XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Обучающий стенд «Цифровой замок» на базе микроконтроллерной платформы Arduino

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Абаза И.Г. 1

---

1ГБОУ "СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ШКОЛА № 35 Г.О. ДОНЕЦК"

Кузнецова И.В. 1

---

1ГБОУ "СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ШКОЛА № 35 Г.О. ДОНЕЦК"

Работа в формате PDF

1.7 MB

ВВЕДЕНИЕ

В условиях цифровизации образования и развития инженерного мышления у школьников особую актуальность приобретают практические обучающие комплексы, позволяющие наглядно демонстрировать принципы работы современных электронных систем. Одной из таких систем является автоматизированный контроль доступа, широко применяемый в быту, промышленности и сфере безопасности.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью интеграции междисциплинарных знаний (физика, информатика, электротехника) в единый образовательный продукт. Создание физического прототипа системы контроля доступа позволяет учащимся перейти от абстрактного программирования к реальному управлению физическими объектами (электродвигателями, датчиками), что способствует формированию навыков проектной деятельности и инженерного мышления.

Проблема исследования заключается в отсутствии доступных, безопасных и масштабируемых учебных стендов, позволяющих комплексно изучать аппаратно-программное взаимодействие на примере реальных инженерных задач.

Объект исследования: процесс проектирования и реализации программно-аппаратных комплексов на базе микроконтроллеров.

Предмет исследования: методология создания и методика применения обучающего стенда «Цифровой замок» для формирования компетенций в области робототехники и программирования.

Гипотеза исследования: использование модульной архитектуры на базе открытой платформы Arduino в сочетании с технологией радиочастотной идентификации (RFID) позволяет создать эффективный дидактический инструмент, обеспечивающий глубокое усвоение принципов взаимодействия «программное обеспечение — аппаратная часть».

Цель работы: разработка, сборка и методическое сопровождение обучающего стенда «Цифровой замок», предназначенного для изучения основ робототехники, схемотехники и программирования микроконтроллеров.

Задачи:

1. Провести анализ научно-технической литературы и существующих образовательных решений в области STEM-образования.

2. Обосновать выбор аппаратной платформы и компонентов для реализации стенда.

3. Разработать электрическую принципиальную схему устройства.

4. Реализовать программный алгоритм управления системой на языке C++ в среде Arduino IDE.

5. Изготовить действующий макет устройства и провести его комплексные испытания.

6. Разработать методические рекомендации по использованию стенда в образовательном процессе.

Методы исследования:

• Теоретические: анализ, синтез, моделирование, изучение технической документации.

• Практические: эксперимент, тестирование, измерение электрических параметров, отладка программного кода.

Проведённый анализ научно-технической литературы и существующих образовательных решений в области STEM-образования показал актуальность внедрения практико-ориентированных проектов. Выявлен дефицит доступных и функциональных стендов, позволяющих комплексно изучать взаимодействие программной и аппаратной частей. Это обосновало необходимость разработки собственного обучающего комплекса.

В результате сравнительного анализа была обоснована целесообразность использования платформы Arduino Uno в качестве ядра системы благодаря её открытости, широкой распространённости и наличию большого количества библиотек.

РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ КОНТРОЛЯ ДОСТУПА

1.1. Микроконтроллерные платформы семейства Arduino: архитектура и возможности

В основе современных образовательных проектов в области робототехники и «Интернета вещей» лежат аппаратные вычислительные платформы, сочетающие в себе простоту использования и широкие функциональные возможности. Среди множества доступных решений особое место занимает семейство плат Arduino. Данная платформа представляет собой открытую аппаратную вычислительную среду, построенную на базе простых 8-битных и 32-битных микроконтроллеров, и предназначенную для быстрой разработки прототипов электронных устройств [1].

Для реализации проекта обучающего стенда «Цифровой замок» в качестве центрального управляющего узла была выбрана плата Arduino Uno. Этот выбор обусловлен оптимальным балансом между количеством портов ввода-вывода, вычислительной мощностью, наличием встроенных интерфейсов и, что немаловажно для образовательного процесса, широкой распространённостью и подробной технической документацией.

Центральным элементом платы является микроконтроллер ATmega328P, относящийся к архитектуре AVR, разработанной компанией Atmel (сейчас Microchip Technology). Рассмотрим ключевые характеристики этого микроконтроллера, определяющие возможности всей системы:

1. Процессорное ядро: Микроконтроллер построен на базе 8-битной архитектуры. Это означает, что за один такт процессор обрабатывает 8 бит данных. Несмотря на кажущуюся простоту по сравнению с современными 32-битными или 64-битными системами, для задач управления исполнительными механизмами (двигателями, реле) и опроса датчиков производительности ATmega328P более чем достаточно.

2. Тактовая частота: Микроконтроллер работает на частоте 16 МГц, которая обеспечивается внешним кварцевым резонатором, установленным на плате. Эта частота определяет скорость выполнения инструкций и является стандартной для большинства плат Arduino.

3. Память:

• Flash-память программ (32 КБ): Энергонезависимая память, в которую записывается исполняемый код (скетч). Часть этой памяти (0,5 КБ) используется загрузчиком (bootloader), который позволяет прошивать контроллер через USB без использования специальных программаторов.

• Оперативная память SRAM (2 КБ): Используется для хранения переменных во время выполнения программы. Это критически важный ресурс, ограничивающий сложность алгоритмов и размер обрабатываемых массивов данных.

• Энергонезависимая память EEPROM (1 КБ): Предназначена для долгосрочного хранения данных, которые не должны теряться при отключении питания (например, настройки пользователя или калибровочные коэффициенты).

4. Система ввода-вывода и интерфейсы

Ключевой особенностью Arduino Uno является развитая система периферийных устройств, доступная через цифровые и аналоговые порты:

• Цифровые порты ввода-вывода (I/O): Плата оснащена 14 цифровыми контактами. Каждый из них может быть программно сконфигурирован как вход или выход. В режиме выхода порт может выдавать логический уровень «0» (0 В) или «1» (5 В) с ограниченным током нагрузки (обычно до 40 мА на порт). В режиме входа порт может считывать логический уровень с внешних цепей. Шесть из этих портов на плате Uno поддерживают режим ШИМ (PWM — Pulse Width Modulation), что позволяет имитировать аналоговый сигнал и плавно управлять яркостью светодиодов или скоростью вращения моторов [6].

• Аналоговые входы: На плате присутствуют 6 аналоговых входов (A0–A5). В отличие от цифровых, они могут измерять напряжение в диапазоне от 0 до опорного напряжения (по умолчанию 5 В) с разрешением 10 бит (1024 дискретных уровня). Это позволяет подключать к плате разнообразные аналоговые датчики: потенциометры, фоторезисторы, датчики температуры и др.

• Последовательный интерфейс (UART): Реализован на контактах 0 (RX) и 1 (TX). Он используется для обмена данными с компьютером через USB-порт для загрузки программ и отладки (через монитор последовательного порта).

• Интерфейс SPI: Аппаратный последовательный интерфейс для быстрой связи с периферийными устройствами. Использует линии MISO, MOSI, SCK и SS. Именно этот интерфейс используется для подключения модуля считывателя RFID в данном проекте.

• Интерфейс I2C: Двухпроводной интерфейс для связи с низкоскоростными устройствами (датчики, дисплеи), использующий линии SDA (данные) и SCL (тактирование).

Плата Arduino Uno обладает гибкой системой питания. Она может получать питание тремя способами: через USB-порт от компьютера или USB-адаптера, через разъем питания постоянного тока (DC Jack) от внешнего источника напряжением 7–12 В, напрямую через контакт Vin.

Важным элементом архитектуры является встроенный стабилизатор напряжения. При питании от разъема DC Jack или Vin напряжение понижается до стабильных 5 В для питания логики микроконтроллера и периферии. Однако следует учитывать, что шаговый двигатель является достаточно мощным потребителем тока. Подключение его к питанию Arduino напрямую может вызвать просадку напряжения и привести к перезагрузке микроконтроллера или нестабильной работе. Поэтому в практической части проекта питание силовой части двигателя осуществляется либо от отдельного источника через драйвер ULN2003, либо через контакт Vin платы для обеспечения достаточного тока [6].

Таким образом, архитектура платы Arduino Uno представляет собой сбалансированное решение для образовательных задач. Её открытая архитектура, простота среды разработки (Arduino IDE) на языке Wiring/C++ и наличие обширной экосистемы библиотек делают её идеальным инструментом для изучения принципов взаимодействия программного кода с физическим миром, что является фундаментом современной робототехники.

1.2. Технология радиочастотной идентификации (RFID)

• Физические принципы: Описание электромагнитной индукции. Принцип работы пассивных меток (Passive Tags), не имеющих собственного источника питания.

• Стандарты: Сравнение стандартов LF (Low Frequency, 125 кГц) и HF (High Frequency, 13.56 МГц). Обоснование выбора стандарта EM-4100/4102 (125 кГц) как наиболее распространенного и простого в реализации для учебных целей.

• Модуль считывателя RC522/MFRC522: Описание интерфейса SPI. Понятие UID (Unique Identifier) — уникального серийного номера метки [8].

1.3. Исполнительные механизмы в робототехнике: шаговые двигатели

• Принцип действия: Сравнение шаговых двигателей с коллекторными и сервоприводами. Преимущество точного позиционирования без использования обратной связи (энкодера).

• Типы двигателей: Биполярные и Униполярные. Выбор униполярного двигателя 28BYJ-48 как оптимального по соотношению цена/простота управления для учебных проектов.

• Драйвер двигателя ULN2003: Роль микросхемы-драйвера как силового ключа для управления обмотками двигателя от маломощных пинов микроконтроллера [4].

ГЛАВА 2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ СТЕНДА

2.1. Выбор элементной базы и обоснование конструкторских решений

Здесь детально описывается каждый компонент [5]:

1. Контроллер: Выбрана именно Arduino Uno, так как она имеет достаточное количество пинов и наличие стабилизатора напряжения.

2. Система питания: Расчет потребляемого тока шаговым двигателем (до 200-300 мА). Обоснование необходимости питания двигателя от внешнего источника или Vin-пина Arduino для исключения просадки напряжения по USB.

2.2. Разработка электрической принципиальной схемы

• Питание: Общий GND, +5В для логической части и +5В/Vin для силовой.

• Интерфейс RFID → Arduino: Подключение по шине SPI (MOSI, MISO, SCK), а также линии RST, GND и питания (3.3В/5В).

• Интерфейс Драйвер → Arduino: Управление через цифровые пины 8–11 (IN1-IN4).

• Индикация: Светодиодная система оповещения (белый — доступ разрешен, синий — ошибка).

Электрическая принципиальная схема устройства приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Электрическая принципиальная схема устройства

2.3. Сборка макета и компоновка

Устройство собрано на основе микроконтроллера Arduino Uno с модулем RFID RC522 в соответствии с приведенной выше электрической схемой. Процесс сборки состоял из трёх этапов:

1. Прототипирование: проверка работоспособности схемы на макетной плате. Подключение модуля RFID к микроконтроллеру осуществлялось по линиям питания (3,3 В), управления (RESET, D9) и данных (SPI-интерфейс: SCK/D13, MISO/D12, MOSI/D11, SS/D10). Для индикации работы использовался светодиод, подключённый к D13 через токоограничивающий резистор 220 Ом.

2. Пайка: монтаж финальной конструкции с использованием припоя и флюса. Обеспечение качества соединений достигалось за счёт контроля температуры паяльника (280–320°C), времени нагрева (2–3 секунды), а также последующей проверки визуальным осмотром.

3. Размещение в корпусе: интеграция устройства в эргономичный пластиковый корпус. Для повышения надёжности и защиты применены полупрозрачная крышка из поликарбоната и металлические стойки для жёсткости конструкции.

Созданное устройство продемонстрировало высокую стабильность работы и удобное взаимодействие с пользователем благодаря продуманному эргономическому дизайну. Предлагаемая технология сборки и пайки позволила достичь высоких технических характеристик устройства при соблюдении принципов экономичности.

Рис. 2. Фото полученного прибора

Подробный фотоотчет приведен в Приложении 2.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ТЕСТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ

3.1. Алгоритм функционирования системы управления

Блок-схема алгоритма функционирования системы управления представлена на рисунке 2.

Рис. 3. Блок-схема алгоритма

3.2. Реализация кода в среде Arduino IDE

Программный код проекта, написанный в среде Arduino IDE на языке C++, имеет стандартную структуру, состоящую из трех основных блоков: блок подключения библиотек, setup() для инициализации компонентов и loop() для реализации основного алгоритма [9].

Блок объявления и подключения библиотек: подключаются необходимые библиотеки для взаимодействия с аппаратными модулями. Создаются объекты для управления сервоприводом и RFID-считывателем.

Блок setup(): выполняется один раз при запуске программы и предназначен для начальной конфигурации системы. В процессе выполнения блока происходит инициализация последовательного порта для отладки, запуск шины SPI и инициализация RFID-модуля, настройка режимов работы цифровых пинов, присоединение объекта сервопривода к физическому пину и установка его в начальное положение.

Блок loop(): непрерывный рабочий цикл, ожидающий появление новой RFID-карты, считывающий её UID, сравнивающий последний байт с эталонами, прописанными в коде программы, управляющий открытием замка при совпадении или активацией сигнализации при несоответствии, завершающий сессию и возвращающийся в начальное состояние после временной задержки.

Рис. 4. Скриншот исполнения программы

Полный листинг программы приведен в Приложении 1.

3.3. Экспериментальные исследования и тестирование

С целью всесторонней оценки функциональных характеристик, безопасности, надежности и энергопотребления разработанного устройства был разработан план тестирования, представленный в Таблице 1.

Таблица 1. План тестирования системы

3.4. Анализ результатов тестирования

На основании выполненных тестов можно сделать следующие выводы:

Электромеханический замок стабильно срабатывает исключительно при предъявлении авторизованной RFID-метки, что свидетельствует о правильной реализации алгоритма аутентификации и точности настройки исполнительного механизма.

Ни одна попытка активации устройства с использованием неавторизованных меток или при отсутствии метки не привела к ложному срабатыванию замка, что подтверждает эффективность реализованных мер защиты и корректность алгоритма принятия решений.

В ходе серии из 100 циклов открывания-закрывания не зарегистрировано ни одного отказа или сбоя в работе исполнительных механизмов, что доказывает достаточную износостойкость и пригодность устройства к продолжительной эксплуатации.

Потребляемый ток в режиме ожидания составил менее 10 мA, а в активном режиме (вращение двигателя) — не превышал 200 мA, что свидетельствует о рациональном расходовании электроэнергии и перспективности применения устройства в автономных энергосберегающих системах.

Таким образом, проведенные испытания подтверждают полную функциональность, безопасность, надежность и энергоэффективность разработанного устройства, что делает его готовым к дальнейшей эксплуатации и возможной доработке с целью дальнейшего совершенствования потребительских качеств.

ГЛАВА 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТЕНДА В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ

4.1. Дидактический потенциал проекта

Разработанный стенд «Цифровой замок» представляет собой не просто техническое устройство, а комплексный учебно-методический комплекс. Ценность стенда заключается в его способности интегрировать знания из физики, информатики и технологии, позволяя учащимся перейти от теории к практике через создание реального устройства, управляемого программным кодом.

Физика: наглядная демонстрация законов природы.

• Электромагнетизм: стенд позволяет визуализировать явление электромагнитной индукции. Учащиеся видят, как считыватель генерирует поле, питающее пассивную метку, которая затем передаёт свой уникальный код. Это закрепляет понятия беспроводной передачи энергии и данных.

• Электротехника: при сборке устройства ученики на практике применяют законы Ома и Кирхгофа. Они рассчитывают токоограничивающие резисторы для светодиодов, изучают работу драйвера двигателя ULN2003 как усилителя тока и решают проблему разделения силовых (двигатель) и логических (контроллер) цепей для стабильности системы.

• Механика: работа шагового двигателя демонстрирует прецизионное позиционирование. Программная команда step() напрямую управляет физическим миром, поворачивая вал на заданный угол. Это позволяет связать абстрактное число в коде с реальным механическим перемещением засова.

Информатика: от алгоритма до реализации.

• Алгоритмизация: проект требует разработки чёткого алгоритма с ветвлениями: «Ожидание события → Считывание UID → Сравнение (Да/Нет) → Действие (Открыть/Ошибка) → Возврат в исходное состояние». Это закрепляет навыки структурного программирования.

• Основы языка C++: учащиеся работают с переменными, массивами (для хранения UID), условными операторами и циклами в среде Arduino IDE, изучая синтаксис языка на практике.

• Работа с библиотеками и API: проект учит использованию готовых решений. Подключение библиотек позволяет работать со сложной периферией через простой программный интерфейс, не вникая в низкоуровневые протоколы, что демонстрирует современный подход к разработке.

Технология: формирование инженерных навыков.

• Навыки чтения схем: работа начинается с анализа электрических принципиальных схем. Учащиеся учатся соотносить условные обозначения на бумаге с реальными компонентами, прослеживая пути сигналов и питания.

• Пайка и сборка: переход от макетной платы к финальной сборке формирует культуру аккуратного монтажа. Ученики осваивают пайку компонентов, работу с припоем и изоляцией, создавая надёжное устройство.

• Проектная деятельность: создание стенда – это полный инженерный цикл: от постановки задачи и подбора компонентов до сборки, отладки ПО и тестирования готового изделия, что формирует системный подход к решению технических задач.

4.2. План учебного занятия с использованием стенда

Пример сценария урока:

Вводная часть: Демонстрация готового устройства.

Теория: Объяснение принципов работы RFID и шагового двигателя.

Практика: Подключение компонентов на макетной плате вместе с учителем.

Программирование: Написание простого скетча мигания светодиодом → усложнение до чтения RFID → управление двигателем.

Закрепление: Самостоятельное изменение кода (например, изменение времени задержки открытия).

Описание плана урока приведено в Приложении 3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы была подтверждена гипотеза о возможности создания эффективного образовательного инструмента на базе открытой аппаратной платформы Arduino.

В процессе работы была разработана и реализована электрическая принципиальная схема устройства. Схема обеспечивает корректное взаимодействие всех узлов: микроконтроллера, считывателя, драйвера двигателя и элементов индикации, с учётом требований по стабильности питания и разделению силовых и логических цепей.

В проекте разработан и отлажен на языке C++ в среде Arduino IDE программный алгоритм, обеспечивающий полный цикл функционирования устройства: инициализацию, опрос RFID-считывателя, проверку совпадения UID, управление шаговым двигателем для открытия и закрытия замка, реализацию временных задержек и индикацию текущего состояния системы.

Изготовлен действующий макет устройства. Проведённые комплексные испытания подтвердили работоспособность стенда и его соответствие техническому заданию. Система успешно прошла проверку на функциональность, стабильность и надёжность, что доказывает практическую применимость разработанного решения.

Разработаны методические рекомендации по использованию стенда в образовательном процессе. Создан сценарий учебного занятия, демонстрирующий, как проект интегрирует знания по физике, информатике и технологии, позволяя перейти от абстрактных понятий к созданию реального работающего устройства.

Проведенные испытания подтвердили надежность и стабильность функционирования макета при многократных циклах использования. Разработанный стенд обладает высоким дидактическим потенциалом и может быть использован как основа для проведения лабораторных работ по робототехнике и программированию в учреждениях общего и дополнительного образования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Банци, М. Arduino для начинающих волшебников. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2024. – 128 с.

2. Ивченко, Г.И., Теория вероятностей и математическая статистика / Г.И. Ивченко, Ю.И. Медведев. — Санкт-Петербург: Лань, 2025. – 158 с.: ил.

3. Кузнецов, А.С. Основы электроники и схемотехники / А.С. Кузнецов. — Москва: Академия, 2024. – 245 с.

4. Кулиш, С.Н. Шаговые двигатели и их применение в робототехнике / С.Н. Кулиш. — Москва: Техносфера, 2025.

5. Перышкин, А.В.Физика : 7-й класс : базовый уровень : учебник : издание в pdfформате / И. М. Перышкин, А. И. Иванов. — 4-е изд., стер. — Москва: Просвещение, 2024. — 239, [1] с. : ил.

6. Петин, В. А. Проекты с использованием контроллера Arduino. — 4-е изд., перераб. и доп. — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2021. — 560 с: ил. — (Электроника).

7. Хоровиц , П.Искусство схемотехники. - В 2-х томах, т. 1 / П. Хоровиц, У. Хилл; Пер. с англ. под ред. М. В. Гальперина, редакторы: Н. В. Серёгина, Ю. Л. Евдокимова. — Москва: Мир, 1983. — т. 1: 568 с.

8. Чиряков, М.А. Проектирование и разработка электронных устройств / М.А. Чиряков. — Москва: ИНТУИТ, 2026.

9. Яншин, С.Л. Практическое руководство по программированию микроконтроллеров Arduino / С. Л. Яншин. — Москва: Альпина Паблишер, 2025.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1. Полный листинг программного кода проекта.

#define ALARM_PIN 3

#define GND 2

#include <SPI.h>

#include <MFRC522.h>

#include <Servo.h>

Servo myservo; // create servo object to control a servo

#define RST_PIN 9 // Configurable reset pin

#define SS_PIN 10 // Configurable slave select pin

int pos = 0;

MFRC522 mfrc522(SS_PIN, RST_PIN); // Create MFRC522 instance

unsigned long myTime;

unsigned long myTime1;

void setup() {

Serial.begin(9600); // Initialize serial communications

SPI.begin(); // Init SPI bus

mfrc522.PCD_Init(); // Init MFRC522 board

Serial.println(F("Scan a PICC (card/tag) to see its UID..."));

pinMode(ALARM_PIN, OUTPUT);

pinMode(GND, OUTPUT);

myservo.write(0);

digitalWrite(GND, LOW);

myservo.attach(6);

}

void loop() {

// Look for new cards

if ( ! mfrc522.PICC_IsNewCardPresent()) {

return;

}

// Select one of the cards

if ( ! mfrc522.PICC_ReadCardSerial()) {

return;

}

int buffer;

for (byte i = 0; i < mfrc522.uid.size; i++) {

// Serial.println(mfrc522.uid.uidByte[i], DEC);

buffer = mfrc522.uid.uidByte[i];

// Serial.println(buffer);

}

if(buffer==5 || buffer==6)

{

myservo.write(90);

delay(500);

}

else{

Serial.println("un success");

digitalWrite(ALARM_PIN, HIGH);

}

Serial.println("-------------");

Serial.println();

// Halt PICC

mfrc522.PICC_HaltA();

// Stop encryption on PCD

mfrc522.PCD_StopCrypto1();

delay(5000);

myservo.write(0);

}

Приложение 2. Фотографии этапов сборки макета и готового устройства.

Рис. 1. Прототипирование модели

Рис. 2. Пайка конструкции

Рис.3. Программирование платы

Рис. 4. Проверка считывания метки верно-неверно

Рис. 5. Размещение устройства в корпусе

Рис. 6. Фиксация устройства в коробке

Рис. 7. Фиксация устройства на металлических стойках

Рис. 6. Готовый стенд «Цифровой замок»

Приложение 3. План учебного занятия с использованием стенда «Цифровой замок»

Тема урока: От идеи к прототипу: создание системы контроля доступа на базе Arduino.

Тип урока: Комбинированный (изучение нового материала, практическая работа, закрепление).

Целевая аудитория: Учащиеся 8–10 классов, знакомые с основами физики и алгоритмизации.

Продолжительность: 90 минут (2 академических часа).

Оборудование: Готовый стенд «Цифровой замок», макетные платы (breadboard), наборы соединительных проводов, RFID-карты и брелоки, персональные компьютеры с установленной средой Arduino IDE, проектор.

Ход урока

1. Вводная часть: Мотивация и демонстрация (15 минут)

• Организационный момент (3 мин): Приветствие, проверка готовности рабочих мест.

• Постановка проблемы (5 мин): Учитель начинает с актуального вопроса: «Как обеспечить сохранность личных вещей в школе, когда вы на уроке физкультуры?». Обсуждаются недостатки существующих решений (обычные ключи, механические замки, хранение у учителя). Вводится понятие «Автоматизированная система контроля доступа».

• Демонстрация готового устройства (7 мин): Учитель показывает полностью собранный и функционирующий стенд. Продемонстрировать полный цикл работы: поднесение авторизованной карты — открытие замка — задержка — автоматическое закрытие. Попытка доступа с неавторизованной картой (срабатывает индикация ошибки). Это создает «вау-эффект» и мотивирует учеников разобраться в устройстве.

2. Теоретический блок: Принципы работы компонентов (20 минут)

• Разбор аппаратной части (10 мин): С помощью проектора выводится электрическая принципиальная схема стенда. Учитель последовательно объясняет роль каждого компонента:

  • «Мозг» системы: Плата Arduino Uno. Объясняется, что это программируемый контроллер.

  • «Глаза» системы: RFID-считыватель. Объясняется принцип электромагнитной индукции: как считыватель создает поле, а карта получает от него энергию и передает свой уникальный номер (UID).

  • «Мускулы» системы: Шаговый двигатель и драйвер ULN2003. Объясняется преимущество шагового двигателя — возможность повернуть вал на точное количество шагов, что идеально для замка. Роль драйвера как усилителя, позволяющего слабому сигналу от Arduino управлять мощным мотором.

• Разбор программной части (10 мин): Учитель открывает в Arduino IDE готовый скетч (код) проекта. Не вдаваясь в детали каждой строчки, объясняется общая логика алгоритма:

1. Инициализация: Система «просыпается» и настраивает компоненты.

2. Ожидание: Программа постоянно «слушает», не прикладывают ли карту к считывателю.

3. Сравнение: Если карта считана, программа сравнивает её номер с тем, что записан в памяти.

4. Действие: Если номер верный — подается команда на двигатель (открыть). Если нет — команда на индикацию ошибки.

5. Таймер: После открытия запускается счетчик времени (например, 10 секунд), после чего подается команда на закрытие.

3. Практическая работа: Сборка макета (35 минут)

• Подготовка (5 мин): Ученики получают наборы компонентов (за исключением самого замка и Arduino, которые уже подключены). На экране выводится схема подключения периферии к основной плате.

• Сборка под руководством учителя (25 мин): Учитель поэтапно диктует действия, контролируя процесс у каждого ученика/группы:

  • Подключение питания и «земли» (GND) к макетной плате.

  • Подключение сигнальных проводов от RFID-считывателя к соответствующим пинам Arduino (MISO, MOSI, SCK, RST).

  • Подключение выходов драйвера ULN2003 к пинам Arduino, управляющим шаговым двигателем.

  • Подключение светодиодов индикации через резисторы.

• Проверка соединений (5 мин): Визуальная проверка учителем правильности сборки перед подачей питания для предотвращения короткого замыкания.

4. Практическая работа: Программирование (15 минут)

• Написание кода (15 мин): Ученики открывают шаблон скетча в Arduino IDE.

  • Этап 1: Запускается пример скетча Blink (мигание встроенным светодиодом) для проверки связи компьютера с платой.

  • Этап 2: Ученики копируют блоки кода для работы с RFID-считывателем и загружают скетч, который просто выводит UID считанной карты в монитор последовательного порта (Serial Monitor). Это позволяет им увидеть, как компьютер «видит» карту.

  • Этап 3: Добавление кода для управления шаговым двигателем. Загрузка финальной версии программы и проверка её работы на собранном макете.

5. Закрепление и рефлексия (5 минут)

• Творческое задание: Ученикам предлагается самостоятельно изменить один параметр в коде. Например, изменить время задержки открытия замка со стандартных 10 секунд (delay(10000)) на другое значение.

• Проверка результата: Ученики загружают измененный код и проверяют, как изменилось поведение устройства.

• Подведение итогов: Краткое обсуждение: что было самым сложным? Что нового узнали? Как эти знания можно применить в других проектах? Выставление оценок за активность и результативность работы.