Fundamental · Werkboek · 25. Sensoren en automatisch regelen StemExpert · Brecht Corbeel · schoolium.me
SE
StemExpert
F25. Sensoren en automatisch regelen — werkboek
FFundamental · deel F6 · Programmeren en automatiseren
Werkboek · hoofdstuk 25Sensoren en automatisch regelen
Meten, beslissen, doen: de meetkas geeft zelf water en zet zelf haar dakraam open
Je begint met sensoren en actuatoren herkennen en rekenen met ruwe waarden. Daarna reken je sensoren om, gebruik je ijklijnen, lees je regelgrafieken en programma's, en ijk je in het labo zelf een temperatuursensor. In de uitdagingen ontwerp je het volledige automatische water geven van de meetkas, met aandacht voor fouten (opdracht 25.13, voor je Habitat-portfolio), kies je de drempels van het dakraam en vergelijk je met de regelkring van je eigen lichaam.
De meetkas regelt zichzelf: het dakraam staat open en de sensor bewaakt het vocht in de grond.
Hoe lees je een opdracht?
Drie tredenOefenenToepassenUitdagen
Elk hoofdstuk bouwt op: eerst oefenen (één stap, direct toepassen), dan toepassen (meerdere stappen, in een context), dan uitdagen (transfer, open problemen, andere leerlijnen erbij).
De StemExpert-schaal5
Eén moeilijkheidsschaal van 1 tot 9 over de drie niveaus heen: Fundamental loopt van 1 tot 4, Intermediate van 3 tot 7, Expert van 6 tot 9. Zo zie je dat de uitdaging van het ene niveau de oefening van het volgende is.
Sorteer: welke zijn sensoren (of ingangen), welke actuatoren (of uitgangen)?
sensor / ingang
actuator / uitgang
b
Welke van de sensoren geven een analoog signaal, welke een digitaal?
25.2
Meten, beslissen, doen in huis
Oefenen1Begrijpen10 min
Vul voor elk toestel de drie blokken van de regelkring in.
a
Vul de tabel in.
toestel
meten (sensor)
beslissen
doen (actuator)
koelkast
straatlamp
automatische schuifdeur
strijkijzer
25.3
Van spanning naar getal
Oefenen2Rekenen10 min
Een Uno meet 0 tot 5 V als 0 tot 1023; een micro:bit meet 0 tot 3,3 V als 0 tot 1023.
a
Welke ruwe waarde verwacht je?
spanning
Uno
micro:bit
0 V
1,0 V
2,5 V
3,3 V
5,0 V
b
Waarom geeft de micro:bit bij 5 V geen hoger getal dan bij 3,3 V? (En sluit je 5 V best niet aan op een micro:bit.)
25.4
Van getal naar spanning
Oefenen2Rekenen8 min
Een Uno leest deze ruwe waarden.
a
Bereken de spanning: 0; 205; 512; 818; 1023.
b
Hoe groot is het kleinste spanningsverschil dat de Uno kan zien?
25.5
Open of gesloten lus?
Oefenen2Begrijpen8 min
Is dit een open of een gesloten lus?
a
Een gazonsproeier die elke avond 10 minuten aangaat.
Aopen lus
Bgesloten lus
b
De thermostaat van een verwarming.
Aopen lus
Bgesloten lus
c
Een buitenlamp die aangaat als een bewegingsmelder iemand ziet.
Aopen lus
Bgesloten lus
d
Een cruisecontrol die de snelheid van een auto constant houdt.
Aopen lus
Bgesloten lus
e
Leg bij de buitenlamp uit waarom je voor open of gesloten koos.
Toepassen
Toepassen
meerdere stappen, in een context
25.6
De TMP36 omrekenen
Toepassen3Rekenen12 min
TMP36 op een Uno: U=0,5V+0,010V/∘C×T.
a
Welke temperatuur hoort bij de ruwe waarde 143?
b
Welke ruwe waarde verwacht je bij 25 °C? En bij −10 °C?
c
Een leerling leest 0. Is het −50 °C in de kas? Wat is er waarschijnlijk aan de hand?
25.7
Een ijklijn gebruiken
Toepassen3Analyseren12 min
Gebruik de ijklijn van de TMP36.
IJklijn van de TMP36 uit het handboek.
a
Welke temperatuur hoort volgens de ijklijn bij de ruwe waarden 130, 170 en 200?
b
Welke temperaturen geeft het gegevensblad voor dezelfde waarden? Wat valt op?
c
Mag je de ijklijn gebruiken om −20 °C of 90 °C te meten? Waarom (niet)?
25.8
Twee-punts-ijking van een andere sensor
Toepassen3Rekenen12 min
Een tweede bodemvochtsensor meet 580 in droge potgrond en 270 in natte potgrond.
a
Stel de formule op die de ruwe waarde omrekent naar een vochtigheid van 0 tot 100 %.
b
Hoe vochtig is de grond bij de ruwe waarde 490?
c
Bij welke ruwe waarde moet de kas water geven (drempel 30 %)? Waarom mag je niet de 510 van de eerste sensor gebruiken?
25.9
De thermostaatgrafiek lezen
Toepassen3Analyseren15 min
Bekijk de grafiek van de meetkas met het automatische dakraam.
De meetkas met en zonder automatisch dakraam (handboek).
a
Om welk uur gaat het raam voor het eerst open? Hoe weet je dat uit de grafiek?
b
Hoeveel keer gaat het raam open? Hoe lang blijft het ongeveer open rond 14 uur?
c
Waarom daalt de temperatuur met open raam niet tot de buitentemperatuur?
d
Na 16 uur blijft het raam dicht, hoewel de gesloten kas om 16 uur nog 27,5 °C haalt. Verklaar.
25.10
Code lezen: water geven
Toepassen3Programmeren15 min
Bekijk het programma water_geven.ino in het handboek.
a
Wat doet het programma bij de ruwe waarden 450, 520 en 620, als er water in het reservoir is? Reken het vocht uit.
b
Wat gebeurt er als het reservoir leeg is en de grond droog?
c
Hoeveel water kan de kas hoogstens per uur geven? En per dag?
d
Een leerling zet de wachttijd op 10 s 'om sneller te testen' en vergeet ze terug te zetten. Wat gebeurt er in de echte kas?
25.11
Een straatlamp voor de ledstrip
Toepassen3Programmeren15 min
De ledstrip van de meetkas hangt aan relais K1 op D7 (hoofdstuk 18). De lichtsensor op A2 geeft een hogere waarde als het lichter is. Onder 300 is het te donker voor de planten.
a
Teken een blokprogramma dat de ledstrip aanzet als het te donker is en uitzet als het licht genoeg is.
b
Bij schemering schommelt de waarde rond 300. Wat merk je aan de ledstrip? Hoe los je het op?
c
De ledstrip brandt en schijnt op de lichtsensor. Wat gebeurt er? Hoe vermijd je het?
25.12
Labo: ijk je eigen temperatuursensor
Toepassen3Labo50 min
Voer de proef uit het handboek zelf uit met jouw TMP36 (of een andere temperatuursensor) en een referentiethermometer.
a
Noteer je metingen bij minstens vier temperaturen.
T referentie (°C)
ruwe waarde
T volgens gegevensblad (°C)
verschil (°C)
b
Teken de ijklijn (referentie horizontaal, ruwe waarde verticaal) en de lijn van het gegevensblad.
c
Heeft jouw sensor een vaste afwijking, een andere helling, of allebei? Welke correctie zet je in je programma?
d
Noem twee oorzaken van meetfouten in deze proef en hoe je ze klein houdt.
Zo wordt dit beoordeeld
Metingen
Minstens vier temperaturen, gespreid over het bereik; pas genoteerd als beide waarden stabiel zijn.
Grafiek
Assen met grootheid en eenheid, punten, best passende rechte, lijn van het gegevensblad.
Besluit
Offset en/of helling benoemd, correctie in °C, geldigheidsbereik vermeld.
Meetfouten
Bv. sensor en thermometer niet op dezelfde plaats, water niet geroerd, niet lang genoeg gewacht, sensor niet waterdicht.
Uitdagen
Uitdagen
transfer, open problemen, leerlijnen combineren
25.13
Habitat: het volledige ontwerp van het water geven
Uitdagen4Habitat60 min
Je bouwt het automatische water geven voor de meetkas. Denk aan wat er mis kan gaan. Een sensor die uit de grond getrokken wordt of waarvan de draad losschiet, geeft een waarde die niets met de grond te maken heeft: los aan de lucht meet een capacitieve sensor 'heel droog' (bv. 640), een losse signaaldraad geeft willekeurige waarden of 0.
a
Maak het pinplan en teken het volledige schema: sensor, vlotter, relaismodule met pompkring (zekering, K2, vlotter, pomp), statuslampje.
b
Wat doet het programma uit het handboek als de sensordraad losschiet en de ingang 0 leest? En als de sensor naast het bakje ligt (640)?
c
Bedenk een controle die zulke onmogelijke waarden herkent. Welke grenzen kies je, en wat doet de kas dan?
d
Schrijf het verbeterde deel van het programma (in code of in blokken).
e
Testplan: beschrijf vijf tests die je doet voor je de kas een week alleen laat.
f
Portfolio: noteer pinplan, ijkpunten, drempel, pomptijd, wachttijd en je foutcontrole.
Hint
Normaal ligt de ruwe waarde tussen de twee ijkpunten, met wat speling: pakweg tussen 250 en 620. Wat daarbuiten ligt, is verdacht.
Zo wordt dit beoordeeld
Schema
Sensor op A0, vlotter op D3 met pull-up, relaismodule op D6 met K2 in de 12 V-tak samen met zekering en vlotter; leds met weerstand.
Foutanalyse
0 → vocht 200 %: nooit water, planten verdrogen zonder alarm. 640 → vocht −13 %: pompen elk kwartier, tot het reservoir leeg is.
Foutcontrole
Grenzen rond de ijkpunten; bij een onmogelijke waarde niet pompen en een duidelijk alarm (knipperen).
Testplan
Minstens: droog, nat, reservoir leeg, sensor los, stroomuitval; met verwachte en geziene reactie.
25.14
Twee drempels kiezen voor het dakraam
Uitdagen4Analyseren20 min
Met de simulatie uit het handboek vergeleek een leerling vier keuzes van drempels voor het dakraam, op dezelfde zonnige aprildag (6 tot 20 uur).
open boven
dicht onder
schakelingen van 6 tot 20 h
hoogste temperatuur
28 °C
28 °C
166
28,3 °C
28 °C
27 °C
40
28,2 °C
28 °C
25 °C
14
28,2 °C
30 °C
25 °C
6
30,1 °C
a
Wat gebeurt er met het aantal schakelingen als je de twee drempels verder uit elkaar legt? En met de hoogste temperatuur als je de bovenste drempel verhoogt?
b
De duwstang is gemaakt voor 20 000 bewegingen. Hoe lang houdt ze het bij één drempel, en bij 28/25 °C, als elke dag zo zonnig is?
c
Welke keuze beveel je aan voor de planten (boven 30 °C lijden ze)? Verdedig.
25.15
Ontwerp: een servo als thermometer
Uitdagen4Ontwerpen40 min
Op het bedieningspaneel van de meetkas wil je een grote wijzer die de temperatuur toont: een servo met een lange arm boven een halve cirkel met een schaal. 0° is 0 °C, 180° is 45 °C.
a
Welke hoek hoort bij 20 °C? En bij 32 °C? Hoeveel graden draait de wijzer per °C?
b
Teken de schaal (halve cirkel) met streepjes per 5 °C. Waar valt het gebied boven 30 °C (rood)?
c
Schrijf het programma met de TMP36 op A1 (met ijkcorrectie) en de servo op pin 9. Wat gebeurt er als het kouder is dan 0 °C?
d
De servo trekt bij het draaien kort een paar honderd milliampère. Waarom sluit je zijn voeding niet aan op een pin?
Zo wordt dit beoordeeld
Rekenen
4 graden per °C; 80° bij 20 °C, 128° bij 32 °C.
Schaal
Halve cirkel met streepjes per 5 °C (0 tot 45 °C), rood gebied van 120° tot 180°.
Programma
Omrekenen, begrenzen tot 0-45 °C, map naar 0-180°, wachttijd.
Voeding
Servo op 5V en GND van het bord (of een aparte voeding), signaal op pin 9.
25.16
De thermostaat in je lichaam
Uitdagen4Begrijpen20 min
Je lichaam houdt zijn kerntemperatuur rond 37 °C. Zenuwcellen in de huid en in de hersenen meten de temperatuur; een deel van de hersenen (de hypothalamus) vergelijkt met 37 °C. Is het te warm, dan ga je zweten en zetten de bloedvaten in de huid open. Is het te koud, dan ga je rillen en vernauwen de bloedvaten in de huid.
a
Teken het blokschema meten - beslissen - doen voor je lichaamstemperatuur. Benoem sensor, regelaar, actuatoren, proces en storing.
b
Is het een open of een gesloten lus? Leg uit.
c
Werkt je lichaam eerder als een aan/uit-regeling of als een regeling die geleidelijk bijstuurt? Geef een argument.
d
Bij koorts 'verzet' het lichaam de gewenste waarde naar bijvoorbeeld 39 °C. Waarom heb je dan in het begin koude rillingen?
ZelfevaluatieKleur per doel: lukt al / bijna / nog niet
Ik kan het blokschema meten - beslissen - doen tekenen en uitleggen, en een open lus onderscheiden van een gesloten lus.
Ik kan voor temperatuur, licht en bodemvocht een sensor kiezen en zeggen welke grootheid er verandert.
Ik kan een ruwe waarde van een 10-bits ADC (0 tot 1023) omrekenen naar een spanning en omgekeerd, voor een Uno (5 V) en een micro:bit (3,3 V).
Ik kan een sensor ijken met een referentie: metingen in een tabel en een ijklijn zetten, en de ijklijn gebruiken.
Ik kan een aan/uit-regeling met een drempelwaarde ontwerpen, en uitleggen waarom twee drempels (hysterese) het schakelen rustiger maken.
Ik kan een geschikte actuator kiezen (servo, pomp, ventilator, relais, duwstang) en uitleggen waarom een relais nodig is.
Ik kan het automatisch water geven van de meetkas bouwen, programmeren en testen, met aandacht voor wat er gebeurt als iets faalt.
