Государственное бюджетное образовательное учреждение школа 1547
Эврика - Огонёк
Прибор для измерения скорости реакции Человека на внешние раздражители
работа ученика 11 класса ГБОУ 1547
Леонтьева Леона Александровича
Введение
В нашей школе уже полгода существует маленькое конструкторское бюро, пока из учащихся 10-11 классов.
В феврале 2017 года мы получили от группы учащихся, занимающихся изучением физиологии человека, заказ на разработку прибора, измеряющего скорость реакции.
Испытуемый должен был нажать на кнопку при появлении светового сигнала. Интервалы между появлениями светового сигнала должны были быть случайными. При этом необходимо было регистрировать время реакции. Затем данные должны были переносится в электронные таблицы для статистической обработки.
В качестве материальной базы для прибора мы взяли набор Arduino. В основе набора было Arduino Uno. Достаточно функциональная и бюджетная платформа. Набор деталей позволяет собрать прибор со свойствами, объявленными заказчиком.
В 2002 году программист Массимо Банци (Massimo Banzi) был принят на работу в должности доцента в Институт проектирования взаимодействий города Ивреа (Interaction Design Institute Ivrea, IDII) для продвижения новых способов разработки интерактивных проектов. Однако крошечный бюджет и ограниченное время доступа к лабораторной базе сводили его усилия практически на нет. В проектах Банци использовал устройство BASIC Stamp, разработанное калифорнийской компанией Parallax.
Stamp представлял собой небольшую печатную плату с размещенными на ней источником питания, микроконтроллером, памятью и портами ввода/вывода для соединения с различной аппаратурой. Программирование микроконтроллера осуществлялось на языке BASIC. BASIC Stamp имел две проблемы: недостаток вычислительной мощности и достаточно высокую цену — плата с основными компонентами стоила около 100 долларов. И команда Банци решила самостоятельно создать плату, которая удовлетворяла бы всем их потребностям.
Банци и его сотрудники поставили себе целью создать устройство, представляющее собой простую, открытую и легкодоступную платформу для разработки, с ценой — не более 30 долларов — приемлемой для студенческого кармана. Хотели они и выделить чем-то свое устройство на фоне прочих. Поэтому в противовес другим производителям, экономящим на количестве выводов печатной платы, они решили добавить их как можно больше, а также сделали свою плату синей, в отличие от обычных зеленых плат.
Продукт, который создала команда, состоял из дешевых и доступных компонентов — например, базировался он на микроконтроллере ATmega328. Но главная задача состояла в том, чтобы гарантировать работу устройства по принципу plug-and-play, — чтобы пользователь, достав плату из коробки и подключив к компьютеру, мог немедленно приступить к работе.
Первый прототип платы был сделан в 2005 году, она имела простейший дизайн и еще не называлась Arduino. Чуть позже Массимо Банци придумал назвать ее так по имени принадлежащего ему бара, расположенного в городе Ивреа. Бренд «Arduino» без какой-либо рекламы и привлечения средств маркетинга быстро приобрел высокую популярность в Интернете. С начала распространения продано более 250 тыс. комплектов Arduino, и это не учитывая множества клонов.
В мире насчитывается более двухсот дистрибьюторов продукции Arduino — от крупных фирм, таких как SparkFun Electronics, до мелких компаний, работающих на местный рынок. На сегодня платформа Arduino представлена не одной платой, а целым их семейством. В дополнение к оригинальному проекту, называемому Arduino Uno, новые модели, имеющие на плате более мощные средства, носят название Arduino Mega, компактные модели — Arduino Nano, платы в водонепроницаемом корпусе — LilyPad Arduino, а новая плата с 32-разрядным процессором Cortex-M3 ARM — Arduino Due.
Своим успехом проект Arduino обязан существовавшим до него языку Processing и платформе Wiring. От этих проектов Arduino унаследовал одну сильную черту удобную для пользователя среду разработки. До появления Arduino программирование микроконтроллеров требовало сложного и рутинного предварительного обучения. А с Arduino даже те, кто не имеет опыта работы с электронными устройствами, теперь могут приобщиться к миру электроники.
По словам Массимо Банци, пятьдесят лет назад, чтобы написать программное обеспечение требовалась команда людей в белых халатах, которые знали все об электронных лампах. Теперь же, с появлением Arduino, множество людей получили возможность создавать электронные устройства самостоятельно. Как утверждает один из членов команды Банци, инженер по телекоммуникациям Дэвид Куартилльз, философия Arduino как раз и состоит в том, что желающий разобраться в электронике может сразу же приступить к ее изучению.
Платформа Arduino Uno и её комплектующие
Сама платформа имеет большое количество дополнительных модулей.
На фото представлен набор деталей на нашего устройства.
Первый вариант устройства был собран на макетной плате. Для проверки работоспособности.
В устройство была добавлена плата для работы с microSD, программу переработали так, что данные сохранялись в формате *.csv, который мог открываться сразу в электронных таблицах.
Возникла необходимость фиксации не только времени реакции испытуемого, но и интервала между включениями сигнала.
Все это было сделано.
То есть, после запуска среды Arduino и загрузки скетча открываем монитор порта. Через него ведется контроль работы.
Испытуемый получает короткую инструкцию как реагировать на загорание светодиода. Оператор запускает сеанс работы. Всего на одного испытуемого 15 попыток.
Программа включала светодиод через случайный интервал от 1 до 5 секунд
В мониторе порта мы получаем следующую картину:
Где User 1 текущее имя испытуемого,
t1 – интервал между включениями сигнала
t2 – время реакции испытуемого.
Параллельно сохраняются данные в файл на microSD.
Технология работы с установкой оказалась достаточно простой.
После небольшого инструктажа пользователи уверенно работали.
После небольших испытаний мы провели собеседование с пользователями и выяснили недостатки данной технологии.
На основании рекомендаций мы решили дополнить устройство картой памяти и фиксировать не только время реакции испытуемого и временной интервал между включениями светодиода.
Макетную плату убрали совсем.
Программу мы изменили для работы с файлами на SD-карте. При этом формат файла (*.csv) предполагает открытие файла сразу в электронных таблицах без копирования в другие программы.
При работе вынуждены были оставить представление данных в миллисекундах. Так как разделитель десятичных знаков в Arduino точка, а в электронных таблицах запятая.
Финальный прототип прибора
Вывод
Прибор и предложенная методика достаточно просты для применения школьниками;
Прибор и методика легко тиражируются;
Потребность в приборе по Москве, учитывая работу по оснащению медико-биологических классов, более 100 экземпляров.
Если учесть, что во многих школах медико-биологические классы существуют вместе с инженерными, то есть возможность оказания методической помощи для сборки прибора на месте.
Как возможный вариант устройства прибора мы рассматриваем возможность его полной автономии. То есть, дополнить индикацией хода эксперимента и снабдить автономным питанием. Тогда появится возможность проведения наблюдений без компьютера, что снизит габариты прибора.
Литература
Джереми Блум. Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства 336 с. БХВ-Питер, 2015 http://thearduino. ru/pro-arduino/istoriya-sozdaniya-arduino-chem-izvesten-massimo-banci/ ссылка доступна на 13.12.2017Оглавление
Введение 2
Платформа Arduino Uno и её комплектующие 6
Вывод 13
Литература 14
