LabVIEW vo vyučovaní odborných predmetov na stredných školách

Cieľom tohto článku je predstaviť možnosti využitia grafického vývojového prostredia LabVIEW od spoločnosti National Instruments vo vyučovaní odborných predmetov na stredných odborných školách technického zamerania. Čoraz populárnejšie LabVIEW ponúka spôsob, ako urobiť odborné predmety pre študentov atraktívnejšími, zaujímavejšími, nehovoriac o tom, aké využitie má LabVIEW aj v praxi, pri realizácii rôznych meracích systémov a virtuálnej inštrumentácii.

Naša škola, Stredná priemyselná škola elektrotechnická v Prešove, sa rozhodla začleniť LabVIEW do cvičení v predmete Automatizácia v treťom ročníku štúdia z viacerých dôvodov. Výpočtová technika dáva odborným predmetom nový rozmer, nové možnosti, využívanie výpočtovej techniky je pre študentov motiváciou na štúdium, preto skĺbenie teórie merania a riadenia v automatizačnej technike spolu s počítačovou podporou vyučovania je doslova nevyhnutné.

Súčasné vyučovanie na cvičeniach v predmete automatizácia je postavené na báze problémového vyučovania, žiaci sú na začiatku cvičení postavení pred problém, napríklad ich úlohou je postaviť merací systém, ktorý bude merať intenzitu osvetlenia, teplotu, relatívnu vlhkosť vzduchu, merať otáčky motora, mechanické namáhanie alebo rozlišovať farby predmetu. V prvej fáze riešenia úlohy zvažujú možnosti merania fyzikálnej veličiny, oboznámia sa s funkciou snímača, vyhľadajú si na internete jeho katalógový list, zistia základné parametre. V druhej fáze riešenia snímač pripoja k počítaču prostredníctvom zariadenia na zber dát MyDAQ, napríklad cez jeho analógový vstup, a v prostredí LabVIEW zrealizujú prepočet napríklad výstupného napätia snímača na veľkosť meranej fyzikálnej veličiny.

Pre názornosť uvedieme konkrétny príklad realizácie meracieho systému na meranie otáčok jednosmerného elektromotora. Fotoelektrický impulzný snímač otáčok založený na princípe optickej závory pozostáva z LED ako zdroja svetla, fototranzistora ako prijímača svetelného signálu a kotúča s dvanástimi otvormi po obvode pripevneného na hriadeli elektromotora (obr. 1), ktorý tok svetla od vysielača k prijímaču prerušuje. Snímač otáčok je pripojený k zariadeniu na zber dát MyDAQ. MyDAQ poskytuje napájacie napätie 5 V pre snímač a výstup snímača je pripojený k analógovému vstupu MyDAQ, ako je znázornené na obr. 2. Prostredníctvom USB je zariadenie na zber dát pripojené k počítaču, na ktorom je spustené LabVIEW.

Signál zo snímača je v grafickom vývojovom prostredí LabVIEW spracovaný a vyhodnocovaný pomocou funkčných blokov, ktoré LabVIEW ponúka vo svojich rozsiahlych knižniciach. Na obr. 3 je blokový diagram meracieho systému merania otáčok v LabVIEW. Vzorky signálu z analógového vstupu MyDAQ, teda vzorky napätia z výstupu snímača otáčok, putujú z bloku DAQ Assistant do indikátora s názvom „Signál zo snímača“ a na čelnom paneli LabVIEW sú zobrazované vo forme časového priebehu, vďaka čomu majú žiaci možnosť vidieť skutočný tvar impulzov na výstupe snímača otáčok. Výpočet počtu otáčok za minútu je realizovaný pomocou počítadla CT, ktoré spočítava impulzy privedené na svoj vstup za 250 ms. Počítadlo započítava impulz, ak dochádza k prechodu z log.0 do log.1 na vstupe počítadla, pričom za log.1 sa považuje napätie na výstupe snímača vyššie ako 3 V. Ak uvažujeme, že kotúč snímača otáčok má dvanásť otvorov, potom po vynásobení počtu impulzov nameraných za 250 ms konštantou 20 získame počet otáčok za minútu, ktoré sú zobrazené na indikátore „ot/min“. Indikátor „Snímač“ slúži na indikovanie aktivity snímača, inak povedané rozsvieti sa, ak svetlo z LED prechádza cez otvor v kotúči a dopadá na fototranzistor, v opačnom prípade je indikátor zhasnutý.

Na obr. 4 je ukážka čelného panela meracieho systému, na ktorom je zobrazený signál na výstupe snímača otáčok a otáčky za minútu sú zobrazované formou ručičkového indikátora. Ak jednosmerný motor pripojíme na regulovateľný napájací zdroj, potom môžeme sledovať, ako sa mení frekvencia impulzov na výstupe snímača, čomu zodpovedá zmena výchylky ručičky na indikátore otáčok za minútu. Na tomto príklade majú žiaci možnosť konfrontovať svoje teoretické vedomosti s praktickým využitím snímača otáčok. Využitie LabVIEW na spracovanie signálu zo snímača rozvíja technické myslenie žiakov, a ak pochopia algoritmus vyhodnocovania signálu v grafickom prostredí LabVIEW, nemali by mať problém použiť podobný algoritmus vo forme príkazov napríklad v jazyku C pre naprogramovanie mikrokontroléra, na ktorého analógový vstup je pripojený snímač otáčok.

Ako ďalší príklad využitia LabVIEW na cvičeniach v predmete automatizácia môžeme uviesť merací systém na meranie teploty, relatívnej vlhkosti a rosného bodu. Na meranie sa využívajú bežne dostupné snímače s analógovým výstupom, snímač teploty LM35D od Texas Instruments a snímač vlhkosti HIH-5030 od spoločnosti Honeywell. Tieto snímače sú pripojené k analógovým vstupom zariadenia na zber dát MyDAQ a samotné zariadenie MyDAQ poskytuje tiež napájacie napätie 5 V pre snímače. Pripojenie snímačov k MyDAQ je znázornené na obr. 5.

V prostredí LabVIEW sú z hodnôt napätí na výstupoch snímačov zrealizované výpočty teploty, relatívnej vlhkosti a hodnoty rosného bodu. Blokový diagram je znázornený na obr. 6. V každom cykle programu je odobraté určité množstvo vzoriek z analógových vstupov AI0 a AI1 zariadenia MyDAQ, napríklad 100 vzoriek. Tieto vzorky sú k dispozícii na výstupe bloku DAQ Assistant. Následne sú z týchto vzoriek pomocou blokov Mean vypočítané stredné hodnoty napätí na výstupoch snímačov, ktoré sú zobrazené na čelnom paneli LabVIEW pomocou číselných indikátorov „U zo snímača teploty [V]“ a „U zo snímača vlhkosti [V]“. Prepočet napätí z výstupov snímačov na hodnoty fyzikálnych veličín je realizovaný podľa vzťahov udávaných výrobcami v katalógových listoch, na čo sú využívané bloky pre matematické operácie, ako napríklad pre násobenie, delenie, rozdiel. Výsledná teplota a relatívna vlhkosť je zobrazená na čelnom paneli pomocou ručičkových indikátorov „Teplota [°C]“ a „Relatívna vlhkosť [%]“. Výpočet hodnoty rosného bodu je príliš náročný na využitie jednoduchých blokov pre matematické operácie, a preto je v blokovej schéme použitý blok s názvom Formula Node. Vstupné premenné „T“ a „fi“ reprezentujú teplotu a relatívnu vlhkosť, výstupná premenná „Tdp“ reprezentuje hodnotu rosného bodu v °C. V bloku Formula Node je formou textu opísaný vzťah medzi premennými, teda výpočet rosného bodu z teploty a relatívnej vlhkosti, pričom syntax zápisu sa podobá jazyku C. Výsledná relatívna vlhkosť je zobrazená na čelnom paneli pomocou číselného indikátora „Rosný bod [°C]“ spolu s ostatnými meranými veličinami, ako je možné vidieť na obr. 7.

Implementácia LabVIEW do vyučovania odborných predmetov prináša mnohé pozitíva. Žiaci sa aktívne a kreatívne zapájajú do vyučovacieho procesu, nie sú len pasívnymi poslucháčmi, ale pracujú v tímoch na realizácii meracích systémov. Práca s LabVIEW je jednoduchá, prehľadná, pre žiakov lákavá a ľahko zvládnuteľná. Žiaci už na strednej škole získavajú základy LabVIEW, ktoré neskôr môžu zúročiť na vysokých technických školách alebo v praxi. Veríme, že používanie LabVIEW na vyučovaní odborných predmetov na stredných odborných školách je krokom smerom vpred, krokom smerom k lepšej kvalite vzdelávania.