automaten - digitaal zelfportret

AUTOMATEN
PROJECT NATUUR+KUNDE 3H JPT
MAART 2017 JPT BTn
INHOUDSOPGAVE
BINAIR
IS
ZO
I
3
DENKEN
2017 . .
AUTOMATEN
Vroeger en nu: industriële en digitale revolutie
II SYSTEEMBORD
verkennende opdrachten met binaire componenten
III METEN EN REGELEN
logische schakelingen met binair tellen (demo)
IV ONTWERPEN
zelf automaten maken met SYSTEMATIC
V
OEFENTOETS
proefwerk vragen
4
les 1
6
les 2 en 3
11
les 4 en 5
14
les 6 en 7
17
les 8
AUTOMATEN
4
I
AUTOMATEN
I.1 GESCHIEDENIS
Voor ons zijn automaten de gewoonste zaak van de wereld, de hele dag doen apparaten de dingen
automatisch voor ons die mensen vroeger zelf moesten doen (als ze al gebeurden). Het idee om
automaten voor ons te laten werken is nog niet zo oud, pas sinds de industriële revolutie in de 19e
eeuw vinden we dat gewoon. Nu levend in de digitale revolutie worden onze huizen en onze
levens gevuld met eindeloos veel binaire automaten.
In de 19e eeuw ging het om stoommachines die voor
ons ging weven of andere nuttige dingen doen. Al twee
duizend jaar kunnen mensen automaten maken, pas
enkele eeuwen vervangen ze ons werk. De oudste
automaat is van Hero van Alexandrië. Hij maakte in het jaar
100 een stoommachine die de deuren van de tempel van
Alexandrië automatisch kon openen: als het vuur boven in
het altaar werd aangestoken gingen de tempeldeuren van
zelf open: hete lucht zette uit en daardoor liep water over
naar het vat dat de deur open trok. Machines gebruiken
voor arbeid van mensen kwam niet in de hoofden van de
Alexandrijnen op, daar hadden ze toch slaven voor?
Voor de 19e eeuw is er nog 1 beroemde automaat gemaakt, de schaakturk van Wolfgang von Kempeler. Deze
uitvinder had op slimme wijze bedrog gepleegd. In zijn
kast, waar een houten turk achter zat, was een mens van
vlees en bloed verstopt, die dankzij een slim mechanisme
de schaakstukken boven op het bord kon zien en deze via
stangen en kabels boven op het bord kon verplaatsen. De
mechanische turk was rond 1800 beroemd, het apparaat
trok door Europa en de Verenigde Staten en trok veel
publiek. Het idee van automaten die voor ons werken
begon zo gewoon te worden dat mensen er graag door
bedrogen wilden worden.
Sinds de 19e eeuw is ons leven zonder automaten ondenkbaar. In elk huis is een verwarming
met een thermostaat die er voor zorgt dat de verwarming automatisch aangaat. Dit is een simpel
meetsysteem, waaraan een regelsysteem aan is gekoppeld. In moderne auto’s zit sinds de digitale
revolutie een cruise control, een stuursysteem dat de auto op een te voren ingestelde snelheid
laat rijden. Dit systeem is handig tegen bekeuringen en zorgt voor een lager benzine verbruik.
AUTOMATEN
5
In dit project leer je deze drie soorten systemen met het systeembord te maken. Je gaat daarom
eerst de componenten van dat systeembord verkennen en omdat deze componenten gebruik
maken van het 2-tallige getal stelsel ga je ook leren hoe dat getal stelsel werkt. Wat zijn dat, die
drie verschillende systemen?
Bij een meetsysteem gaat het om het meten van grootheden, al dan niet continu. Jullie
zullen de tijdmeting bij een hardloopwedstrijd, een temperatuurmeting en een binaire klok als
voorbeelden bekijken. Je gaat die systemen bouwen en er sommen over maken
Bij een stuursysteem gaat het om een automatische actie zodra aan een bepaalde
voorwaarde voldaan wordt. Je zult diverse voorbeelden bekijken, waaronder een roltrap die
gedurende 8 sec aan gaat als iemand op de eerste tree gaat staan. Het systeembord heeft
componenten om automatisch vast te stellen of de voorwaarden al dan niet vervuld zijn. Door de
voorbeelden uit dit boekje te doen leer je er mee werken.
Bij een regelsysteem gaat het om het automatisch
instellen van een grootheid op een gewenste waarde. In
de figuur hiernaast is het voorbeeld een waterbak waarvan
het niveau constant moet blijven, bijv omdat de koeien
altijd water moeten kunnen blijven drinken. Het systeem
lijkt op de thermostaat van een huis: ook daar is er een
ingestelde waarde, in dat geval van de temperatuur, en
wordt de kachel aangezet als het te koud is en uitgezet als
het te heet is. Bij de waterbak wordt er water bij gedaan
als het niveau te laag is.
Achter regelsystemen zit altijd tegenkoppeling: de
kachel gaat UIT als het te heet is en AAN als het te koud is,
net zoals de kraan OPEN gaat als het niveau te laag is en
DICHT als het niveau te hoog is. Regelsystemen die als doel
hebben een gewenste waarde van een grootheid te halen
gebruiken altijd tegenkoppeling en als resultaat slingert de
grootheid waarom het gaat om de gewenste waarde.
Bij tegenkoppeling moeten apparaten wel of niet
aangezet kunnen worden. Hierin zitten twee mogelijke
toestanden, AAN en UIT, binair spreken we van 1 en 0. Je
leert werken met componenten die op basis van binaire
getallen apparaten AAN en UIT kunnen zetten.
I.2 binaire getallen
Wij hebben 10 vingers en gebruiken dus 10 symbolen voor getallen, namelijk 0, 1, . . ., 9. In
computers zitten componenten die op 5 V kunnen staan: HOOG dus 1, en op 0 V, LAAG dus 0. In
het binaire stelsel zijn slechts twee symbolen, 1 en 0. Het tellen met het binaire systeem werkt als
in de tabel hieronder aangegeven, als de symbolen op zijn ga je meer cijfers gebruiken. De eerste
20 decimale getallen vragen binair 5 bits, 5 binairy digits. Heb je door hoe het werkt? Nee, komt
nog wel. Al doende leert men.
DEC
BIN
DEC
BIN
0
0000
10
1010
1
0001
11
1011
2
0010
12
1100
3
0011
13
1101
4
0100
14
1110
5
0101
15
1111
6
7
8
0110
0111
1000
16
17
18
1.0000 1.0001 1.0010
9
1001
19
1.0011
SYSTEEMBORD
6
II SYSTEEMBORD
II.1 eerste verkennende proeven
Op de eerste pagina van dit boekje staat een plaatje van het systeembord, een apparaat waarmee
je digitale automaten kan maken. Aan de bovenkant staan de kreten INVOER, VERWERKING en
UITVOER, daaronder staan de componenten die je kunt gebruiken door er snoeren in te steken.
Het systeembord werkt elektrisch en wordt gevoed door een transformator die aan alle
componenten 5 Volt levert: die 5 V is namelijk ongevaarlijk, je kan er geen schok van krijgen (ook
niet als je wat stoms doet).
Elke component heeft een invoer en een uitvoer. De sensoren zetten informatie uit de
buitenwereld om in een voltage tussen 0 tot 5 V. De componenten onder uitvoer zijn dingen die
wat met de buitenwereld doen, die één of andere actie veroorzaken. De verwerkers ,in het midden
doen iets dat afhangt van hun invoer, ze geven soms wel en soms geen spanning af (0 of 5 Volt, of
soms wat er tussen in). De namen van de componenten geven aan wat ze doen: de uitvoer van
een EN-poort is HOOG als beide invoeren HOOG zijn.
Doel van deze eerste proeven is dat jij gaat leren hoe je
Proef 1 INVERTOR
De signalen van het systeembord zijn digitaal: een
hoog signaal – aan – geven we weer met een 1,
een laag signaal – uit – geven we weer met een 0.
Je moet met die enen en nullen leren werken, je
moet in het binaire systeem leren werken. Een
invertor wordt gebruikt om een hoog signaal in
een laag signaal te veranderen en omgekeerd.
A
Bouw deze schakeling: welke LED gaat branden als je de drukschakelaar wel en niet indrukt.
B
Vul de tabel met enen en nullen in.
Proef 2 EN-POORT
A
Sluit de twee signalen aan op de
ingangen van de EN-poort en verbindt de
uitgang met de LED (staat voor: motor
zonnescherm). Wanneer gaat het
zonnescherm naar beneden? Vul dan in de
tabel een 1 in, anders een 0
Een zonnescherm moet omlaag als de zon
schijnt en als tegelijkertijd de temperatuur hoog is. S1 indrukken betekent
veel licht, S2 indrukken staat voor een
hoge temperatuur.
B
Bouw de tweede schakeling met een invertor aangesloten op S1. Maak weer een tabel met
alle mogelijkheden.
SYSTEEMBORD
7
Proef 3 OF-POORT
De LED moet branden als jij op S1 of als
je buurvrouw op S2 drukt. Als jullie
allebei drukken moet de LED ook gaan
branden. In dit soort situaties gebruik
je een OF-poort.
A
Sluit S1 en S2 aan op de OF-poort
en vul in de tabel een 1 in als de LED
brandt en anders een 0.
B
Bouw de tweede schakeling met
een invertor aangesloten op S1. Maak
weer
een
tabel
met
alle
mogelijkheden..
Proef 4 HET GEHEUGEN
Een geheugen cel heeft 2 ingangen, SET en RESET genaamd en 1
uitgang. Maak aan de uitgang een LED-je vast en aan de twee
ingangen schakelaars S1 en S2. Test de werking van de schakelaar.
A
Leg zo precies mogelijk uit wat de geheugen cel doet.
Een dief loopt even door een IR- bundel. Je
wilt dat daardoor een alarm afgaat dat
blijft afgaan tot jij het weer uit zet. Gebruik
een LED-je als alarm, anders wordt het zo’n
herrie.
B
Bouw de schakeling en leg uit dat
deze aan de gestelde eisen voldoet.
Proef 5 COMPARATOR
Elke sensor geeft spanningen tussen de 0 en de 5 V af. Als je daar wat mee wilt doen in
schakelingen moet je de comparator gebruiken, die vergelijkt de spanning van de sensor met ‘n
ingestelde waarde.
A
Verbindt de uitgang van de comparator met
een LED en stel de referentiespanning in op 3,0
Volt. Verbindt de ingang van de comparator met
de variabele spanning Usim en onderzoek wanneer
de LED brandt. Formuleer het antwoord precies.
B
Doe alsof de LED een kachel is en stel dat de
temperatuur 20 oC (Vref=1,5V) moet zijn. Ontwerp
een schakeling die de temperatuur op deze waarde
houdt.
SYSTEEMBORD
8
Proef 6 AD-OMZETTER
Bij metingen worden vaak analoge signalen in digitale signalen omgezet. Het kan bijvoorbeeld om
een temperatuur gaan die elke waarde tussen 0 en 100 graden kan aannemen of een voltage dat
elke waarde tussen 0 en 5 kaan aannemen. Vaak is het handig om analoge waarden om te zetten
in digitale waarden meestal in binaire waarden.
Hiernaast zie je de 4-bits AD-omzetter van het sys-teembord. De spanningsbron levert een
analoog signaal aan de AD-omzetter, de binaire
uitgangen van de omzetter zijn met LEDjes
AD
verbonden.
A
Draai de spanning langzaam van 0 naar 5 V.
om
Leg uit wat een AD-omzetter doet.
zet
B
Hoeveel combinaties van enen en nullen kun
ter
je met 4 binaire getallen maken?Welke getallen
kun je dus met 4 bits weergeven?
C
De spanning van 0 tot 5 V wordt dus in ….
stapjes verdeeld: bereken hier uit de stapgrootte
BIN
DEC
VOLT
(V/stap).
D
Maak in je schrift een tabel als hiernaast,
0000
0
0,0 – 0,..
met in de 1e kolom binaire getallen (de LEDjes), in
de tweede kolom de bijbehorende decimale getal
0,0,32
en in de laatste kolom het spanningsgebied dat bij
deze getallen hoort. Moet je hierbij meten, of kun je
het zo wel verzinnen?
E
Leg de naam AD-omzetter uit. Is dit een
invoerder of een verwerker?
Proef 7 TELLER
De TELLER op het systeembord is een component
waarmee je kan tellen. Er zijn 3 ingangen en 2
uitgangen: de decimale uitgang is een getal dat
aangeeft hoe vaak er iets is gebeurd en de 4 binaire
uitgangen vertalen dat decimale getal in iets binairs.
Hiernaast zie je ‘n plaatje van de 4-bits teller
van het systeembord. We hebben er in de les mee
gespeeld, door drukschakelaar DS met de ingang TEL
te verbinden en daar herhaald op te drukken.
A
Leg uit wat er gebeurt.
B
Vervang de drukschakelaar oor een pulsgenerator. Stel die eerst in op 1 Hz en daarna op 10
Hz. Wat gebeurt er? Schrijf de eerste 10 binaire
getallen op.
C
Wat is de functie van de ingangen RESET en
AAN/UIT?
DS
TEL
LER
SYSTEEMBORD
9
II.2 HUISWERK
Je moet thuis eerst onderstaande twee opdrachten maken, daarna de tekst over
binair tellen doorlezen en tot slot som 3 en 4 maken. In de les worden de opgaven
besproken.
VRAAG 1
NIET-NIET-EN IS OF-NIET?
Hiernaast is een schakeling getekend die jij
moet de schakeling namaken om daarna alle
mogelijkheden te onderzoeken.
A
Bouw eerst de NIET-NIET-EN-poort. Maak
een tabel met alle 4 de mogelijkheden.
B
Bouw dan de OF-NIET-poort. Schrijf ook
deze mogelijkhedentabel op.
C
Wat valt je op? Snap je dit als je denkt
aan de betekenis van de woorden EN, OF en
NIET?
Als het goed is heb je nu een wiskundige wet
over de woorden EN, OF en NIET ontdekt. Deze
stelling is in 1750 door de Engelsman de
Morgan ontdekt, zonder systeembord nog wel.
D
Leg die wet in je eigen woorden uit.
E
Er is nog een stelling van de Morgan, eentje met NIET-NIET-OF. Kun jij die zelf ontdekken,
nabouwen met het systeembord en testen?
VRAAG 2
ALARMSCHAKELINGEN
Je kent ze wel, die alarmschakelingen die ’s nachts ineens keihard gaan loeien als jij nietsvermoedend
door het huis van je oma loopt en per ongeluk de sensor inschakelt. Oma moet dan wakker worden om
met een schakelaar het alarm uit te zetten. Zo’n schakeling is met het systeembord goed na te maken.
A
Teken de allersimpelste alarmschakeling met het systeembord (4 componenten)en leg uit hoe de
schakeling werkt.
B
Ontwerp, bouw en test een babyfoon, dwz een alarmschakeling die alleen dan af gaat als er meer
lawaai gemeten wordt dan ingesteld omdat de baby huilt (gebruik een microfoon en een comparator).
C
Je wilt niet dat het alarm afgaat bij elk iets te hard geluidje van de baby. Maak de schakeling zo
dat dit alleen gebeurt als er 8 achtereenvolgende seconden te veel lawaai is omdat er gehuild wordt.
BINAIR TELLEN
Je hebt vast wel eens gehoord dat computers binair werken, dwz met enen en nullen. Hoe zit dat?
Wat is het binaire systeem, hoe kan je daarmee tellen en rekenen? Wij hebben met het decimale
systeem leren tellen. Dat stelsel is een positiestelsel. In het decimale systeem schrijven we
getallen met behulp van 10 cijfers, namelijk 0, 1, 2, … 9. De positie van een cijfer in een getal
bepaalt hoe groot dat getal is.
SYSTEEMBORD
10
Bekijk het getal 818,28 als voorbeeld: een getal met drie 8’n, die allemaal wat anders
betekenen, ‘t zijn 8 honderdtallen, 8 eenheden en 8 honderdsten. Schrijf het getal uit,
818,28 = 8 x 100 + 1 x 10 + 8 x 1 + 2 x 0,1 + 8 x 0,01
en werk vervolgens met machten van 10,
818,28 = 8 x 102 + 1 x 101 + 8 x 100 + 2 x 10-1 + 8 x 10-2
Weet je nog van wiskunde dat 100 = 1, dat geldt trouwens ook voor andere grondtallen
bijvoorbeeld: 20 = 1. Weet je ook waarom dat zo is?
In ons positiestelsel nummeren we de
cijfers: het l aatste cijfer voor de komma
8
1
8
1
8
staat op positie 0, want 100 =1 en het laatste
cijfer voor de komma geeft het aantal eenheden (8 in ons voorbeeld). Zo zetten we ook
2
1
0
-1
-2
de andere 8en en 1en op de goede plek.
Met deze kennis gewapend kun je het 2-tallige of binaire system snappen: daar hebben we
twee cijfers, namelijk 0 en 1. Je moet van binair naar decimaal kunnen omrekenen, van BIN naar
DEC zegt de rekenmachine.
Een voorbeeld maakt veel duidelijk: op de laatste plaats – positie 0 - staat een 1 en op de
ene na laatste plaats stat een 0: dus het getal is oneven, de eenheid zit er wel in en het tweetal
niet. Van binair naar decimaal omrekenen is
niet ingewikkeld, je moet gewoon alle machten
uitrekenen en bij elkaar optellen
1 1 0 0 0 1 0 1
1100 01012
=
1100 01012
=
1x27 + 1x26 + 1 x 22 + 1x20
128 + 64 + 4 + 1
19710
8
7 6
1
5
8
4
3
2
1
Andersom is lastiger: hoe vind je de binaire waarde van een decimaal getal? Je moet dan eerst
kijken wat de hoogste macht van 2is die er in het decimale getal past. Deze manier van doen
noemen we soms afpellen: pel telkens de hoogste macht van 2 er af en kijk welke macht dat is.
Herhaal dit tot je klaar bent, tot er niks over is:
9310 = 64+ 29 = 64 + 16 + 13 =
= 64 + 16+ 8+ 5 = 64 + 16 + 8 + 4 + 1
= 26 +24 + 23 + 22 + 20
9310 = 101 11012
VRAAG 3
VAN BIN NAAR DEC
Reken op deze manier van de volgende drie binaire getallen de decimale waarde uit:
A
1001 11002
B
1111 11112 en
C
1001 11112 .
Schrijf telkens net als hierboven alle tussenstappen op.
VRAAG 4
VAN DEC NAAR BIN
Reken op deze manier van de volgende drie decimale getallen de binaire waarde uit:
A
20010
B
24110 en
C
6310 .
Schrijf net als hierboven telkens alle tussenstappen op.
0
METEN EN REGELEN
11
III METEN EN REGELEN
DEMO 1 TEMPERATUUR REGELEN
Als je de temperatuur wilt regelen dan moet je deze natuurlijk
wel eerst meten. Op school hebben we een temperatuur sensor
met de ijkgrafiek hiernaast afgebeeld.
A
Geef bereik en gevoeligheid van deze sensor (V/0C.)
B
Teken de schakeling met TTL componenten waar mee je
een temperatuur regelsysteem kunt maken en leg de werking er
van uit.
Een lineaire sensor heeft een bereik van -10 tot 90 oC. De sensor geeft een voltage af van 0 tot 5 V
en is in een temperatuurregelsysteem opgenomen waarbij de comparator ingesteld is op 2,5 V. De
sensor hangt in een bak water van 34 oC.
C
Teken de ijkgrafiek en leg uit of de kachel aan of uit staat.
D
Uit het regelsysteem wordt de invertor verwijderd: leg uit hoe het systeem nu reageert
E
Idem: nu wordt de comparator verwijderd. Hoe reageert het systeem dan (de invertor
scharniert bij 1,5 V)?
DEMO 2 HARDLOOPWEDSTRIJD
Van een hardloopwedstrijd moet de tijd gemeten worden. De tijd moet in hele en in tiende van ‘n
seconde weergegeven worden, daarom gebruikten we 2 systeemborden gebruiken). Als de
wedstrijd start (druk op DS A) moet de klok beginnen, bij de finish (DS B) moet de klok stoppen. Je
moet met een aparte schakelaar de klok kunnen resetten (DS C).
In de klas gaan we deze schakeling bouwen met 2 systeemborden en dus met 2 tellers: de
tienden-teller wordt met 10 Hz aangedreven en als die bij 10 is wordt de secondenteller 1
opgehoogd.
A
Welke componenten heb je nodig denk je? Teken hieronder met potlood jouw idee voor de
goede schakeling.
B
Als je de schakeling met een systeembord maakt gaat telkens iets mis wat? Oplossing:
verbindt de aardingen van beide systeemborden.
HEEL
10 Hz
TIENDEN
METEN EN REGELEN
12
DEMO 3 AUTOMATISCHE ROLTRAP
TELLER
Als een klant de lichtstraal onderbreekt dan moet de motor van ‘n roltrap 8 seconden aan gaan, zodat
de roltrap draait. Maartje heeft op school een schakeling gemaakt die dit lijkt te doen (zie boven)
A
Wat is de functie van de twee geheugencellen?
B
Bouw en test Maartjes schakeling. Zie je de fout? Verbeter deze.
C
Bij echte schakelingen werkt men met lichtsluizen: pas de schakeling aan.
Demo 4 VUURTOREN
Een vuurtoren zendt lichtsignalen uit met een
kenmerkend patroon (AAN-UIT resp. KORTLANG). Hiernaast zie je de schakeling achter
zo’n systeem. De puls generator die het aandrijft is niet getekend. Deze is ingesteld op 1 Hz.
A
Geef de namen van de 5 hier getekende
onderdelen en leg hun functie uit.
B
Maak de tabel voor de eerste 16 seconden
helemaal af:
1e kolom decimale getallen 0 t/m 16,
2e kolom bijbehorende binaire getallen,
3e kolom NIET (1),
4e kolom (2 EN 4) en
5e kolom LED
Kijk naar het voorbeeld, snap je hoe de tabel
gemaakt is?
C
Teken in een grafiek voor de eerste
’n
16 s’ wanneer de vuurtoren brandt.
DEC
0
1
2
3
BIN
IN
EN
LED
0000
1
0
1
0001
0
0
0
0010 1
0
1
0011
0
0
0
ONTWERPEN
13
IV ONTWERPEN MET SYSTEMATIC
IV.1 ONTWERPEN
Je hebt nu wat lessen over automaten gehad: we
hebben je met het systeembord laten werken en je
hebt er wat opgaven over gemaakt. Doel van dit
project is je binaire automaten te leren maken. We
laten je ontwerpen met een computerprogramma,
SYSTEMATIC, om je niet in de war te laten brengen
door de spaghetti van draadjes die er vaak op het
systeembord te zien is. Het voordeel van het
werken met SYSTEMATIC is dat je daarin heel
eenvoudig fraaie rechte schema’s kunt maken.
Hierboven zie je een simpele alarmschakeling in
SYSTEMATIC. Zoals je ziet: geen spaghetti! Het
programma staat op MAGISTER.
Ontwerpen is een kunst op zichzelf. Het vereist andere kwaliteiten dan goed zijn in het
maken van Natuurkunde sommen. Er zijn bij dit ontwerpen een paar regels van belang:
(1) Bedenk eerst welke componenten je nodig hebt
(2) Werk altijd volgens het schema INVOER-VERWERKING-UITVOER,
(3) Plaats je componenten in logische deelsystemen en test die afzonderlijk
(4) Voeg de deelsystemen samen tot een geheel dat je test en
(5) – als je het niet meer weet – Werk van achter naar voren.
Hieronder staan 10 eenvoudige en 10 ingewikkelde opdrachten. Van beide moet je er twee
doen.
ONTWERPEN
14
IV.2 EENVOUDIGE OPDRACHTEN
1
HOTELSCHAKELING
Soms wordt in huis het licht aan en uit gedaan met twee schakelaars: één onderaan en één bovenaan de
trap. Zo'n schakeling wordt een hotelschakeling genoemd. Bij een halve hotelschakeling wordt de lamp
ingeschakeld met de ene schakelaar en uitgeschakeld met de andere schakelaar. Ontwerp dit systeem
(halve hotelschakeling). Gebruik 2 drukschakelaars, 1 LED en 1 verwerker.
2
TRANSPORTBAND
Op een transportband worden pakjes aangevoerd. De pakjes worden in een doos verpakt. Er is ‘’n
noodstopknop om te voorkomen dat alle pakjes van de band vallen als er iets mis gaat. De band moet
blijven lopen, tenzij de noodstopknop ingedrukt is. Ontwerp dit systeem. Gebruik een LED als lopende band
en één verwerker.
3
INBRAAKALARM 1
Als een inbreker even een lichtbundel onderbreekt, gaat er een alarmbel af. Het alarm kan door de
huiseigenaar worden uitgezet door het indrukken van een knop. Ontwerp dit systeem. Gebruik de variabele
spanningsbron als lichtsensor en de zoemer als alarmbel. Gebruik nog 3 verwerkers.
4
ALARMINSTALLATIE
Een antiekhandelaar wil bij zijn voordeur een alarminstallatie installeren. Hij wil dat dit alarm met twee
verschillende drukknoppen in- en uitgeschakeld kan worden. Het alarm moet een geluidssignaal afgeven als
iemand binnen een straat van 2 m van de voordeur komt. Het alarm mag niet afgaan als zijn poes de
voordeur nadert. Ontwerp dit systeem. Gebruik de variabele spanningsbron als infrarood-sensor die bij
'poes' een signaal van 0,5 V afgeeft en bij 'mens' een signaal van meer dan 1,5 V.
5
WINKELBEL
Als ’n klant een winkel binnenkomt, gaat de winkelbel automatisch even rinkelen. Ontwerp dit systeem.
Gebruik de variabele spanningsbron als lichtsensor en de zoemer als winkelbel. Gebruik de teller als
secondeklok die na een tijdsduur van 2 s de zoemer uitschakelt. Zorg ervoor dat dan ook de teller stopt en
weer op nul wordt gezet.
6
ROOKMELDER 1
Een rookmelder moet bij te veel rook een alarm laten afgaan. De rookmelder moet ook met een drukknop
getest kunnen worden. Ontwerp dit systeem. Gebruik de variabele spannings-bron als rooksensor die bij te
veel rook een signaal van 4,0 V afgeeft.
7
ROOKMELDER 2
De rookmelder van opdracht 6 geeft vaak vals alarm, bijvoorbeeld als er sigarettenrook in de rookmelder
geblazen wordt. Dit probleem kan worden opgelost door het alarm pas te laten afgaan als er enige tijd lang
rook is geconstateerd. Ontwerp dit systeem. Zorg ervoor dat het alarm pas afgaat als er 4 s lang rook is
geconstateerd.
8
SCHOOLBEL
De schoolbel rinkelt 6 s nadat er aan het eind van een lesuur op een knop gedrukt is. Ontwerp dit systeem.
Zorg ervoor dat de klok weer op nul wordt gezet, nadat de bel 6 s gerinkeld heeft.
9
VUURTOREN 1
Bij een vuurtoren brandt de lamp constant. Het aan-uit-ritme ontstaat door de lamp wel of niet af te
schermen. Maar zo’n aan-uit-ritme kan ook ontstaan door het in- en uitschakelen van de lamp. Ontwerp dit
systeem. Gebruik een LED als vuurtorentamp die steeds 2 s aan en 6 s uit is.
10
VUURTOREN 2
De vuurtoren van opdracht 9 geeft ook overdag licht. Dat is niet nodig: de vuurtoren moet alleen bij
invallende schemer en 's nachts in werking zijn. Ontwerp dit systeem. Neem aan dat de licht-sensor overdag
een signaal van meer dan 3,0 V afgeeft.
ONTWERPEN
15
IV.3 MOEILIJKE OPDRACHTEN
11
REACTIETIJDMETER
Een reactietijdmeter is een soort stopwatch die wordt gestart met een drukknop. Iemand anders bedient
een tweede drukknop, waarmee de stopwatch wordt stil gezet. Op de stopwatch is dan de reactietijd af te
lezen. Door het gelijktijdig indrukken van beide knoppen wordt de stopwatch weer op 0 gezet. Ontwerp dit
systeem. Zorg dat het display de reactietijd weergeeft in 10en van een sec.
12
ONWEER
Bij onweer zit er een bepaalde tijd tussen het moment dat je de bliksem ziet en de donder hoort. Deze
tijdsduur geeft aan hoe ver de onweersbui van je verwijderd is. Het meten van deze tijdsduur wordt
geautomatiseerd. Het systeem is voorzien van een reset-drukknop. Ontwerp dit systeem. Gebruik een
variabele spanningsbron als lichtsensor die bij bliksem een signaal van 4,0 V afgeeft. Gebruik een tweede
variabele spanningsbron als geluidsensor die bij donder 3,0 V afgeeft.
13
LUCHTSLUIS
Bij sommige ziekenhuizen bevindt zich bij de ingang van bepaalde afdelingen een luchtsluis. Je loopt dan
door 2 deuren. Als je de eerste deur opent, passeer je een lichtsensor. Daardoor gaat de tweede deur met
een elektromagneet even op slot. Je moet dus even wachten voordat je de tweede deur kunt openen.
Ontwerp dit systeem. Gebruik de variabele spanningsbron als licht-sensor en een LED als elektromagneet.
Zorg ervoor dat de 2e deur 8 s lang op slot blijft zitten.
14
FÖHN
Een föhn heeft een drukknop voor het inschakelen en een andere drukknop voor het uitschakelen van het
apparaat. Als de föhn is ingeschakeld moet er een signaallampje branden. De föhn moet beveiligd zijn tegen
oververhitting: de temperatuur van de warme lucht mag niet hoger worden dan 45 oC. Ontwerp dit
systeem. Gebruik de variabele spanningsbron als temperatuur-sensor die bij een temperatuur van 45 oC
een signaal van 3,0 V afgeeft. Gebruik de zoemer als föhn.
15
LIFT
In een lift kies je met een drukknop de juiste verdieping. Na 4 s gaan de lift- deuren dicht, tenzij er iemand
tussen de deuren beklemd dreigt te raken. Ontwerp dit systeem. Gebruik de variabele spanningsbron als
lichtsensor en een LED als signaallampje voor 'deur dicht'.
16
VOETGANGERSLICHT
Het voetgangerslicht bij een oversteekplaats staat standaard op rood. Met een drukknop kan een
voetganger het op groen zetten, daarna gebeurt er 4 s niets. Dan gaat het rode licht uit en het groene licht
aan. Het groene licht blijft 4 s branden. Daarna wordt de startsituatie (rood licht) hersteld, tot er weer op
de knop gedrukt wordt. Gebruik 2 LED’s als groen en rood licht.
17
BROODROOSTER
In een broodrooster is het brood net goed na 8 s roosteren. Het brood moet bij het begin van die tijdsduur
van 8 s dan wel al een bepaalde temperatuur hebben. Ontwerp dit systeem. Gebruik de variabele
spanningsbron als temperatuur-sensor die een signaal van 4,0 V afgeeft als de juiste broodtemperatuur is
bereikt. Gebruik een LED als verwarmingselement in het broodrooster.
18
LICHTAUTOMAAT
Tijdens de vakantie kunnen inbrekers worden afgeschrikt door de indruk te wekken dat er iemand thuis is.
Dan moet in huis een lamp aan gaan als het buiten donker is geworden. Na enige tijd moet die lamp weer
uit gaan. Dit aan-uit-ritme van de lamp moet zich elke volgende dag herhalen. Ontwerp dit systeem.
Gebruik de var spanning als lichtsensor die in het donker 5 V afgeeft.
19
INBRAAKALARM 2
Een inbraakalarm kan op geluid reageren. Bij het waarnemen van een inbreker moet er een lamp gaan
knipperen. De lamp moet steeds 4 s uit en 4 s aan zijn. Ontwerp dit systeem. Gebruik de geluidsensor die
3,5 V afgeeft als de inbreker aanwezig is. Gebruik een LED als lamp.
OEFENTOETS
16
20
PLANTENGIETER
In de vakantie moeten de planten in een plantenbak overleven. De planten moeten water krijgen als de
aarde droog is, tenzij de zon op de planten schijnt. Ontwerp dit systeem. Gebruik variabele
spanningsbronnen als vochtsensor en lichtsensor. Gebruik een LED als kraan.
V
OEFENTOETS
I
GEHEUGENCEL
A
Leg uit hoe je een geheugencel kunt maken met een OF-poort, een EN- poort en een invertor.
II
ALLERLEI ALARMEN
A
Ontwerp een alarmsysteem. De schakeling moet een alarmsignaal afgeven als er in de kamer
(ooit) een voldoende hoge temperatuur is geregistreerd die minstens 3 sec aanhield. Het alarm
moet handmatig uitgezet kunnen worden.
Een brandmelder moet afgaan als de temperatuur die de sensor aan geeft gedurende 5 sec boven
de 55 oC is (ref. spanning sensor 3,4 V). Het alarm moet handmatig uit gezet kunnen worden.
B
Teken de schakeling.
C
Idem, alleen gedurende de nacht (van 0 tot 8 uur!)
III REGELSYSTEEM
Hiernaast is ‘n systeem weergegeven dat de temperatuur
in een aquarium regelt. Temperatuursensor T is lineair en
heeft een bereik van -10 tot 90 oC. De gevoeligheid van de
sensor is 20 oC per Volt. De sensor levert een spanning
tussen de 0,0 en 5,0 V. Bij 5,0 V hoort de hoge
temperatuur. De invertor die hier gebruikt wordt
'scharniert' bij 1,5 V: bij een ingangsspanning boven de 1,5
is de uitgangsspanning laag.
A
Leg mbv INVOER-VERWERKING-UITVOER de werking
van dit regelsysteem uit.
B
Teken een spanning-temperatuur grafiek van deze temperatuursensor (T op x-as, V op Y-as).
C
De comparator is ingesteld op 2,5 Volt Leg met behulp van de grafiek uit of de dompelaar al
dan niet aan staat als de temperatuur van het water 34 oC is .
D
Wat gebeurt er als je de invertor verwijdert? Leg uit!
E
Wat wordt de temperatuur als je de comparator verwijdert? Leg uit!
IV AUTO’s TELLEN
Onze grote actievoerder, Roel Ranzijn, woont in een
drukke straat in Egmond. De bewoners in die straat
zijn van mening dat het grote aantal auto's een onaanvaardbare overlast met zich mee brengt. Daarom
hebben ze een actiegroep opgericht, die de straat
autovrij wil maken. Roel vindt dat er behoefte is aan
harde gegevens om de gemeente te overtuigen van
het gelijk van zijn actiegroep. Samen met zijn geliefde
natuurkunde leraar maakt hij een autosensor, die
hiernaast is afgebeeld.
OEFENTOETS
17
De autosensor is een tuinslang die over de weg wordt gelegd. Aan de slang is een druksensor
verbonden, die - zoals je hiernaast kunt zien - op een comparator is aangesloten. Als de slang
wordt ingeduwd door een wiel dan stijgt de druk en dan geeft de druksensor een hoger voltage af.
A
Uit de eerste proefnemingen op straat blijken ook de fietsers geteld te worden. Leg uit hoe
de referentie spanning moet veranderd wil Roel alleen auto's tellen.
Bij verdere proeven blijken de auto's dubbel te
worden geteld: niet alleen de voorwielen maar ook
de achterwielen drukken de slang plat. Roel lost dit
probleem op met behulp van 2 pulsentellers. De
linker pulsenteller, A, ken je wel, deze heeft de
zelfde uitgangen als het systeem bord op school.
Pulsenteller B heeft ook hogere uitgangen, zoals je
in de figuur hiernaast kunt zien.
B
Hoe moet je A aan B vast moet maken?
Aan het eind van de eerste dag van zijn
proefnemingen staat B op 0011 1000 terwijl C het
bedrag 0100 1100 aan geeft.
C
Reken deze twee getallen om in het
tientalligstelsel
D
Hoeveel auto's zijn er op de eerste dag door
Roels’ straat gegaan?
V
REKENMACHINE
In een rekenmachine worden de ingetoetste getallen eerst in binaire getallen omgezet.
A
Geef de getallen 71 en 45 binair weer. Laat de berekeningen zien.
B
Tel deze getallen in het binaire stelsel op en controleer je antwoord in het decimale stelsel.
Om de binaire getallen op te tellen, worden schakelingen gebruikt zoals hier naast getekend. De
ingangen A en B kunnen hoog of laag zijn, dus de
waarde 1 of 0 hebben. De uitgangen C en D
worden in de volgorde CD afgelezen. Als
bijvoorbeeld geldt: C = 1 en D = 0, dan geeft CD het
binaire getal 10 weer (decimaal dus 2). CD geeft
het resultaat van de optelling van A en B binair
weer. De met een vraagteken aangegeven
rechthoek van de figuur stelt een OF-poort of een
EN-poort voor.
C
Leg met mogelijkheden tabel uit of de met
een vraagteken aangegeven rechthoek een OFpoort vof een EN-poort voorstelt.
OEFENTOETS
VI
18
EEN DIGITALE KLOK MAKEN VAN TELLERS
SEC
MIN
UUR
1 Hz
Hierboven zie je drie tellers, ze hebben 6 binaire uitgangen ( 1, 2, 4, 8, 16 en 32). Zo’n ding kun je
bij iedere elektronicawinkel voor een paar eurocent kopen. We willen hiervan een digitale klok
maken, die de tijd decimaal weergeeft (elk display heeft 2 cijfers). De tijd moet in uren, minuten
en seconden worden weergegeven. Het systeem wordt door een onwaarschijnlijk precieze pulsgenerator aangedreven, die met 1,0000 Hz bliept.
A
Wanneer moet het minutendisplay opgehoogd worden? Wat moet er dan met de secondenteller gebeuren?
B
Wanneer moet het urendisplay opgehoogd worden? Wat moet er dan met de minutenteller gebeuren?
C
Breng de benodigde poorten en verbindingsdraden aan zodat het systeem werkt als de
urenteller die om 12 uur gereset moet worden (het is een 12 uurs klok, geen 24 uurs klok).
D
Wat moet er veranderen bij een etmaalklok, die tot 24 uur telt?
E
Hoeveel loopt de klok in een etmaal voor als de pulsfrequentie 1,0004 Hz is.