בדיוק – טכנולוגיה מצמיחה בעיר

הקדמה

• נכיר את מרכיביה העיקריים של מערכת בקרה טכנולוגית אוטומטית:
• תת מערכת עיבוד והפעלה
• תת מערכת חישה
• נתנסה בהפעלת המרכיבים השונים של מערכת הבקרה האוטומטית

מושגים מרכזיים:
בקרה, חיישן, מעבד, מפעיל

מיומנויות:
הרכבת מעגל חשמלי, חיבור מעבד למחשב, טעינת תוכנה מהמחשב למעבד

מערכת בקרה אוטומטית

במערכות שבהן פעולות הבקרה הנדרשות הן רבות ותכופות יש יתרון להפוך את המערכת לאוטומטית.

מערכות בקרה אוטומטיות טכנולוגיות מתבססות בדרך כלל על רכיבים אלקטרוניים לביצוע הפעולות השונות, רכיבים אלו מעבירים ביניהם מידע (חשמלי בדרך כלל)  ואף מבצעים פעולות שונות.

הרכיבים העיקריים של מערכת בקרה אוטומטית הם:

החיישן האלקטרוני - חש גודל פיסיקלי מסויים ומייצר אות חשמלי אנלוגי לערך זה.

המעבד - מקבל מידע ממערכות החישה, מקבל החלטות (על פי אלגוריתמים שתוכנתו בתוכו) ומפעיל על פי הצורך (באמצעות אותות חשמליים) את מערכות ההינע.

מערכת היוצרת פעולה - מופעלת על ידי המעבד ותפקידה ליצור את השינוי הנדרש בערך המבוקר. לדוגמה: מערכת הינע מבוססת מנוע שתפקידה להזיז מרכיבים במערכת  (המעבד יכול להפעיל מערכות מסוגים שונים: חימום\קירור, קול, אור וכ"ו.

הכרות עם מערכת בקרה הכוללת חיישנים

חיישנים טכנולוגיים חשים גודל פיסיקלי כלשהו (אור, קול, משקל וכ"ו) ומייצרים גודל אחר (גודל אנלוגי) שקל לנו יותר לאמוד את גודלו ואף למדוד אותו במדוייק.
את מערכות החישה הראשונות (לא אלקטרוניות) ייצרו בני אדם לפני יותר מ- 2000 שנה: שעוני חול ושעוני שמש יצרו ייצוג אנלוגי לזמן שעובר, מאזניים יצרו ייצוג אנלוגי למשקל ועוד. במהלך הזמן ,ככל שהעיסוק של בני אדם במדע ובטכנולוגיה גבר, הלכו חיישנים אלו והשתכללו.
מד הטמפרטורה אותו אנחנו מכירים מהשימוש הביתי הוא חיישן לכל דבר. הוא מתרגם את מידת החום לגובה של עמוד הכספית (אותו ניתן לאמוד בעיין ואף למדוד את אורכו המדוייק באמצעות מד השנתות).
מדי החום הראשונים פותחו על ידי הרומאים לפני 2000 שנה  אך מד הטמפרטורה הראשון מבוסס הכספית פותח ב 1714 על ידי גבריאל פרנהייט.

בפעילות הבאה ננסה לזהות מהם הגדלים הפיזיקליים שמיוצגים על ידי גדלים אנלוגיים שונים במערכות חישה שונות, כל החיישנים האלו הם חיישנים אנלוגיים.

גררו כל כתובית למקום המתאים לה בטבלה:

מערכת משוב טכנולוגית כוללת, כפי שראינו, חיישנים, מעבדים ומערכות הפעלה. נתמקד עכשיו בהיכרות עם חיישן אלקטרוני.

כדי שהחיישן ישולב במערכת אלקטרונית עליו לייצר גודל אנלוגי חשמלי (למשל- מתח). כיום קיימים חיישנים רבים שמייצרים ערכים אנלוגיים חשמליים. במכשירים יומיומיים כמו הטלפונים החכמים שלנו יש כמות גדולה של חיישנים שחשים מדדים שונים ומייצרים ערכים אנלוגיים חשמליים.

חיישן מרחק אולטרא-סוני הוא חיישן טכנולוגי המשמש במערכות יומיומיות רבות, ואחת מהן מוכרת במיוחד - מערכת מדידת המרחק בכלי רכב (זו המערכת המתריעה על המרחק בזמן נסיעה לאחור למשל).

חיישן  מרחק אולטרא-סוני מודד את המרחק אל העצם הקרוב ביותר. הוא עושה זאת על ידי שליחת גלי קול ומדידת הזמן שלוקח לגלים אלו לחזור, ומתבסס על כך שלקול באוויר יש מהירות קבועה. בעזרת זמן המעבר של הגלים (עד העצם ובחזרה) ניתן  לחשב את המרחק.

באיור ניתן לראות בהילוך איטי (מאד) את גל הקול יוצא מהמשדר, פוגע במכשול, ומוחזר למקלט.

הכרות עם מעבד מסוג NodeMCU - הבהוב נורה

כדי להפעיל חיישן באופן יעיל, חשוב להשתמש במעבד שיכול לנטר את התוצאות, ולהגיב לשינויים. 
מעבד הוא מערכת אלקטרונית ספרתית המסוגלת להריץ תוכנה ובאמצעותה לבצע מגוון רחב של  פעולות בינהן:

1. חישובים

2. פעולות לוגיות - קבלת החלטות על פי תנאים שונים

3. פעולות ב"עולם החיצון" כגון: כתיבה וקריאה של מידע מהזיכרון, הצגת נתונים על המסך,  הדפסת נתונים,  תקשורת עם רכיבים סמוכים (שליחה וקבלת נתונים בצורה חוטית ואלחוטית

הכרות עם חיישן מרחק אולטרא-סוני HC-SR04

כעת, כשאנחנו יודעים איך להשתמש במעבד, נלמד להשתמש בחיישן המרחק. החיישן שנשתמש בו הוא חיישן אולטרא-סוני מדגם HC-SR04

שימוש מעשי במערכת בקרה - מדידת כמות מים בכלי

נשתמש במערכת למדידת מרחק כדי למדוד כמות של מים בכוס:

משימות הרחבה

ראו פירוט במערך הפעילות ובמצגת המלווה

• משימת הרחבה 1: הדלקת לד להתראה על מרחק קטן בעזרת חיישן מרחק אולטרא-סוני 
  
• משימת הרחבה 2: התעמקות בתוכנה - שינוי המרחק
• משימת הרחבה 3 למתקדמים: חיישן רוורס - מערכת המגיבה באופן משתנה
• לסביבה