятельно. Сначала это были проекты из картона и скотча, но однажды я столкнулся с необходимостью соединить два провода и понял, что для этого нужны особые навыки и умение работать с паяльником. С помощью взрослых я смог припаять провода и получил первый опыт в электронике. Мне очень понравилось и захотелось узнать больше, но в нашем городе нет направлений дополнительного образования, связанных с микроэлектроникой. Но я решил не сдаваться и предположил, что все-таки можно самостоятельно изучить эту тему и создавать свои проекты с электронными компонентами.

Проблема: отсутствие возможности изучения микроэлектроники в городских образовательных учреждениях.

Гипотеза: возможно изучить основы микроэлектроники самостоятельно.

Цель: изучить основы микроэлектроники в домашних условиях в отсутствие преподавателя.

Задачи:

1. Изучить источники информации по теме проекта.

2. Найти необходимые инструменты и материалы.

3. Изучить основы работы с паяльником.

4. Изучить основы работы с макетной платой.

5. Изучить основы работы с платой Arduino.

6. Выполнить практическую работу.

7. Сделать выводы.

Результаты работы

В ходе работы над проектом я изучил две книги по микроэлектронике и нашел несколько тематических интернет – сайтов. Необходимые инструменты и материалы с помощью взрослых заказал интернете. Используя набор « Паяльник в лапах», в котором есть не только все необходимое для пайки, но и подробная иллюстрированная инструкция, я научился основам пайки. Узнал, как устроена макетная плата и для чего она применяется, как работать с мультиметром для тестирования своих схем, а также что такое плата Arduino и как на ее основе можно собирать различные устройства. Используя полученные знания и умения, я сделал несколько поделок для различных целей.

Вывод: Моя гипотеза подтвердилась: несмотря на то, что в городе отсутствуют кружки или объединения для занятий микроэлектроникой, можно самостоятельно открыть двери в ее удивительный мир.

Основная часть

Теоретическая часть

1. Основы пайки.

На работоспособность электронных устройств в первую очередь влияет надежность соединений. Очень важно овладеть навыком пайки для того, чтобы уметь правильно соединять провода или собирать свои электронные схемы. Пайка – это операция соединения двух деталей расплавленным металлом, припоем.

Я нашел несколько источников для изучения основ пайки. В первую очередь, это набор для детей «Паяльник в лапах». Он содержит все необходимые инструменты и материалы, а главное – иллюстрированное пособие, в котором подробно описаны основные этапы пайки и предложены практические задания.

Для закрепления навыков можно использовать готовые наборы для пайки, которые имеются в продаже и придумывать свои схемы.

2. Основы электричества.

Выполнив готовые схемы из покупных наборов, я попробовал собрать свою поделку – фигурку с несколькими светодиодами, работающими от батарейки. Но столкнулся с трудностями, так как не знал, как рассчитать количество светодиодов и резисторов, которые можно подключить к имеющемуся источнику питания. Для изучения этого вопроса я обратился к книгам «Основы микроэлектроники» и «Изучаем электронику с Arduino». В них доступно представлены такие понятия, как сила тока, напряжение, сопротивление и т.д. Я узнал, чем отличаются последовательное и параллельное соединение, как собрать электрическую цепь и проверить ее целостность с помощью мультиметра.

Изучая книги, я понял, что необязательно соединять компоненты цепи сразу с помощью пайки, когда создаешь цепь и экспериментируешь с различными схемами. Можно использовать специальные макетные платы.

Макетная плата позволяет быстро соединять компоненты между собой и вносить изменения в цепь, так как можно просто вставлять элементы в соответствующие ячейки платы. А ячейки определенным образом соединены металлическими дорожками внутри платы. Это оказалось очень удобно, особенно когда в своих схемах я стал использовать электронную программируемую плату Arduino.

3. Основы микроэлектроники с Arduino

Использование программируемой платы Arduino значительно расширяет возможности для создания электронных схем.

Arduino позволяет получать и обрабатывать информацию от окружающего нас мира с помощью различных вводов, датчиков, переключателей и реагировать на эту информацию через заданные выводы. Например, включать светодиод, если в комнате темно. Или это может быть более сложная система, реагирующая при помощи света и звука на положение человека в комнате.

Существует много версий платы Arduino, и каждая из них разработана для решения определенных задач.

В книге «Изучаем электронику с Arduino» можно найти описание этой платформы, доступное для детей. Есть подробные схемы, наглядные и понятные рисунки, ответы на вопросы.

Arduino управляет электронными устройствами цепи с помощью специальных программ – скетчей, которые мы пишем в Arduino IDE – интегрированной среде разработки. Но даже при полном отсутствии опыта программирования не стоит отчаиваться. Во-первых, сама среда уже содержит несколько встроенных примеров, на основе которых можно создавать свои программы. А первые навыки написания скетчей можно получить, изучая соответствующие главы книги, где подробно описаны главные команды, функции, правила.

Практическая часть работы

1. Работа с паяльником

   1. . Проекты из набора «Паяльник в лапах»

Используя готовый набор (рис. 1), в состав которого входит паяльник, припой, флюс и т.д., я освоил основные этапы пайки, собрал несколько схем (Приложение 1).

1. 2. . Поделки из наборов для пайки

Навыки пайки я закреплял, собирая различные схемы и устройства из покупных наборов для пайки: фонарик, электронные часы, калькулятор, робот-шагоход, светильник-елочка. (Приложение 2)

1. 3. . Собственные проекты с пайкой.

Научившись паять, я смог сделать поделку на конкурс «Эколята» (рис.2): из старой, нерабочей гирлянды изготовил подсветку и украсил ею новогодний ночник, собранный из бросового материала (коробки из-под лапши быстрого приготовления, пенопласт, обрезки потолочной плитки).

А также участвовал в изготовлении макета для проекта «ИнженериУм» - сделал светодиодные сигналы на модель реактора (Приложение 3).

2. Работа с макетной платой

Свои схемы до пайки я собирал на макетной плате, чтобы проверить их работоспособность и вносить различные изменения. А также изучал виды подключения в электрической цепи (параллельное, последовательное), зависимость яркости свечения светодиодов от используемых резисторов и т.д. (Приложение 4). Также я научился работать с мультиметром, чтобы тестировать целостность своих схем.

3. Схемы с Arduino

Читая книгу «Изучаем электронику с Arduino», я выполнял все задания от самых простых до сложных: собирал схемы, подключал плату к компьютеру, писал скетчи, загружал их на плату, изменял разные параметры в программах, чтобы опытным путем увидеть, как они влияют на работу компонентов. При этом я использовал оборудование из наборов для Arduino, и наборов датчиков для микроэлектроники (Приложение 4).

4. Итоговая работа

Итоговой работой моего проекта я представляю игру на запоминание (рис. 3). Для нее я собрал схему, запрограммировал (используя источники из интернета). Основные компоненты припаял на печатную плату, а корпус собрал из подручных материалов. (Приложение 5)

Результаты работы

Работая над проектом, я узнал очень много нового: основы электричества и построения электрических цепей, виды электронных компонентов. Научился собирать и тестировать схемы на макетной плате, соединять элементы с помощью паяльника, создавая разные приборы. Я познакомился с устройством и принципом работы электронной платы Arduino, узнал о возможностях, которые открываются при ее использовании. Создал несколько своих поделок и устройств, которые планирую развивать и усложнять далее, например игру на запоминание сделать с разнообразными звуками и световыми эффектами.

Работа над проектом длилась несколько месяцев и будет продолжена, так как мне очень понравилось заниматься микроэлектроникой и создавать свои умные устройства. Я планирую собрать шумометр для класса, который будет реагировать на превышение определенного уровня шума и сигнализировать об этом различными звуками. Также летом для бабушки я попробую сделать систему автополива для цветника, которая будет определять уровень влажности земли и включать подачу воды.

Вывод

Моя гипотеза подтвердилась: несмотря на то, что в городе отсутствуют кружки или объединения для занятий микроэлектроникой, можно самостоятельно открыть двери в ее удивительный мир.

Литература и источники

1. Интернет-ресурс ArduinoМастер. Проекты с Arduino для начинающих https://arduinomaster.ru/projects/proekty-arduino-dlya-nachinayushhih/

2. Интернет ресурс Амперка.Вики, мини-проекты с Ардуино https://wiki.amperka.ru/arduino-breadboard

3. «Изучаем электронику с Arduino», Д.Калкин, Э. Хаган, изд-во Эксмо, Москва 2022

4. «Цифровая электроника для начинающих.», П.Кириченко, изд-во «БХВ-Петербург», Санкт-Петербург, 2022

Приложения

Приложение 1. Работа с паяльником

Приложение 2. Поделки из наборов для пайки

Приложение 3. Собственные проекты с пайкой

Приложение 4. Схемы с Аrduino

Приложение 5. Игра на запоминание

Игра представляет собой устройство, состоящее из четырех кнопок, четырех разноцветных светодиодов, динамика, резистора, соединительных проводов и платы Arduino Uno.

При включении игра выдает приветственную мелодию, а затем загорается случайный светодиод, на следующем шаге два светодиода и т.д. Каждый раз пользователь должен правильно повторить последовательность, нажимая на соответствующие кнопки. Если это сделано без ошибок, игра продолжается, в случае сбоя – все начинается сначала.

Скетч для Arduino взят из интернет – источников и настроен для данной игры.