Використання мікропроцесорів в робото-технічних системах

Анотація навчальної дисципліни

Мета вивчення дисципліни «Використання мікропроцесорів в робото-технічних системах» – формування у здобувачів вищої освіти цілісного уявлення про суть роботи мікроконтролерів та керуючих систем на їх основі - інтернет речей, робототехники та АСУ. 
Практичне значення та використання отриманих знань дисципліни «мікропроцесори в інформаційно керуючих системах» – отримання здобувачами вищої освіти теоретичних знань, спеціальних умінь і практичних навичок з використання мікроконтролерів, а саме:
– поняття архітектури мікроконтролера та принципів його функціонування;
– вільне володіння сучасними середовищами розробки програмного коду;
– розуміння технології апаратної розробки зовнішної періферії для мікроконтролеру;
– розуміння алгоритмів керування зовнішної періферії від  мікроконтролеру;
– вміння проектування та реалізації интернет - речей;
– вміння проектування та реалізації робототехнічних систем;
– вміння проектування та реалізації АСУ та промислових контролерів.

Тематика та види навчальних занять

1 тиждень.
Лекція 1 «Перша, друга та третя промислові революції. Складність сучасного виробництва, як причина появи програмно-управляючих пристроїв та мікроконтролерів. Від гнучких автоматизованих виробництв до кіберфізичних систем з штучним інтелектом четвертої промислової революції.»

2 тиждень.
Лекція 2 «Карта розвитку обчислювальних систем. Від алгебри Буля до FPGA, мікропроцесорів та мікроконтролерів. Мікроконтролер, як процесор з керуючою періферією на одному кристалі. Різновиди мікроконтролерів».
Лабораторне заняття 1 «Мікроконтролер ардуіно. Середовище ардуіно. Програма сімуляції Proteus. Перша программа "миготіння світлодіода". Функція digitalWrite».

3 тиждень
Лекція 3 «Внутрішня архітектура мікроконтролерів. Одношинова фон-Неймана та гарвардська двушинова архітектури. CISC та RISC системи команд. Ортогональність команд. Архітектура конвейера».

4 тиждень..
Лекція 4 «Мікроконтролери, як мультидисциплинарний предмет. Складність розробки проектів на мікроконтролерах. Ардуіно, як платформа успішного рішення складнощів розробки та програмування мікроконтролерів. Програмне середовище ардуіно, типи плат ардуіно, їх властивості».
Лабораторне заняття 2 «Широтно імпульсна модуляція. Програмна реалізіція ШІМ для регулювання яскравості світлодіоду. Цикл плавноі зміни яскравості на одному світлодіоду. Апаратна реалізація ШІМ. Функція analogWrite. Можливість плавної зміни яскравості на кількох світлодіодах. Контроль зміни ШІМ за допомогою осціллографа».

5 тиждень.
Лекція 5 «Зовнішна периферія мікроконтролерів ардуіно, монтажні плати, дроти, шилди. Актуатори да датчики для платформи ардуіно».

6 тиждень.
Лекція 6 «Мікроконтролери ESP8266, ESP32, Omega, MediaTek. Призначення, параметри, особливості даних контролерів». 
Лабораторне заняття 3 «Читання вхідного цифрового сигналу. Підключеняя кнопки до входу мікроконтролера. Функція digitalRead».

7 тиждень.
Лекція 7 «Плати радіоканалів для інтернет речей: HC-05, ZeegBee, Lora, технічні характеристики, особливості застосування». АТ команди HC-05 та Lora».

8 тиждень.
Лекція 8 «Архітектура системи інтернет речей. Ідеальна інтернет річ. Проблеми трансляції відео у світі інтернет речей. Гранічні та тумані обчислення. Протокол MQTT».
Лабораторне заняття 4 «Читання вхідного аналогового сигналу. Підключеняя потенціометра до входу мікроконтролера. Функція analogRead. Передача виміряного сигналу до монітору порта».
Модульна контрольна робота 1.

9 тиждень.
Лекція 9 «Поточний стан розвитку інтернет речей. Направлення стартапів у світі інтернет речей. Індустріальні інтернет речи».

10 тиждень.
Лекція 10 «Мікроконтролери у світі робототехніки. Сучасні тенденціі у робототехніці. Прикладі мікроконтролерів для задач робототехніки та штучного інтелекту. Огляд мікроконтролерів STM32 та Soc систем на основі Raspberry, Odroid, Orange». 
Лабораторне заняття 5 «Робота з датчиком, як приклад складної зовнішноі періферії. Бібліотеки коду для роботи з нею. Підключеня бібліотек. Робота з датчиком DHT11.».

11 тиждень.
Лекція 11 «Мікроконтролери у світі АСУ. ПЛК. Види та особливості ПЛК. Програмні середовища ПЛК. Керуючий контролер на основі ПК за допомогою середовища LabView». 

12 тиждень.
Лекція 12 «Теорія керування. Пряме, зі зворотним зв’язком та керування по передбаченню. ПІД для системи з зворотним зв’зком. BigData з штучним інтелектом для передбачення».
Лабораторне заняття 6 «Робота за актуатором, як приклад складної зовнішноі періферії. Робота з сервомотором SG90».

13 тиждень.
Лекція 13 «Коло керування. Датчики та актуатори у світі мікроконтролерів. Види, особливості датчиків та актуаторів ».

14 тиждень.
Лекція 14. «Польові інтерфейси. Три типи физичноі реалізаціі інтерфейсів: асінхронні, синхронні та діференційні. Мікроконтролерні та компьютерні польові інтерфейсів».
Лабораторне заняття 7 «Система автополиву рослини на DHT11 та SG90. Алгоритм автополиву. Налаштування Blynk до коду ESP8266 та мобільного телефону. Керування SG90 та контроль рівня темеператури та вологості через мобільний телефон».

15 тиждень.
Лекція 15. «Особливості програмування мікроконтролерів у плані безпеки керування та роботи обладнання. Мертви кола, переривання, апаратне дублювання програмних керувань.
Майбутнє вбудованих систем. Кожна річ - розумна. З'єднання всіх фізичних речей у розумний світ. Роль збору та аналізу даних. Роль ШІ у обробці даних.»
Модульна контрольна робота 2.

Оцінювання результатів навчання

Оцінювання результатів навчання з дисципліни здійснюється за накопичувальною системою, яка дає можливість здобувачеві протягом семестру отримати максимально 100 балів.

Модуль 1
Лабораторна робота 1, 2 по 6 балів. Лабораторна робота 3 – 8 балів. Лабораторна робота 4 - 10 балів. Загалом лабораторні роботи  – 30 балів.
Модульна контрольна робота 1 – 20 балів. 
Модульна робота 1  складається з теоретичної частини (10 запитань). Кожне запитання дає 2 бала. Часткова відповідь на запитання 1 бал.

Модуль 2
Лабораторна робота 5 - 5 балів. Лабораторна робота 6 - 10 балів. Лабораторна робота 7 - 15 балів. Загалом лабораторні роботи  – 30 балів.
Модульна контрольна робота 2 – 20 балів (15 тиждень).
Модульна робота 2  складається з теоретичної частини (10 запитань). Кожне запитання дає 2 бала. Часткова відповідь на запитання 1 бал. 

Посилання на рекомендовані джерела
1. Arduino language reference. https://www.arduino.cc/reference/en/
2. Галкін П. В., Ключник І. І. Програмування ПЛК в CODESYS : навчальний посібник. Харків : ФОП Панов А. М., 2019. 92 с.
3. Ремесник А. С. Розробка моделі інтелектуального керування робототехнічними пристроями. М-во освіти і науки України, Харків. нац. ун-т радіоелектроніки – Харків, 2021 – 72 с.
4. Самойленко М.Ю. Київський національний університет імені Тараса Шевченка Принципи застосування технології інтернет речей у сучасному світі техніки. УДК 551.568.85 DOI https://doi.org/10.32838/TNU-2663-5941/2020.6-1/24