Liikkeestä Aktivoituva Micro:bit Hälytin Kulkuneuvoon

Tässä projektissa rakennamme yksinkertaisen esimerkiksi pyörään tai potkulautaan kiinnitettävän hälyttimen, joka toimii Micro:bit mikrokontrollerin avulla. Hälytin aktivoidaan painamalla sen pohjassa olevaa kytkintä, jonka jälkeen laite lähettää äänimerkkejä, mikäli Micro:bitin kiihtyvyyssensori havaitsee hälytintä liikutettavan. Hälytys loppuu liikkeen päätyttyä tai deaktivoimalla hälytin samasta kytkimestä, josta laitteen saa aktivoitua. Hälyttimen yläkannessa on hälytystilaa ilmaiseva punainen led-valo, joka vilkkuu laitteen ollessa valmiudessa. Tässä esimerkissä käytetään Ninebot Segway ES2-sähköpotkulaudan tangon mittoja hälyttimen kiinnitystä varten. Hälyttimen suojakuori valmistetaan 3D-tulostamalla PETG muovista.

Ohjeiden lopussa esitellään tuntijako sekä huomioita eriyttämisestä opetustarkoitusta ajatellen.

• 3D-tulostin ja PETG filamenttia (tässä projektissa Prenta Duo XL)
• Juotosasema
• 1x BBC Micro:bit v.1 tai v.2
• https://www.kouluelektroniikka.fi/tuote/ohjelmoitava-elektroniikka-ja-tarvikkeet/bbc/alustat/4660025/bbc-micro-bit-v2
• 1x paristovirtalähde 2x AAA paristolla
• https://www.kouluelektroniikka.fi/tuote/elektroniikan-rakentelu/e-tekstiilit/paristopitimet-e-tekstiileille/4714299/paristopidin-2xum3-jst-ph-liittimella
• 1x pieni kaiutin (Piezo)
• https://ihmevekotin.fi/aeaenilaehteet/741-piezo-summeri-15v-24v-5200-hz.html
• 1x painokytkin
• https://www.kouluelektroniikka.fi/tuote/kytkimet/painokytkimet/5201006/painokytkin-1-x-off-on
• 1x led (5mm)
• https://www.kouluelektroniikka.fi/tuote/elektroniikan-komponentit-ja-tarvikkeet/ledit-ja-led-naytot/5mm-ledit/perus-diffusoidut/3410502/5-mm-ledi-punainen-12-5-80-mcd-60-astetta
• Kytkentälankaa
• Kiinnikkeet
• Kiinnittimet suojakuorelle
• 4x M5 Mutteri
• 4x M5x20mm pultti
• Kiinnittimet pidikkeelle*
• 2x M4 Mutteri
• 2x M4x15mm pultti
• Kiinnitys komponenteille
• 2x M2x15mm ruuvi/pultti (Piezolle)
• Velcro tarranauhaa liimapinnalla (Microbitille ja paristovirtalähteelle)

*Huom. jos haluat muuttaa pidikkeen mallia kiinnittääksesi hälyttimen muuhun kuin Ninebot ES2 sähköpotkulautaan, kiinnikkeiden määrä ja malli muuttuu valitsemasi toteutuksen mukaisesti.

Liitteenä on projektissa käytetyt 3D-mallit STL.-tiedostomuodossa. Voit ladata ne ja tuoda 3d-mallinnusohjelmaan tarkasteltaviksi. Tinkercadissa mallin tuominen (import) tapahtuu oikeasta yläkulmasta.

Tässä esimerkissä tankopidike on suunniteltu Ninebot Segway ES2 sähköpotkulaudan tangon mittoihin, joten mikäli haluat kiinnittää hälyttimen johonkin muuhun, joudut luomaan pidikeosan itse. Onneksi tarjolla on paljon valmiita malleja, jotka voit yhdistää hälyttimen suojakuoreen pienellä vaivalla. Katso valmiita kiinnikemalleja esimerkiksi: www.thingiverse.com

Luo tai muokkaa Tinkercadissa tai muussa STL-tiedostomuotoa tukevassa 3d-mallinnusohjelmassa hälyttimen pidike haluamaasi tarkoitusta varten. Aseta muotoilemasi tai valitsemasi pidike “Alarm Casing - backside without clamp.stl” mallin takakanteen ja yhdistä muodot yhdeksi. Jos käytät Tinkercadia mallintamisessa, kappaleiden yhteenliittäminen tapahtuu oikeasta ylälaidasta.

Valmiit kappaleet voidaan viedä/tallentaa koneelle Tinkercadin export painikkeesta  ja siirtää tulostimelle joko muistikortilla/-tikulla tai langattomasti riippuen laitteistosta (Huom. vie etu- ja takakappale erillisinä STL.-tiedostoina, jotta tulostaminen tapahtuu kappale kerrallaan).

Tässä projektissa 3D-tulostamisessa käytettiin Prenta Duo XL tulostinta ja Simplify3D ohjelmistoa. Jos käytössäsi on jokin muu tulostin tai ohjlema, toimi laite- ja ohjelmakohtaisten ohjeiden mukaisesti.

Ennen mallin tulostamista on tärkeää huomioida, missä asennossa kappaleet tulostuvat.

Asettele kappaleet ohjelmassa niin, että tukirakenteita (scaffolding) rakentuu mahdollisimman vähän. Takakappaleen kanssa tämä on haastavaa, koska pidike vaikeuttaa kappaleen asettamista “selälleen”.

Esimerkiksi:

Kuvassa, jossa on punainen kappale, tukirakenteita generoituu laatikon sisään sekä pidikkeen ympärille että sisälle. Tässä on kehityskohta; kuinka suunnittelisit pidikkeen niin, että tukirakenteita tarvitaan vähän tai ei ollenkaan? Kuvassa, jossa on oranssi kappale tukirakenteita generoituu ainoastaan kiinnityskohtien alle.

Tulostusarvot:

• PETG filamentti
• 40% infill
• Generate scaffolding = yes
• Bed temperature: 60 C
• Extruder temperature: 235C

Liitteenä on kytkentäkaavio. Kytke komponentit Micro:bittiin sen mukaisesti. Juota kytkentäjohdot komponentteihin.

Lataa liitteenä oleva koodi ja siirrä se Micro:bittiin USB-yhteyden kautta.

Hälytin aktivoituu ja deaktivoituu painamalla kytkintä. Kytkimen painamisen jälkeen LED-valo vilkuttaa 4 sekunnin ajan, jonka jälkeen hälytys on päällä. Mikrokontrolleri kuuntelee kiihtyvyysanturinsa muutoksia. Jos hälytintä liikutetaan tarpeeksi, se huomaa liikkeen ja aloittaa lähtölaskennan. Jos lähtölaskennan aikana (3 sekuntia) hälytintä liikutetaan lisää, niin se alkaa pitämään piipitystä. Hälytys soi muutaman sekunnin ja antaa sitten 3 sekunnin ajan, kunnes kytkeytyy taas päälle ja havainnoi liikettä. Hälytyksen voi katkaista painamalla kytkintä.

Asettele komponentit paikalleen. Tässä esimerkissä komponenttien kiinnittämiseen käytettiin velcro tarranauhaa liimapinnalla, koska komponentit on tarkoitus saada irti esimerkiksi pattereiden vaihtoa tai koodimuutoksia ajatellen.

Kehityskohtia:

1. Microbit ei anna tarpeeksi virtaa piezo kaiuttimelle, jotta hälytin olisi tarpeeksi äänekäs pitkäkyntisten karkoittamiseksi. Ratkaisu: Erillinen virtalähde tai vahvistin kaiuttimelle. Isompi kaiutin.
2. Kytkennät ovat tässä projektissa väliaikaisia. On suositeltavaa käyttää erillistä kytkentäalustaa esim. https://www.partco.fi/en/bbc-microbit/microbit-addon-boards/19226-bbc-mb-5601b.html ,mutta tällöin komponenttien ei ole vahvistettu mahtuvan tässä projektissa mallinnetun kotelon mittoihin.
3. Hälyttimen herkkyys: Olisi mielenkiintoista löytää täydellinen ratkaisu Microbitin kiihtyvyyssensorin herkkyyden asettamiseksi. Liian herkäksi asetettu koodi voi aktivoida hälytyksen vahingossa tai liian usein. Liian suuret viitearvot herkkyydessä sen sijaan mahdollistavat hälyttimen hienovaraisen liikuttelun ilman hälytyksen laukeamista. Olen tarpeeksi tyytyväinen nykyisiin arvoihin, mutta parantamisen varaa olisi vielä.

Luokkataso: 8-9 lk.

Tuntisuunnitelma on rakennettu niin, että opettaja voi itse räätälöidä yksittäisten oppituntien kulun itse oppilasryhmästä riippuen. Projektin kesto riippuu paljolti oppilaiden ja opettajan lähtötasosta 3D mallinnuksen suhteen ja siitä, missä yhteydessä hälytintä suunnitellaan käytettävän. Projektin yksilökohtaisuuden vuoksi on odotettavissa, että oppilaat etenevät projektissa omia tahtejaan, joten yksittäisen oppitunnin sisällöt voivat vaihdella suuresti.

Tarvittavat materiaalit löydät ohjeiden alusta. Jokaisen oppitunnin kohdalla on eritelty, mitä tarvikkeita/tekniikoita tunnilla käytetään.

1-2. Oppitunti: Suunnittelu

Tarvikkeet/tekniikka:

1. Tietokoneet hiirellä varustettuna
2. Ympärysmitta tangosta, johon hälytin suunnitellaan kiinnitettäväksi

Oppituntien sisältö:

1. Suunnitellaan hälyttimen käyttötarkoitus ja harjoitellaan 3D mallintamista Tinkercadissa
2. Etsitään verkosta valmiita pidikkeitä, jotka soveltuisivat kiinnitettäväksi hälyttimen takakanteen. Monet näistä vaatii pientä muokkausta, jotta sulauttaminen laitteeseen onnistuisi.
3. Mikäli verkosta ei löydy oikean kokoista pidikettä, voi sen suunnitella itse oikeanlaiseksi Tinkercadin valmiita kappaleita hyödyntäen.
4. Linkkejä valmiiden 3D mallien tietokantoihin:
5. https://www.yeggi.com/
6. https://www.thingiverse.com/
7. https://www.printables.com/
8. https://cults3d.com/

3-4. Oppitunti: 3D Mallintaminen, tulostus ja koodi

Tarvikkeet/tekniikka:

1. Tietokoneet hiirellä varustettuna
2. Ympärysmitta tangosta, johon hälytin suunnitellaan kiinnitettäväksi
3. 3D-tulostin, PETG filamenttia ja kiinnityspray tulostusten paikallaan pitämiseksi
4. Micro:bit mikrokontrollereita ja paristovirtalähteet, mikäli koodien toimintaa halutaan havainnoida muuallakin kuin simulaatiossa

Oppituntien sisältö:

1. Mikäli oppilaat ovat löytäneet verkosta sopivan pidikkeen hälyttimelle ja saaneet sen yhdistettyä hälyttimen takakanteen, on suositeltavaa aloittaa tulostaminen ajoissa, koska yhden kappaleen tekemiseen kuluu useita tunteja (riippuen tulostimesta).
2. Jatketaan omien kiinnitysratkaisujen mallintamista opettajan avustuksella.
3. Oppilaat, joiden 3D mallit ovat tulostumassa voivat harjoitella Microbitin koodaamista valmiiden tutoriaalien avulla osoitteessa: https://makecode.microbit.org/
4. Tässä esimerkissä valmiiksi annettua koodia sekä omia harjoituskoodeja voi simuloida Tinkercadissa luomalla uuden "Circuit" -projektin.

5-7. Oppitunti: Koodiharjoitukset ja koodin muokkaaminen (tarvittaessa)

Tarvikkeet/tekniikka:

1. Tietokoneet hiirellä varustettuna
2. (tulostusten jatkamiseen) 3D-tulostin, PETG filamenttia ja kiinnityspray tulostusten paikallaan pitämiseksi
3. Micro:bit mikrokontrollereita ja paristovirtalähteet, jotta koodien toimintaa voidaan havainnoida muuallakin kuin simulaatiossa
4. Komponentit hälytinkoodin kokeilemiseksi (löytyy myös sivun alusta):
5. 5mm led
6. pieni kaiutin (Piezo)
7. 1x painokytkin
8. Kytkentälankaa

Oppituntien sisältö:

1. Viides oppitunti aloitetaan oppilaiden työvaiheista riippumatta parityöskentelynä yhteisillä koodausharjoitteilla osoitteessa https://makecode.microbit.org/ . Harjoitukset löytyvät etusivulta "Opetusohjelmat" otsikon alta.
2. Kaikki oppilasparit tekevät aluksi "Flashing Heart" tutoriaalin:
3. https://www.youtube.com/watch?v=NvEOKZ8wh9s
4. Seuraavaksi tehdään "Dice" eli noppaharjoitus, jossa hyödynnetään Microbitin kiihtyvyyssensoria
5. https://www.youtube.com/watch?v=OmrmjtOm_sQ
6. Opettaja voi halutessaan valikoida sivulta muitakin yhteisiä tutoriaaleja
7. Tutkitaan hälyttimen koodia:
8. Ladataan "microbit-Halytinkoodi-javascript.hex" ja tuodaan se käsiteltäväksi osoitteeseen: https://makecode.microbit.org/
9. Kaikki koodin komennot sisältävät kommentin selittäen, mikä komennon toimintatarkoitus on.
10. Hälyttimen koodia voidaan tarvittaessa muokata esimerkiksi herkemmäksi muuttamalla koodissa annettuja arvoja.
11. Myös hälytyksen aikamääreitä voi muokata, jos halutaan hälyttimen soivan pidempään tai tiuhempaan tahtiin
12. Kokeillaan hälyttimen koodia:
13. Liitetään Microbittiin tarvittavat komponentit kytkentäkaaviota hyödyntäen
14. Liitetään Microbit tietokoneeseen ja viedään sen tallennustilaan "microbit-Halytinkoodi-javascript.hex"
15. Kokeillaan koodin toimintaa
16. Tehdään tarvittaessa muutoksia

8-10. Oppitunti: Viimeistelyt ja kasaus

1. Oppilasryhmä on tässä viimeisillä oppitunneilla todennäköisesti hyvin eri työvaiheissa. Tästä johtuen oppitunnit voivat sisältää edellisten oppituntien sisältöjä, mutta pääsääntöisesti viimeiset kaksi oppituntia käytetään kytkentöjen tekemiseen ja kasaamiseen.

Tarvikkeet/tekniikat:

1. Microbit + paristovirtalähde
2. 5mm led
3. pieni kaiutin (Piezo)
4. 1x painokytkin
5. Kytkentälankaa
6. Juotosasema
7. Kiinnikkeet (lista löytyy sivun alusta)
8. Johtopihdit

Oppituntien sisältö:

1. Siirrä koodi Microbitille
2. Komponenttien kytkentä
3. Ruuvaa Piezo kiinni sille suunniteltuun kohtaan
4. Juotetaan kuorittua kytkentälankaa ledin, painokytkimen ja Piezo kaiuttimen johtimiin kytkentäkaaviota apuna käyttäen
5. Liitetään komponentit kytkentäkaavion mukaisesti Microbittiin
6. Sommittele paristokotelo ja Microbit hälytinrasian sisälle haluamallasi tavalla tai projektissa esiteltyjen kuvien mukaisesti.
7. Liimaa tarranauhan palanen hälytinrasian pohjaan haluamaasi paikkaan ja tarran toinen puoli paristokotelon pohjaan.
8. Tee tarranauhasta kaksipuoleinen liimaamalla puolet nauhan pätkästä hälyttimen pohjaan Microbitin paikalle. Liimaa paljaaksi jääneelle "ylimääräiselle" tarranauhan liimapuolelle oikean mittainen pala tarranauhaa. Näin saat Microbitin päälle käännettävän tarrakiinnityksen. Ylempää löytyvä kuva voi havainnollistaa tätä kiinnitysmetodia.
9. Asettele Microbit, paristokotelo ja johdot paikalleen ja kiinnitä ne tarranauhoilla.
10. Kiinnitä kotelon puolet toisiinsa.
11. Valmis projekti

Eriytys ja huomion arvoisia seikkoja:

3D mallinnus: Tinkercad on hyvä paikka opetella mallintamisen alkeita, mutta se on kömpelö ohjelmisto yhtään osaavammalle henkilölle. Tarjolla on useita edistyneempiä 3d mallinnusohjelmia. Projektissa suositellaan käytettäväksi valmiita 3D malleja, joita muokataan tarpeen mukaisesti, koska tyhjästä tarkkojen mittojen mukaisten mallien luominen voi olla vasta-alkajalle haasteellista.

Koodi: Tässä projektissa valmiina tarjottu koodi on melko monimutkainen ymmärrettäväksi vasta-alkajalle. Koodissa on kommentteja sen rakenteen purkamiseksi. Eriyttämisen näkökulmasta on tärkeää harjoitella yksinkertaisien koodien tekemistä tutoriaalien avulla. Opettaja voi myös halutessaan tehdä kirjalliset ohjeet tämän projektin koodin rakentamiseen vaihe vaiheelta.

Oppituntirakenne: Oppilaat etenevät projektissa omia tahtejaan eikä millään koululla ole 3D tulostimia kaikille tarjottavaksi. Opettajan on tärkeää huomioida, mitä oppilas tekee sen aikaa, kun hänen mallinsa on esimerkiksi tulostumassa ja muut akuutit tehtävät on tehtynä. On hyvä varata oheisaktiviteetteja siltä varalta, jos hommat loppuu kesken.