Op deze site leren we je alles wat je moeten weten om de hardware voor jouw bordspel te kunnen bouwen. Je gaat leren hoe stroomkringen werken, hoe je met de Arduino sensoren kunt uitlezen en actuatoren kunt aansturen, wat parallelle en serie schakelingen zijn en nog veel meer. Sommige dingen komen je (hopelijk) bekend voor van IARCH en de Interactie-technologie challengeweek, maar er komen ook zeker een aantal nieuwe onderdelen voorbij. Deze site neemt je mee door de wondere wereld van de hardware.
Voordat we daaraan gaan beginnen: eerst even een paar belangrijke punten. De hardware die je van ons hebt gekregen, kan kapot gaan als je het verkeerd gebruikt. Tussen de uitleg door vind je een aantal gele tekstvakken met een uitroepteken-symbool voor de tekst. De tekst die in deze vakken staat, geeft uitleg om te voorkomen dat schakelingen doorbranden. Lees deze tekst dus altijd aandachtig! Toch kan het gebeuren dat een van de onderdelen kapot gaat. Geef dit altijd aan bij de docenten, dan kijken we samen voor een oplossing.
Daarnaast zijn er een aantal blauwe vakken met een download-symbool voor de tekst. Hier zijn opdrachten te downloaden. Vaak als .zip bestand. Deze .zip bestanden zijn voorzien van een beveiligingscode. In de 1e Track krijg je een aantal opdrachten waar een antwoord uitkomt. Deze antwoorden zijn de beveiligingscode voor de volgende opdracht. Op deze manier kun je zelf controleren of je antwoord op een opgave goed was. Natuurlijk zijn er allerlei manieren om de codes te kraken (of simpelweg te verkrijgen door een klasgenoot om te kopen), maar we vragen jullie nadrukkelijk dit niet te doen. We hebben dit gedaan om ervoor te zorgen dat je pas verder kunt, als we zeker weten dat je de voorgaande stof begrijpt. Vind je het echter fijn om samen te werken met een klasgenoot? Doe dat dan zeker! Dat moedigen we juist alleen maar aan. Zorg er dan natuurlijk wel voor dat je de stof zelf ook begrijpt. Op het moment dat je in de les de eindopdracht van een Track afhebt, krijg je de code om de opdrachten voor de volgende track te kunnen openen. Wederom zodat je pas verder kunt als je de stof uit de vorige track hebt begrepen.
Dit zijn naar ons idee de belangrijkste punten die je vooraf moet weten. Loop je ergens vast? Ga dan niet te lang zelf lopen aanmodderen, maar vraag hulp aan elkaar en schroom niet om één van de docenten of studentassistenten om hulp te vragen. Het is tenslotte de Hardware Heaven en niet de Hardware Hell Heel veel plezier!
Stroomkringen
Bij IIPIATA ga je een aantal elektrische schakelingen maken. Daarom beginnen we bij de basis: stroomkringen. In een elektrische schakeling komt altijd iets van een voedingsbron voor. Dat kunnen batterijen zijn, maar ook een kolencentrale die de elektriciteit op het lichtnet zet, waardoor wij de stopcontacten als bron kunnen gebruiken. Tijdens het project zal vooral de Arduino als voedingsbron dienen. Om daar vervolgens stroom doorheen te laten lopen, moeten we een gesloten stroomkring maken. Dat betekend dat we vanaf de + kant van de voedingsbron (de kant waar spanning op staat) via geleidend materiaal een gesloten weg moeten maken naar de - kant van de voedingsbron (ook wel de Ground genoemd). Zodra die er is, gaat er stroom door de schakeling lopen.
Let op! Ga aluit nooit meteen een draadje van de 5V van je Arduino (of Pi) naar de Ground! Onder het kopje "Wet van Ohm" leer je namelijk dat er dan veel te veel stroom gaat lopen en je waarschijnlijk je Arduino (of Pi) sloopt.
Nu willen we natuurlijk ook componenten (LEDs, displays, schakelaars, etc.) aan onze schakeling kunnen toevoegen. Dat kan wanneer we de stroom dwingen om door deze componenten te lopen. Ieder component heeft minimaal twee aansluitingen. Bij sommige componenten maakt het niet uit welke kant je op de + en welke je op de - aansluit (denk aan weerstanden en schakelaren) bij sommige componenten is dit wel belangrijk (denk aan een LED). In de onderstaande figuur is een simpele stroomkring te zien, met daarnaast de bijbehorende schematische tekening.
Genoeg algemene uitleg over stroomkringen. In de volgende sectie leer je hoe wij onze eigen schakelingen en daarmee onze eigen stroomkringen kunnen maken.
Breadboards
Tijdens dit project maken we onze schakelingen op een breadboard. De uitleg over breadboards is heel visueel en daarom moeilijk in tekst te vangen. Daarom hebben we deze stof uitgelegd in een video. Bekijk deze video voordat je aan de opdracht begint.
In de loop der tijd is de Hardware Heaven iets anders gestructureerd. Daarom zijn een paar opmerkingen in de video iets achterhaald. Zo krijgen jullie geen IMTHE-box meer maar een IIPIATA-box, leren jullie al in Track 2 hoe je de Arduino moet programmeren en is ook het doel van het Hardware Heaven kanaal iets veranderd. Het is handiger om eerst je coachgroep om hulp te vragen als je vastloopt, want in tegenstelling tot andere jaren hebben we buiten de lessen om geen vaste momenten meer voor begeleiding.
Hieronder kun je de 'Breadboard opdracht' downloaden. De code die je uit deze opgave krijgt, heb je nodig om het volgende opdrachtenblad uit te pakken. Lukt het niet om dat bestand uit te pakken? Wellicht dat je dan nog eens naar deze opgave moet kijken. Veel succes!
Wet van Ohm
Inmiddels heb je geleerd hoe stroomkringen werken. Nu iets meer onderliggende theorie die je tegen kunt komen tijdens het project. Als je ooit Natuurkunde in je pakket hebt gehad, moet het volgende stuk uitleg je bekend in de oren klinken.
In een stroomkring zijn er drie grootheden die met elkaar in verband staan: spanning (U), stroom (I) en weerstand (R). Simpel gezegd is spanning (gemeten in Volt - V) de kracht waarmee de elektriciteit door je schakeling heen geduwd wordt. Dit is voornamelijk afhankelijk van de sterkte van je voedingsbron. Een AA-batterij geeft ongeveer 1,5 Volt aan spanning, je Pi en je Arduino 3,3 Volt of 5 Volt en het lichtnet geeft 220 Volt aan spanning. De hoeveelheid elektriciteit die door je schakeling loopt, drukken we uit in stroom (gemeten in Ampère - A). Hoeveel stoom er gaat lopen, hangt af van de weerstand van deze schakeling. Er zijn namelijk bepaalde stoffen en componenten waar de elektriciteit meer 'moeite' mee heeft om doorheen te lopen. Hoe groter de weerstand van je schakeling is, hoe moeilijker het is voor de elektriciteit om door je schakeling heen te lopen, dus hoe minder stroom er gaat lopen (zolang het Voltage gelijk blijft). Weerstand wordt gemeten in Ohm (vernoemd naar de Duitse natuurkundige Georg Ohm, de man die het verband tussen de grootheden ontdekte) en wordt genoteerd als Ω (de Latijnse hoofdletter omega). Als je meer in beelden denkt, kan het volgende plaatje wellicht helpen alles iets duidelijker te maken:
Op de Arduino zitten twee power-pinnen. Een 5V pin en een 3V3 pin. De twee 5V pinnen leveren 5 Volt aan spanning (duh...) en de 3V3 pinnen leveren 3,3 Volt aan spanning. Een GPIO pin kan maximaal 0,4 A (40 miliAmpère - 40mA) aan stroom leveren (20mA wordt echter aangeraden). Op meer stroom is hij niet gebouwd en is de kans groot dat hij doorbrand. Niet doen dus! Maar hoe weet je nu hoeveel weerstand je schakeling moet hebben en hoe stop je die in je schakeling? In het volgende onderdeel ga je leren hoe je de weerstand in je schakeling stopt, maar nu alvast de uitleg hoe je berekend hoeveel weerstand je nodig hebt.
Herr Ohm heeft namelijk de wet ontdekt waarmee de drie grootheden verband houden. Die wet ziet er als volgt uit:
U = I x R
In woorden uitgedrukt betekent deze wet: Als je de stroom (I) die door een schakeling heen loopt vermenigvuldigd met de weerstand (R) van deze schakeling, is de uitkomst de spanning (U) die over deze schakeling staat. Soms weet je wel hoeveel spanning er op je schakeling staat, maar niet hoeveel weerstand een schakeling heeft of hoeveel stroom er loopt. Gelukkig kunnen we met een klein beetje wiskunde de formule ook op de volgende twee manieren schrijven:
I = U / R of R = U / I
Goed, genoeg uitleg over de Wet van Ohm. Tijd om eens te kijken wat we er nu in de praktijk aan hebben. Hieronder kun je de 'Wet van Ohm opdracht' downloaden. De code die je uit deze opgave krijgt heb je nodig om de volgende opdracht uit te kunnen pakken. Lukt het niet om dat bestand uit te pakken? Wellicht dat je dan nog eens naar deze opgave moet kijken. Veel succes!
Download de Wet van Ohm opdracht
Om deze .zip te kunnen uitpakken, is de code nodig die bij de opdracht over het Breadboard is verkregen. Lukt het niet om het bestand uit te pakken? Dan moet je wellicht nog eens naar die opdracht kijken.
Weerstanden
Inmiddels weet je wat weerstand is. De hoogste tijd om te ontdekken hoe we weerstand aan een schakeling kunnen toevoegen. In de elektronica hebben we namelijk componenten die we weerstanden noemen en die, zoals de naam al doet vermoeden, weerstand aan je schakeling kunnen toevoegen. In de hardwarekit die jullie hebben gekregen, zitten ook een aantal van deze weerstanden. Ze zien eruit zoals in figuur 1.3, maar dan een stuk kleiner.
Een weerstand is niets anders dan een stukje geleidend materiaal, gevangen in een porseleinen omhulsel met twee metalen draadjes eruit. De dikte van het geleidende materiaal in de weerstand bepaald hoeveel Ohm de weerstand heeft. Dit is aangegeven met gekleurde ringen aan de buitenkant van de weerstand. Deze ringen zijn erop gezet volgens een bepaalde kleur codering. In je kit vind je twee soorten weerstanden. Een soort weerstand heeft een weerstand van 220Ω (rood-rood-zwart-zwart-bruin). Hoe deze code is opgebouwd, is te zien in Figuur 1.4.
De eerste twee (of in het geval van vijf ringen de eerste drie) ringen geven het basis getal aan. Zo staan de ringen groen-geel-zwart voor het getal 540. De een na laatste ring geeft de vermenigvuldigingsfactor aan. Is de een na laatste ring zwart? Dan moet je het getal vermenigvuldigen met 1Ω. Is de ring bruin? Dan moet je het getal vermenigvuldigen met 10Ω en hebben we in het bovenstaande geval een weerstand van 5400Ω. Bij een oranje ring moet je vermenigvuldigen met 1 kiloOhm (1000Ω) en bij een blauwe ring met 1 MegaOhm (1.000.000Ω). De laatste ring geeft de afwijking van de weerstand aan. Bij een bruine ring kan het aantal Ohm 1% afwijken en bij een grijze ring nog maar 0.05%. Deze afwijking is voor jouw project echter niet heel interessant. De afwijking van de weerstanden is van verwaarloosbare invloed op de componenten die je gaat gebruiken.
Dat was weer een heleboel uitleg. Tijd om deze uitleg in de praktijk te gaan toepassen. In de volgende opdracht moet je aan de hand van kleurcoderingen van weerstanden gaan uitrekenen hoeveel Ohm deze weerstanden hebben. De code die je hieruit krijgt is nodig om de volgende opdracht uit te kunnen pakken. Veel succes!
Het grote probleem met deze manier van weerstand aangeven, is dat dit een ramp is voor mensen met een vorm kleurenblindheid. In de opdracht hebben we hier rekening mee kunnen houden, maar in het echte leven helaas niet. Dan zit er voor mensen die een vorm van kleurenblindheid hebben niets op dan andere om hulp vragen bij het identificeren van verschillende soorten weerstanden.
Download de Weerstanden opdracht
Om deze .zip te kunnen uitpakken, is de code nodig die uit de opdracht over de Wet van Ohm is verkregen. Lukt het niet om het bestand uit te pakken? Dan moet je wellicht nog eens naar die opdracht kijken.
Led
In dit blok ga je leren hoe je een ledje licht kan laten geven. Het woord led is eigenlijk een afkorting en staat voor Light Emitting Diode, oftewel een diode die licht geeft. Het feit dat een led een diode is, zorgt voor een bijzondere eigenschap: de stroom kan maar op één manier door een led heen lopen. Als je een led bekijkt zie je dat deze een lange poot en een korte poot heeft, zie Figuur 1.5.
De lange poot moet op de + kant van de schakeling worden aangesloten (de 5V of iets dergelijks) en de korte kant moet richting de - kant (Ground) lopen. Mocht je een led per ongeluk verkeerdom in een schakeling zetten, is de enige consequentie dat er totaal geen stroom door je schakeling heen loopt en daardoor ook helemaal niets doet. Wees dus niet bang, er ontploft niets! Zorg er echter wel voor dat je nooit alleen een led in een schakeling zet, maar dat er altijd een weerstand in de schakeling zit! Het maakt niet uit of je deze aan de + kant of de - kant van een led neerzet.
Let op! Een led is een van de elementen waar altijd iets van een weerstand tussen moet zitten, voordat je deze op de Pi of je Arduino aansluit. Een led heeft namelijk uit zichzelf verwaarloosbare weerstand. Sluit je een led alleen aan op de Arduino, dan loop je de kans dat je Arduino doorbrand! Zonder die weerstand wordt er meer Ampère van de Arduino gevraagd dan deze kan leveren. Ditzelfde geld uiteraard ook voor de Pi.
Button
In dit blok gaan we je uitleggen hoe je een button gebruikt. De buttons die in je kit zitten, worden ook wel tactile switches genoemd. In je kit zit een variant met 2 pinnen. Wanneer het knopje niet is ingedrukt, wordt er geen verbinding gemaakt tussen de pinnen en kan er dus ook geen stroom door je schakeling lopen. Wanneer je het knopje indrukt, wordt er contact gemaakt tussen de twee pinnen en kan de stroom wel door je schakeling lopen. Om een knopje op een breadboard te laten werken, moet je beide pinnen van het knopje altijd in een andere rij in een breadboard zetten. Wanneer je hem namelijk in dezelfde rij zet, loopt de stroom gewoon langs het knopje en heeft deze geen enkel nut. Sommige knopjes zijn groot genoeg om over het middenstuk in je breadboard te zetten, andere overbruggen vak drie naast elkaar liggende rijen.
Sommige tactile switches hebben ook vier aansluit pinnen. De beide zijkanten van de switches zijn altijd met elkaar verbonden. Het indrukken van het knopje zorgt er dus voor dat de twee paren ook met elkaar worden verbonden. Let hierbij op de manier waarop de pinnen gebogen zijn. In Figuur 1.6 staan de pinnen die altijd een verbinding hebben rood omcirkelt. Het indrukken van de knop zorgt er dus voor dat er ook een verbinding wordt gemaakt tussen de twee groepen.
Een schakeling waar een knopje in zit, moet ook altijd weerstand hebben. Dat kan onder andere door een weerstandje in de schakeling op te nemen, maar ook door de ingebouwde weerstanden van de Pi of de Arduino aan te zetten. Hoe dat moet leer je in Track 2.
Let op! Een button is ook een van de elementen waar altijd iets van een weerstand tussen moet zitten, voordat je deze op de Pi of je Arduino aansluit. Sluit je een knopje alleen aan op de Arduino, dan loop je (net als bij de led) de kans dat je Arduino doorbrand! Ditzelfde geld wederom ook voor de Pi.
Track 1 eindopdracht
Voor iedere Track is er een eindopdracht opgesteld. Voor deze eindopdracht moet je in het bezit zijn van een hardwarebox die je tijdens de les krijgt uitgedeelt. Je gaat namelijk een schakeling bouwen met de Arudino Nano. In het filmpje over het breadboard van hierboven wordt uitgelegd hoe je de Arduino op het breadboard bevestigd om een schakeling te kunnen maken. Daarnaast hebt je voor de Track 1 eindopdracht de pin-layout van de Arduino nodig. Deze hebben we voor je neergezet in Figuur 1.7.
(Klik op het plaatje voor een grotre weergave)
Naast de pinnen zie je allemaal labels staan. Een paar van deze labels gaan we in Track 2 en 4 behandelen, de meeste gaan te diep voor wat we je tijdens dit project willen leren. Hier gaan we in de hoofdfase verder naar kijken.
Je ziet een aantal pinnen die je bekend moeten voorkomen van de Pi: De twee GND pinnen, de 5V pin en de 3V3 pin. De 3V3 pin geeft dus 3,3V aan spanning. De andere labels worden in Track 2 of Track 4 nog behandeld. En wat nu het mooie is van de Arduino, is dat je die labels ook op je fysieke Arduino naast de pinnen ziet staan! Daar kan de Pi nog wat van leren!
Zo, inmiddels heb je genoeg informatie en kennis opgedaan om de eindopdracht te kunnen maken. Veel succes met deze eerste track-eindopdracht!
Let op! Wanneer je een fysieke schakeling op je breadboard aan het bouwen bent, zorg er dan voor dat er geen spanning op je schakeling staat, of terwijl: Zorg ervoor dat je Arduino en/of Pi uit staat! Op het moment dat je draadjes of componenten gaat aansluiten terwijl er spanning op je schakeling staat, kunnen er piek stromen ontstaan die je Arduino of je Pi kunnen roosteren.
Download de Track 1 eindopdracht
Om deze .zip te kunnen uitpakken, is de code nodig die uit de opdracht over de weerstanden is verkregen. Lukt het niet om het bestand uit te pakken? Dan moet je wellicht nog eens naar die opdracht kijken.
Heeft iedereen in jullie coachgroep de opdracht werkend? Laat deze dan controleren door een docent vóórdat je de Arduino van stroom voorziet! Is de schakeling goed? Dan krijgen jullie als groep een Ticket voor Track 2!