Arduino_Electronics_Teacher_Guide

คูม่ อื กิจกรรมการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อสร้างสรรค์สิ่งประดิษฐ์ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สําหรับการศึกษาขั้นพื้นฐาน สาหรบการศกษาขนพนฐาน

การเรียนรู้อเิ ล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino

โครงการวิจัยและพัฒนา กิจกรรมการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อสร้างสรรค์ส่งิ ประดิษฐ์ทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี สําหรับการศึกษาขั้นพืน้ ฐาน

คํานํา เอกสารนี้นําเสนอแผนการจัดการเรียนรู้วิชา “การเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรม ด้วย Arduino” กลุ่มสาระเพิ่มเติมระดับมัธยมศึกษาตอนต้น (ม.3) หรือ ตอนปลาย (ม.5-6) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่ง ของโครงการวิจัย “การพัฒนาหลักสูตรการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ เพื่อสร้างสรรค์สิ่งประดิษฐ์ทางวิทยาศาสตร์ สําหรับการศึกษาขั้นพื้นฐาน” แผนการจัดการเรียนรู้นี้ ได้กําหนดกิจกรรมการเรียนการสอนสําหรับ 40 ชั่วโมง รูปแบบกิจกรรมการเรียนรู้ 5 แบบ ได้แก่ กิจกรรมนําเข้าสู่บทเรียนและกระตุ้นความสนใจ กิจกรรมค้นคว้า และสืบค้นข้อมูล กิจกรรมแบ่งกลุ่มระดมความคิดและอภิปราย และกิจกรรมฝึกปฏิบัติ กิจกรรมท้าทาย ความสามารถ รวมถึงการใช้สื่อและอุปกรณ์การสอน พร้อมวีดีโอสาธิตการต่อวงจร และการวัดผลประเมินผล โดยได้จัดทําเนื้อหาสาระและจุดประสงค์การเรียน ให้สอดคล้องกับวัตถุประสงค์ของการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ ขั้นพื้นฐาน สภาพของผู้เรียน และวัสดุอุปกรณ์ที่ได้เลือกมาสื่อการเรียนรู้ คณะผู้เรียบเรียงหวังว่า เอกสารนี้จะเป็นประโยชน์ต่อครูผู้สอนที่มีความประสงค์จะนําเนื้อหาวิชา “การเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พนื้ ฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino” ไปสอนในชั้นเรียนให้มีประสิทธิภาพและ สัมฤทธิ์ผลตามวัตถุประสงค์ที่ได้ตั้งไว้

คณะผู้เรียบเรียง มีนาคม 2555

สารบัญ บทนํา

1

แผนการจัดการเรียนรู้

15

หน่วยการเรียนรู้ที่ 1 ความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้า

17

หน่วยการเรียนรู้ที่ 2 ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับ Arduino

29

หน่วยการเรียนรู้ที่ 3 การใช้งานขาอินพุต-เอาต์พตุ ของบอร์ด Arduino

41

หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภาคเอาต์พตุ สําหรับ Arduino

55

หน่วยการเรียนรู้ที่ 5 การใช้งานเซนเซอร์ร่วมกับบอร์ด Arduino

71

**************

บทนํา ความสําคัญของอิเล็กทรอนิกส์ อิเล็กทรอนิกส์ (Electronics) เป็นพื้นฐานที่สําคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีในหลายๆ ด้าน โดยเฉพาะ อย่างยิ่ง เทคโนโลยีทางด้านคอมพิวเตอร์ การสื่อสาร และสารสนเทศ อิเล็กทรอนิกส์ได้เข้ามามีบทบาทอย่าง มากในชีวิตประจําวันของเรา อุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ หลายชนิดที่พบเห็นได้รอบตัวเรา มีแผงวงจร อิเล็กทรอนิกส์อยู่ภายและเป็นส่วนประกอบที่สําคัญ การเรียนรู้และทําความเข้าใจเกี่ยวกับอุปกรณ์และวงจรอิเล็กทรอนิกส์พนื้ ฐาน จึงเป็นสิ่งสําคัญ และ จะช่วยให้เรามีความรู้ความเข้าใจเทคโนโลยีในหลายด้านๆ ที่อาศัยอิเล็กทรอนิกส์เป็นพื้นฐานสําคัญได้ดียิ่งขึ้น ความรู้และทักษะทางด้านอิเล็กทรอนิกส์สามารถนําไปประยุกต์ใช้ในชีวิตประจําวันได้ เช่น สร้างสิ่งประดิษฐ์ที่ เป็นประโยชน์ได้ หรือเป็นส่วนหนึ่งของความรู้และทักษะสําหรับการศึกษาในระดับที่สูงขึ้นไป ซึ่งเกี่ยวข้องกับ วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี รวมทั้งการนําไปประกอบอาชีพ หรือเรียนรู้เพื่อเป็นทํางานอดิเรกก็ได้ เพราะเป็น งานที่ต้องใช้ความคิดสร้างสรรค์และมีความท้าทาย และทําให้เกิดความสนุกในการเรียนรู้ได้เช่นกัน การเรียนรู้ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ มิใช่จํากัดอยู่แค่การนําอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ มา ต่อกันเป็นวงจรเท่านั้น แต่ในปัจจุบันยังรวมไปถึงการเขียนโปรแกรม เพื่อกําหนดพฤติกรรมการทํางานให้ ไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งเป็นไอซีหรือวงจรรวมประเภทหนึ่ง และนํามาใช้ควบคุมการทํางานของส่วนอื่นใน วงจรอิเล็กทรอนิกส์ ดังนั้นจึงกล่าวได้ว่า การเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์เกี่ยวข้องกับสองส่วนที่สําคัญคือ ฮาร์ดแวร์ซึ่ง หมายถึง แผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์และส่วนประกอบต่างๆ และซอฟต์แวร์ซึ่งหมายถึง การเขียนโปรแกรม สําหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของวงจรอิเล็กทรอนิกส์

สาระการเรียนรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์ ในการเรียนรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้นและในระดับที่สูงขึ้นไป สําคัญได้ 8 สาระการเรียนรู้ดังนี้

สามารถกําหนดสาระการเรียนรู้

1) พื้นฐานทางไฟฟ้า เป็นสาระเกี่ยวกับหลักการ ทฤษฎีพื้นฐานทางไฟฟ้า เครื่องมือช่างพื้นฐานสําหรับ งานด้านไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ ข้อควรระวังและอันตรายเกี่ยวกับไฟฟ้า ความสําคัญและบทบาท ของอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ในชีวิตประจําวันในงานด้านต่างๆ 2) การวัดปริมาณทางไฟฟ้าและการใช้เครื่องมือวัด เป็นสาระเกี่ยวกับปริมาณทางไฟฟ้า ซึ่งได้แก่ กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า ความต่างศักย์ไฟฟ้า เป็นต้น ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทางไฟฟ้า การ 1

3)

4)

5)

6)

7)

8)

วัดปริมาณทางไฟฟ้าโดยใช้เครื่องมือวัด เช่น มัลติมิเตอร์ ได้อย่างถูกต้องและเหมาะสม การทดลอง ปฏิบัติ การวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง ส่วนประกอบในวงจรอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน เป็นสาระเกี่ยวกับหลักการทํางานของอุปกรณ์หรือ ชิ้นส่วนประเภทต่างๆ ที่พบเห็นได้บ่อยในวงจรอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด ทรานซิสเตอร์ ไอซีหรือวงจรรวมต่างๆ ไอซีลอจิก ไมโครคอนโทรลเลอร์ แหล่งจ่ายไฟ เซนเซอร์ ประเภทต่างๆ เป็นต้น การสืบค้นข้อมูลจากอินเตอร์เน็ต การเลือกใช้และการต่อวงจรใช้งานอุปกรณ์ เหล่านี้อย่างถูกต้องและเหมาะสม การออกแบบและวิเคราะห์วงจรอิเล็กทรอนิกส์ เป็นสาระเกี่ยวกับการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ กระบวนการออกแบบ การเลือกใช้ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในการออกแบบวงจร การรู้จักสัญลักษณ์ทาง ไฟฟ้าของอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องมือในการออกแบบที่เหมาะสม การเขียนแบบ (วาดผังวงจร) สําหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์เบือ้ งต้น การวิเคราะห์การทํางานวงจรอิเล็กทรอนิกส์ การใช้ โปรแกรมซอฟต์แวร์ช่วยในการออกแบบและวิเคราะห์วงจร การจําลองการทํางานของวงจร การต่อวงจรและการประกอบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เป็นสาระเกี่ยวกับความรู้และทักษะพื้นฐานในการ ต่อวงจร การประกอบวงจร การอ่านแบบ (ผังวงจร) ของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ การเลือกใช้เครื่องมือ และวัสดุอุปกรณ์ให้เหมาะสมกับงาน เช่น การใช้แผงต่อวงจรอเนกประสงค์ การใช้อุปกรณ์บัดกรี การ ใช้งานแผ่นวงจรพิมพ์สําเร็จรูป เป็นต้น การตรวจสอบ การป้องกัน ค้นหาสาเหตุ และแก้ไขข้อผิดพลาดในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เป็นสาระ เกี่ยวกับตรวจสอบความถูกต้องของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพื่อป้องกันความผิดพลาดในการทํางานของ วงจรที่อาจเกิดขึ้นได้ การค้นหาสาเหตุและวิธีแก้ไขข้อผิดพลาดในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ การซ่อมแซม วงจรอิเล็กทรอนิกส์เบื้องต้น การประยุกต์ใช้งานวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เป็นสาระเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ความรู้และทักษะในการ สร้างวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่กอ่ ให้เกิดประโยชน์ เช่น การสร้างหุ่นยนต์ การสร้างสิ่งประดิษฐ์หรือ เครื่องใช้ การทําโครงงานวิทยาศาสตร์ เป็นต้น การนําเสนอผลงาน การจัดทําเอกสาร คู่มือการใช้งาน การเขียนโปรแกรมสําหรับระบบสมองกลที่ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ เป็นสาระเกี่ยวกับการเขียน โปรแกรมในภาษาคอมพิวเตอร์ระดับสูง การวางแผนกําหนดขั้นตอนหรือเงื่อนไขในการทํางานของ โปรแกรมที่จะนําไปใช้สําหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ การใช้ซอฟต์แวร์ที่เกี่ยวข้องในพัฒนาโปรแกรม สําหรับคอมพิวเตอร์สมองกลอย่างถูกต้องและมีประสิทธิภาพ

2

รูปแบบและสื่อการเรียนรู้และฝึกทักษะด้านอิเล็กทรอนิกส์ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ สามารถจําแนกออกได้ตามลักษณะการทํางานของวงจรและอุปกรณ์ที่ได้นํามา ประกอบเป็นวงจร ซึ่งมีได้หลายแบบ เช่น  จําแนกตามชนิดของสัญญาณไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการทํางานของวงจร เช่น วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่ ประมวลผลสัญญาณแบบแอนะล็อก (Analog) และแบบ ดิจิทัล (Digital)  จําแนกตามกําลังไฟฟ้า (Power) ซึ่งหมายถึง แรงดันหรือปริมาณกระแสไฟฟ้าภายในวงจร เช่น วงจร อิเล็กทรอนิกส์กําลังต่ํา (ใช้กําลังไฟฟ้าต่ํากว่าหนึ่งวัตต์) วงจรอิเล็กทรอนิกส์กําลังปานกลาง (ใช้กําลัง หลายสิบวัตต์) และวงจรอิเล็กทรอนิกส์กําลังสูง (ใช้กําลังไฟฟ้าหลายร้อยวัตต์หรือกิโลวัตต์)  จําแนกตามความถี่ของสัญญาณไฟฟ้า เช่น วงจรที่มีสัญญาณความถี่ต่ํามากและวงจรที่มีสัญญาณ ความถี่สูงหรือสูงมาก เช่น วงจรรับส่งหรือสื่อสารผ่านคลืน่ วิทยุ เป็นต้น

ในการเลือกวงจรอิเล็กทรอนิกส์และวัสดุอุปกรณ์ที่เกี่ยวข้อง เพื่อนํามาใช้เป็นสื่อการเรียนรู้ หรือฝึก ทักษะ ต้องเลือกให้เหมาะสมกับผู้เรียน ตัวอย่างเช่น การใช้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มกี าํ ลังไฟฟ้าสูงหรือความถี่สูง ย่อมไม่เหมาะกับผู้เรียนสําหรับการเรียนรู้ในระดับพื้นฐาน และอาจะเกิดผลเสียหรืออันตราย เช่น การใช้วงจร อิเล็กทรอนิกส์ที่มีกําลังไฟฟ้าสูงอย่างไม่ถูกต้องอาจทําให้เกิดความผิดพลาดของวงจร และก่อให้เกิดความ เสียหายต่อวงจรได้ หรือเป็นอันตรายต่อร่างกายได้ นอกเหนือจากนั้น อุปกรณ์มักมีราคาแพงกว่าอุปกรณ์ที่ใช้ กําลังไฟฟ้าต่ําและความถี่ต่ํา การใช้อุปกรณ์ความถี่สูงก็ต้องอาศัยเครื่องมือวัดที่ใช้งานได้ในย่านความถี่สูงและ มักมีราคาแพง การจัดหาอุปกรณ์ต่างๆ สําหรับนํามาใช้ในการฝึกปฏิบัติ รวมถึงราคา ก็เป็นสิ่งสําคัญที่ควร พิจารณา จากการสํารวจตัวอย่างอุปกรณ์สําหรับการเรียนรู้และฝึกทักษะด้านอิเล็กทรอนิกส์ ตัวอย่างเช่น สินค้า ที่จําหน่ายผ่านเว็บไซต์ต่างๆ ในอินเทอร์เน็ต (Internet) ทั้งในประเทศและต่างประเทศ สามารถนํามาใช้ใน การจําแนกประเภทหรือรูปแบบการเรียนรู้ได้ดังนี้ 1.

2.

3.

4.

5.

การออกแบบวงจร และการจําลองการทํางานโดยใช้คอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์ การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในฮาร์ดแวร์จริง การฝึกประกอบและบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ การฝึกต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้วงจรหรือโมดูลสําเร็จรูป การฝึกเขียนโปรแกรมเพื่อควบคุมการทํางานของไมโครคอนโทรลเลอร์

3

การออกแบบวงจร และการจําลองการทํางานโดยใช้คอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์ ในรูปแบบการเรียนรู้ประเภทนี้ ผู้เรียนไม่จําเป็นต้องมีฮาร์ดแวร์จริง แต่ใช้คอมพิวเตอร์และซอฟต์แวร์ สําหรับงานดังกล่าว ผู้เรียนสามารถออกแบบวงจรหรือทดลองต่อวงจรโดยการสร้างแบบจําลอง (Model) ใน คอมพิวเตอร์ และสามารถศึกษาพฤติกรรมการทํางานของวงจรได้ เช่น ดูการเปลี่ยนแปลงของปริมาณทาง ไฟฟ้า ซึ่งโดยทั่วไปหมายถึง กระแสและแรงดันไฟฟ้าภายในวงจรเมื่อเวลาผ่านไป การจําลองพฤติกรรมของ วงจรอิเล็กทรอนิกส์ จะช่วยให้ผู้เรียนสามารถทดลองป้อนสัญญาณอินพุตรูปแบบต่างๆ และสังเกตดูการ เปลี่ยนแปลงทีเ่ กิดขึ้นที่เอาต์พุตของวงจรได้ สามารถเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างอินพุตและเอาต์พุตได้ ซอฟต์แวร์อาจถูกนํามาใช้ เพื่อฝึกทักษะในการวาดผังวงจรทางไฟฟ้า-อิเล็กทรอนิกส์ ทําให้ผู้เรียนรู้จัก และเข้าใจสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าสําหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ สามารถนํามาใช้วาดวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้ อย่างถูกต้อง รวมถึงทักษะการใช้ซอฟต์แวร์เพื่อแปลงผังวงจรให้อยู่ในรูปของลายวงจร เพื่อนําไปสร้างเป็น แผ่นวงจรพิมพ์ (PCB: Printed Circuit Board) ได้ ซึ่งถือว่าเป็นความรู้และทักษะพื้นฐานที่สาํ คัญในการ ออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์

รูปที่ 1: ตัวอย่างผังวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่วาดโดยใช้โปรแกรมคอมพิวเตอร์สําหรับออกแบบวงจร

ซอฟต์แวร์บางโปรแกรมสามารถจําลองการทํางานของวงจรหรือฮาร์ดแวร์ที่มีความหลากหลาย “แบบ เสมือนจริง” ได้ หรือที่เรียกว่า Virual Hardware Simulation ผู้ใช้สามารถนําอุปกรณ์หรือชิ้นส่วน อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความซับซ้อนไม่มาก เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ หลอดไฟแอลอีดี (LED) ทรานซิสเตอร์ ไปจนถึงอุปกรณ์ที่มีความซับซ้อนมากขึ้น เช่น วงจรรวมหรือไอซี (IC: Integrated Circuit) สําเร็จรูป มาต่อเข้า ด้วยกันตามรูปแบบการทํางานที่ต้องการ แต่ก็มักจะต้องเสียค่าลิขสิทธิ์ (License) ในการใช้งาน และอาจมี ราคาแพง ซึ่งถือได้ว่า เป็นอุปสรรคที่สําคัญของการจัดหาซอฟต์แวร์ประเภทนี้ เพื่อนําไปใช้ในห้องเรียนหรือ การเรียนรู้ด้วยตนเอง 4

รูปที่ 2: ตัวอย่างลายวงจรสําหรับนําไปสร้างแผ่นวงจรพิมพ์

รูปที่ 3: ตัวอย่างโปรแกรม Fritzing สําหรับการวางแผนต่อวงจรบนเบรดบอร์ด

การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ในฮาร์ดแวร์จริง แบบไม่ต้องบัดกรี การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์แบบไม่ต้องบัดกรี เป็นการนําอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานต่างๆ มาต่อ เข้าด้วยกันให้เป็นวงจรในรูปแบบต่างๆ ที่มคี วามซับซ้อนแตกต่างกันไป มีสองตัวเลือกที่สําคัญ ได้แก่  การต่อวงจรบนเบรดบอร์ด เป็นการนําชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มขี าเสียบลงในรูของแผงต่อวงจรที่ เรียกว่า เบรดบอร์ด (Breadboard) ซึง่ มีหลายขนาดให้เลือกใช้ การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ อุปกรณ์นี้มีข้อดีคือ จะไม่ทําให้สิ้นเปลืองวัสดุอุปกรณ์ สามารถนําวัสดุอุปกรณ์ในการต่อวงจรกลับมา 5

ใช้ได้อีก และไม่ต้องบัดกรี (Solderless) ผู้เรียนสามารถสังเกตพฤติกรรมและทดสอบการทํางานวงจร หรือวัดสัญญาณทางไฟฟ้าได้โดยใช้เครื่องมือวัด เช่น มัลติมิเตอร์ ผู้เรียนสามารถทดลองสร้างวงจรได้ เองโดยนําชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มาต่อบนแผงต่อวงจร แล้วเชื่อมต่อจุดต่างๆ ของวงจรเข้าด้วยกันโดย ใช้ลวดสายไฟ ผู้เรียนจะได้ฝึกทักษะจริงซึง่ แตกต่างจากวิธีการใช้โปรแกรมจําลองการทํางานของวงจร แต่ก็ข้อเสียคือ เวลาที่ใช้ในการต่อวงจรจะเพิ่มมากขึ้นตามความซับซ้อนของวงจร ถ้าวงจรมีความ ซับซ้อนมากก็มีโอกาสผิดพลาดสูงในการต่อวงจร ถ้าชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็ก ก็มีโอกาสทีจ่ ะ สูญหายได้ง่าย ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บางประเภทก็มีโอกาสชํารุดได้ถ้าใช้งานไม่ถูกต้อง เช่น ขาของ ไอซีอาจจะหักได้

รูปที่ 4: ตัวอย่างแผงต่อวงจร หรือที่เรียกว่า เบรดบอร์ด (Breadboard)

รูปที่ 5: ตัวอย่างการต่อวงจรบนเบรดบอร์ด

 ชุดทดลองสําหรับต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ มักมีราคาแพง เพราะมีลักษณะเป็นแผงวงจรขนาดใหญ่ มีอุปกรณ์ต่างๆ หลายชนิดอยู่บนแผงต่อวงจรให้เลือกใช้งาน หรือเชื่อมต่อกันได้ทางไฟฟ้าได้ บนแผง ต่อวงจรนี้อาจจะมีรูเสียบสายไฟ เพื่อเชื่อมต่อวงจรส่วนต่างๆ ของชุดทดลองเข้าด้วยกัน หรือเชื่อมต่อ โดยใช้ลวดสายไฟไปยังแผงทดลองหรืออุปกรณ์อื่น โดยทั่วไปแล้วชุดทดลองประเภทนี้มักมีราคาแพง (หลายพันบาท บางชุดอาจมีราคาเกินหนึ่งหมื่นบาท) ทั้งนีก้ ็เพราะความซับซ้อนของชุดทดลองนั่นเอง 6

รูปที่ 6: แผงทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของบริษัทในต่างประเทศ (ที่มา: http://www.jjmelectronics.co.uk/ สืบค้นเมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

รูปที่ 7: ตัวอย่างชุดทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของบริษัท Inex (ที่มา: http://www.inex.co.th/ สืบค้นเมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

7

การฝึกประกอบและบัดกรีชนิ้ ส่วนอิเล็กทรอนิกส์ การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์บนแผงต่อวงจรหรือเบรดบอร์ดนั้น แม้ว่าผู้เรียนจะได้ทักษะในการฝึกต่อ วงจรและสามารถตรวจสอบการทํางานของวงจรได้จริง แต่ก็มีข้อจํากัดในการนําวงจรดังกล่าวไปใช้งาน วงจร อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถนําไปใช้งานได้จริงและมีความทนทานต่อการใช้งาน จะต้องมีการบัดกรีขาอุปกรณ์หรือ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์บนแผงวงจร หรือที่เรียกว่า แผ่นวงจรพิมพ์ เพื่อยึดติดกันด้วยโลหะผสมที่ได้รับความ ร้อนสูงทําให้หลอมละลาย และเมื่อเย็นตัวลงก็จะทําให้ขาอุปกรณ์ยึดติดกับแผงวงจรในตําแหน่งที่ได้บัดกรีไป ในการฝึกทักษะโดยการนําชิ้นส่วนหรืออุปกรณ์ที่จําเป็น มาประกอบและบัดกรีขา ให้เป็นแผงวงจรนั้น จะใช้สิ่งที่เรียกว่า ชุดคิทอิเล็กทรอนิกส์ (Electronics Kits) ซึ่งประกอบด้วยแผ่นวงจรพิมพ์หนึ่งแผ่น และ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง ชุดคิทมีความแตกต่างกันไปตามความซับซ้อน และชิ้นส่วนของวงจรที่ ใช้ ชุดคิทที่เหมาะสมกับการฝึกทักษะของผูเ้ รียนในเบื้องต้น คือ ชุดคิทที่ใช้อุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ที่มีขา (Through-Hole Devices) และเสียบขาให้ตรงรูบนแผ่นลายวงจรเพื่อทําการบัดกรี ในกรณีที่อุปกรณ์ หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เป็นแบบ SMDs (Surface Mounting Devices) จะมีขนาดเล็กและไม่ได้ใช้วิธีเสียบ ขาอุปกรณ์ลงในรูของแผ่นลายวงจร ทําให้ต้องใช้ทักษะในการบัดกรีอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนประเภทนี้สูงกว่า ข้อดีของการใช้ชุดคิท ได้แก่  ผู้เรียนได้เรียนการฝึกประกอบวงจรตามแผนผังวงจร ซึ่งต้องอาศัยความเข้าใจและรู้จักอุปกรณ์หรือ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เหล่านัน้ เป็นอย่างยิ่ง และต้องมีความรอบครอบในการทํางาน เพราะถ้าไม่ เข้าใจหรือใส่อปุ กรณ์ผิด เช่น สลับขากัน จะทําให้วงจรทํางานผิดพลาด เป็นต้น  ผู้เรียนได้ฝึกทักษะการบัดกรีวงจร โดยใช้อุปกรณ์หรือเครือ่ งทางช่างที่เกี่ยวข้อง เช่น ปืนหัวแร้งบัดกรี คีมประเภทต่างๆ  มีวงจรอิเล็กทรอนิกส์ให้เลือกใช้ ตั้งแต่ระดับง่ายไปจนถึงมีความซับซ้อนสูง  สําหรับบางชุดคิทที่ได้ผ่านการประกอบและบัดกรีอย่างถูกต้องแล้ว ก็สามารถนําไปใช้งานได้จริง ข้อเสียของการใช้ชุดคิท ได้แก่    

ใช้ได้แค่ครั้งเดียวสําหรับการฝึกบัดกรี เพราะเป็นการบัดกรีชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ลงบนแผ่นวงจร เหมาะสําหรับฝึกทักษะการประกอบวงจรเท่านั้น มีค่าใช้จ่ายที่เกิดขึ้นทุกครั้งในการประกอบและบัดกรีวงจร ไม่ได้เน้นที่การออกแบบวงจรโดยผู้เรียน แต่มักจะเน้นที่การฝึกประกอบและบัดกรีวงจร

8

รูปที่ 8: ตัวอย่างชุดคิทสําหรับฝึกทักษะประกอบและบัดกรี

ในกรณีทผี่ ู้เรียนยังไม่มีทักษะในการบัดกรีเท่าที่ควร การฝึกบัดกรีโดยใช้ชุดคิท ย่อมมีความเสี่ยงสูงที่ จะเกิดความผิดพลาดในการบัดกรีและจะต้องแก้ไข หรืออาจทําให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ได้ ตัวเลือก หนึ่งที่สามารถนํามาใช้แทนชุดคิท คือ การฝึกบัดกรีขาอุปกรณ์บนแผ่นวงจรอเนกประสงค์ (Universal PCB) ซึ่งมีต้นทุนที่ตา่ํ กว่าเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้ชุดคิท และใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทมี่ ีราคาไม่แพง เช่น ตัว ต้านทาน ไดโอดเปล่งแสง ทรานซิสเตอร์ เป็นต้น

รูปที่ 9: ตัวอย่างแผ่นวงจรอเนกประสงค์สําหรับฝึกบัดกรีขาอุปกรณ์

9

การฝึกต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้วงจรหรือโมดูลสําเร็จรูป ในกรณีทผี่ ู้เรียนมีทักษะการต่อวงจรบนเบรดบอร์ดในระดับหนึ่งแล้ว รวมถึงทักษะการประกอบและ บัดกรีอุปกรณ์บนแผ่นวงจรพิมพ์ ถ้าต้องการจะให้ผู้เรียนได้ฝึกทักษะการต่อวงจรที่มีความซับซ้อนมากขึ้น โดย นําวงจรย่อยหรือที่มีความซับซ้อนน้อยกว่า มาต่อเข้าด้วยกันให้เป็นวงจรที่ใหญ่ขึ้น และมีความซับซ้อนมากขึ้น ก็สามารถทําได้ โดยใช้แผงวงจรหรือโมดูลสําเร็จรูปที่ผา่ นการประกอบ บัดกรี และตรวจสอบความถูกต้องใน การทํางานแล้ว โมดูลสําเร็จรูปนี้อาจจะได้จากชุดคิทที่ได้นํามาประกอบและบัดกรี ข้อดีของการใช้โมดูลสําเร็จรูปได้แก่  ผู้เรียนได้ทดลองสร้างวงจรโดยใช้โมดูลนํามาต่อด้วยลวดสายไฟและขั้วต่อ  ง่ายสําหรับผู้เรียนในการต่อวงจรและใช้เวลาไม่มาก เพราะไม่ต้องต่อชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เองทั้งหมด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในกรณีทมี่ ีจํานวนชิ้นส่วนมาก  เก็บรักษาได้ง่าย และนํามาใช้ได้หลายครั้ง  สามารถออกแบบและสร้างวงจรที่ซับซ้อนได้ โดยใช้วงจรที่มีอยู่แล้วเป็นส่วนประกอบ (“Building Blocks”) แทนที่จะเริ่มจากชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แต่ละตัว

ข้อเสียของการใช้โมดูลสําเร็จรูปได้แก่  เป็นวงจรสําเร็จรูป เปลี่ยนแปลงวงจรหรือปรับเปลี่ยนฟังก์ชันการทํางานไม่ได้  อาจจะมีข้อจํากัดในการใช้งาน

รูปที่ 10: ตัวอย่างโมดูลสําเร็จรูปของบริษัทในประเทศไทย (ที่มา: http://www.smartlearningweb.com/ สืบค้นเมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

10

รูปที่ 11: ตัวอย่างโมดูลสําเร็จรูปของบริษัทในประเทศ (ที่มา: http://www.futurekit.net/ สืบค้นเมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

รูปที่ 12: ตัวอย่างเว็บไซต์ที่มีการขายโมดูลสําเร็จต่างๆของบริษัทในประเทศ (ที่มา: http://www.smartlearingweb.com/ สืบค้นเมือ่ วันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

บางบริษัทในต่างประเทศ ได้พัฒนาชุดการเรียนรู้ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ ประกอบด้วยโมดูลสําเร็จรูป ต่างๆที่ไม่ซับซ้อน มีหลายประเภทให้เลือก เป็นส่วนประกอบพื้นฐานในการนํามาสร้างเป็นวงจรแบบต่างๆ สามารถนํามาต่อเข้าด้วยกันได้ง่าย อย่างเช่น ชุดการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ “Snap Circuits Electronics for Kids” และชุดการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ “Locktronics” 11

รูปที่ 13: ตัวอย่างการต่อวงจรโดยใช้ชุดการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์ Snap Circuits (ที่มา: http://www.engineeringlab.com/snap-circuits-sc-300.html สืบค้นเมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

รูปที่ 14: ตัวอย่างผังวงจรเพื่อให้ผู้เรียนต่อวงจรตามวงจรที่กําหนดให้ โดยใช้ Snap Circuits (ที่มา: http://www.engineeringlab.com/snap-circuits-sc-300.html) สืบค้นเมื่อวันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554)

รูปที่ 15: แผงต่อวงจรพร้อมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ Locktronics ของบริษัทในต่างประเทศ (ที่มา: http://www.matrixmultimedia.com/ สืบค้นเมือ่ วันที่ 22 กรกฎาคม พ.ศ. 2554) 12

การฝึกเขียนโปรแกรมเพื่อควบคุมการทํางานของไมโครคอนโทรลเลอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์ (Microcontroller) เป็นไอซีประเภทหนึ่งที่ผู้ใช้สามารถควบคุมการทํางาน โดย การใส่โปรแกรมลงในตัวชิป และสามารถปรับเปลี่ยนพฤติกรรมการทํางานของไมโครคอนโทลเลอร์ มีข้อดีคือ ความยืดหยุ่นในการใช้งาน ไมโครคอนโทรลเลอร์ในปัจจุบัน มีให้เลือกหลายรุ่นหลายแบบ แตกต่างกันตาม รูปลักษณ์ ขนาด ราคา ความจุของหน่วยความจํา ความเร็วในการทํางาน จํานวนขาในการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ ภายนอกได้ เป็นต้น วงจรอิเล็กทรอนิกส์หลายๆวงจรที่พบเห็นได้ มักจะมีไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นส่วนประกอบที่สําคัญ และในการนําไปใช้งาน ก็สามารถปรับเปลี่ยนหรือแก้ไขข้อผิดพลาดของโปรแกรมได้ สามารถนําไปเชื่อมต่อกับ วงจรเซนเซอร์เพื่อวัดสัญญาณทางกายภาพได้หลากหลาย หรือเชื่อมต่อกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ได้ตาม ความเหมาะสม เช่น โมดูลสําหรับการสือ่ สารระยะไกลแบบมีสายหรือไร้สาย โมดูลควบคุมการทํางานของ มอเตอร์ เป็นต้น และอาจกล่าวได้ว่า ไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างอิเล็กทรอนิกส์ (ฮาร์ดแวร์) กับซอฟต์แวร์ แม้ว่าไมโครคอนโทรลเลอร์จะมีความสําคัญในงานด้านอิเล็กทรอนิกส์ ผูใ้ ช้จะต้องมีทักษะในการเขียน โปรแกรมโดยใช้ภาษาระดับสูง เช่น ภาษาซี หรือภาษาอื่นๆ ต้องอาศัยเครื่องคอมพิวเตอร์ ซอฟต์แวร์ใช้ในการ คอมไพล์โค้ดต้นฉบับให้เป็นโปรแกรมที่นําไปใส่ลงในชิปได้ และอุปกรณ์ที่เป็นฮาร์ดแวร์ในการดาวน์โหลด โปรแกรมที่ได้ลงในตัวชิป แต่ถ้าไม่เน้นที่การฝึกเขียนโปรแกรม ก็อาจจะใช้ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ได้มีการ ใส่โปรแกรมลงในตัวชิปไว้แล้วที่ทํางานได้ตามพฤติกรรมหรือมีฟังก์ชันการทํางานตามที่กําหนดไว้ และใช้ ไมโครคอนโทรลเลอร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของวงจรอิเล็กทรอนิกส์ การออกแบบบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ไว้ใช้งาน ก็มีขั้นตอนที่ไม่ได้แตกต่างไปจากการออกแบบ วงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไป ถ้าผู้เรียนมีทกั ษะในการใช้ซอฟต์แวร์ในการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์ และ การออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ได้ ก็สามารถสร้างบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ไว้ใช้งานเองได้ แต่ถ้าไม่ต้องการ ออกแบบและสร้างแผ่นวงจรพิมพ์เอง ก็ยังสามารถต่อวงจรบนเบรดบอร์ดได้ โดยใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ (ตัวถังแบบ Dual-Inline Package หรือ DIP) เพราะในปัจจุบัน มีไมโครคอนโทรลเลอร์หลายรุน่ ที่สามารถ เสียบขาลงบนเบรดบอร์ดได้ และมีจํานวนขาไม่มาก เช่น ประมาณ 20 ขา ผู้เรียนสามารถนําบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์มาต่อกับชุดคิทที่ได้บัดกรีแล้ว หรือต่อกับวงจรบนเบรด บอร์ดก็ได้ ทั้งนี้ก็เพื่อนํามาต่อกับเป็นวงจรที่มีความซับซ้อนมากขึ้น เป็นการต่อวงจรต้นแบบ และสามารถ ศึกษาพฤติกรรมการทํางานของฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ (ที่อยู่ภายในชิปไมโครคอนโทรลเลอร์) จากที่ได้นําเสนอไปสามารถสรุปได้ว่า สือ่ ในการเรียนรู้และฝึกทักษะด้านอิเล็กทรอนิกส์ มีอยู่หลาย รูปแบบ มีข้อดีและข้อเสียแตกต่างกันไป พบเห็นได้ทุกระดับในการเรียนรู้ ดังนั้นจึงต้องเลือกใช้สื่อการเรียนรู้ให้ เหมาะสมกับระดับของผู้เรียน และปัจจัยอืน่ ๆ เช่น ความพร้อมของสถานศึกษา 13

การใช้ Arduino เป็นสือ่ การเรียนรูอ้ ิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ในปัจจุบัน มีตัวเลือกมากมายสําหรับนํามาใช้เป็นสื่อในการเรียนรู้ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ ทั้งด้าน ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ดังที่กล่าวไป ตัวเลือกหนึ่งที่น่าสนใจคือ Arduino (http://arduino.cc) ซึ่งครอบคลุม ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่เปิดโอกาสให้ใครก็ได้ สามารถนําไปสร้างหรือพัฒนาต่อยอดได้ รวมถึงการเผยแพร่ ผลงานต่อไป และกําลังได้รับความนิยมและใช้งานกันอย่างแพร่หลายทั่วโลก การเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานโดยใช้ Arduino เป็นสื่อในการเรียนรู้ สามารถแบ่งเนื้อหาออกได้เป็น สองกลุ่มหลัก คือ การเรียนรู้ด้านอิเล็กทรอนิกส์ และ การเรียนรู้ด้านการเขียนโปรแกรมโดยใช้ภาษาระดับสูง (ภาษา C/C++) ผู้สอนอาจจะเลือกเน้นสอนเนื้อหาในแต่ละส่วนที่ไม่เท่ากัน  ถ้าผู้เรียนมีความรู้พื้นฐานและทักษะทางด้านอิเล็กทรอนิกส์มาบ้างแล้ว ผู้สอนสามารถมุ่งเน้นที่การ สอนเขียนโปรแกรมโดยใช้ภาษา C/C++ และใช้คําสั่งต่างๆ จากไลบรารี่ (Library) ทีเ่ กี่ยวข้องกับการ ใช้งาน Arduino รวมถึงการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์ (โดยใช้ภาษา เช่น Java, Processing, Python เป็นต้น) ที่ติดต่อสื่อสารกับบอร์ด Arduino ผ่านพอร์ตอนุกรมได้ เพื่อทําให้เกิดการ ปฏิสัมพันธ์กับผู้ใช้ได้อีกด้วย เช่น ผูใ้ ช้สามารถสั่งการผ่านส่วนเชื่อมต่อผู้ใช้เชิงกราฟิก (GUI) ของ โปรแกรมคอมพิวเตอร์ เพื่อส่งคําสั่งหรือรับส่งข้อมูลไปยังบอร์ด Arduino ให้ทํางานได้ตามที่ต้องการ สิ่งเหล่านี้จะช่วยให้ผู้เรียนมีความเข้าใจและมีทักษะในการเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์เพิ่มขี้นกว่าเดิม  ถ้าผู้เรียนมีความรู้พื้นฐานและทักษะการเขียนโปรแกรมมาบ้างแล้ว ผู้สอนสามารถมุง่ เน้นที่การสอน เกี่ยวกับความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้า การใช้เครื่องมือช่าง เครื่องมือวัด การวาดผังวงจร และการต่อวงจร ตามผังวงจร การเชื่อมต่อบอร์ด Arduino กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ การฝึกบัดกรี เป็นต้น สิ่งเหล่านี้จะช่วยให้ผู้เรียนมีความเข้าใจและมีทักษะทางด้านฮาร์ดแวร์เพิ่มขึ้นกว่าเดิม

โดยส่วนใหญ่แล้ว การเรียนรู้ทั้งสองส่วนนี้ มักจะถูกแยกออกจากกัน ในวิชาเรียนที่แยกจากกัน และ มักสอนโดยครูผู้สอนที่มคี วามรู้ด้านใดด้านหนึ่ง มีทักษะและประสบการณ์ที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม การสอน ทั้งสองส่วนนี้ให้ควบคู่ไปด้วยกัน จะช่วยให้ผู้เรียนได้ความรู้และทักษะทั้งสองส่วนนี้ไปพร้อมๆ กัน แต่สัดส่วน ของเนื้อหาของทั้งสองส่วนนั้นจะเป็นอย่างไร ก็ขึ้นอยู่กับความสนใจและพื้นฐานของผู้เรียน ผู้สอน รวมถึงความ พร้อมของการจัดการเรียนการสอนในสถานศึกษา เอกสารนี้นําเสนอรูปแบบการเรียนอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานโดยใช้ Arduino เป็นสื่อกลางในการเรียนรู้ โดยได้จัดทําเป็นแผนการจัดการเรียนรู้ สําหรับ 40 ชั่วโมง ซึ่งจะกล่าวถึงในบทต่อไป

14

แผนการจัดการเรียนรู้ กลุ่มสาระเพิ่มเติม

วิชา

การเรียนรู้อเิ ล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino ระดับมัธยมศึกษาตอนต้น (ม.3) หรือ ตอนปลาย (ม.5-6)

คําอธิบายรายวิชา เนื้อหาครอบคลุมความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พบเห็นได้บ่อย การอ่านผังวงจรและการวางแผนการต่อวงจรบนเบรดบอร์ด การวัด ปริมาณทางไฟฟ้าและการใช้งานมัลติมิเตอร์ การเขียนโปรแกรมคอมพิวเตอร์โดยใช้ภาษาระดับสูงสําหรับ บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino การทดลองต่อวงจรบนเบรดบอร์ดเพื่อฝึกทักษะโดยการลงมือปฏิบัติจริง ได้ หลักการทํางานของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่นํามาเป็นตัวอย่าง เช่น แบตเตอรี่ สวิตช์ปุ่มกด ตัวต้านทาน ปรับค่าได้ ตัวเก็บประจุ ไดโอด ไดโอดเปล่งแสง ทรานซิสเตอร์ ตัวต้านทานไวแสง เทอร์มิสเตอร์ รีเลย์ อุปกรณ์ อิเล็กทรอนิกส์ที่ทํางานด้วยแสง รวมถึงการนําไปประยุกต์ใช้งาน โครงสร้างหลักสูตร หน่วยที่

ชื่อหน่วยการเรียนรู้

จํานวนชั่วโมง

1

ความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้า

10

2

ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับ Arduino

4

3

การใช้งานขาอินพุต-เอาต์พุตของบอร์ด Arduino

6

4

การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภาคเอาต์พุตสําหรับ Arduino

10

5

การใช้งานเซนเซอร์ร่วมกับบอร์ด Arduino

10 รวม

15

40

คําแนะนํา แผนการจัดการเรียนรู้นี้สามารถนําไปใช้สอนได้สําหรับเวลาเรียน 20 ชั่วโมง โดยสอนเนื้อหาเฉพาะ หน่วยการเรียนรู้ที่ 1 – 3 แต่ถ้าผู้เรียนที่มพี ื้นฐานทางอิเล็กทรอนิกส์มาบ้างแล้ว ผู้สอนสามารถสอนตามเนื้อหา ในหน่วยการเรียนรู้ 4 – 5 สําหรับ 20 ชั่วโมงได้ และอาจจะเสริมทักษะของผู้เรียนในเรื่องภาษาคอมพิวเตอร์ เช่น ภาษา C และการเขียนโปรแกรมสําหรับ Arduino ได้

16

หน่วยการเรียนรู้ที่ 1 ความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้า สาระการเรียนรู้ การเรียนรู้ทางด้านอิเล็กทรอนิกส์ ต้องอาศัยความรู้พื้นฐานทางไฟฟ้า เริ่มต้นตั้งแต่พลังงานไฟฟ้าคือ อะไร เกี่ยวข้องอย่างไรกับกระแสไฟฟ้าและการเคลื่อนที่ของอนุภาค เช่น อิเล็กตรอน แหล่งทีม่ าของไฟฟ้า ประเภทของไฟฟ้า เช่น ไฟฟ้ากระแสตรงและไฟฟ้ากระแสสลับ ปริมาณทางไฟฟ้าต่างๆ เช่น กระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า และความต้านทาน ทฤษฎีพนื้ ฐานทางไฟฟ้า เช่น กฎของโอห์ม กฎของเคอร์ชอฟฟ์ การอ่านค่า ความต้านทานจากแถบสี การวัดปริมาณทางไฟฟ้าโดยใช้เครื่องมือวัด เช่น มัลติมิเตอร์ทั้งแบบเข็ม (แอนะล็อก) และแบบตัวเลข (ดิจิทัล) อุปกรณ์พื้นฐานสําหรับงานอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ ไดโอด ไดโอดเปล่งแสง สวิตช์เลื่อน เป็นต้น การใช้งานแผงต่อวงจร การวาดและทําความเข้าใจผังวงจรไฟฟ้า และ สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ที่พบเห็นได้บ่อย

จุดประสงค์การเรียนรู้           

ยกตัวอย่างแหล่งที่มาของพลังงานไฟฟ้าได้ อธิบายถึงความแตกต่างระหว่างไฟฟ้ากระแสตรงและกระแสสลับได้ ระบุค่าความต้านทานจากแถบสีของตัวต้านทานได้ อธิบายถึงกฎของโอห์ม และคํานวณแรงดันและกระแสในวงจร ตามกฎของของเคอร์ชอฟฟ์ได้ ใช้มัลติมิเตอร์ในการวัดกระแส หรือแรงดันไฟฟ้าในวงจรได้ ยกตัวอย่างสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานได้ อ่านผังวงจรไฟฟ้า และต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานตามผังวงจรได้ อธิบายถึงหลักการทํางานเบื้องต้นของไดโอดและไดโอดเปล่งแสงได้ อธิบายถึงหลักการทํางานของวงจรแบ่งแรงดันได้ อธิบายถึงความสําคัญของระบบสมองกลฝังตัว และการประยุกต์ใช้งานไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ ต่อวงจรตามผังวงจรบนแผงต่อวงจร เช่น วงจรควบคุมแรงดันคงที่ โดยใช้ไอซี 7805 ได้

17

หัวข้อในการเรียนรู้ เนื้อหาสําหรับการเรียนรู้ในหน่วยการเรียนรู้ที่ 1 แบ่งเป็นหัวข้อย่อยดังนี้ หัวข้อที่ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17

เรื่อง พลังงานไฟฟ้า แหล่งพลังงานไฟฟ้า ประจุไฟฟ้า กระแสไฟฟ้า แรงดันและความต่างศักย์ไฟฟ้า ความต้านทานทางไฟฟ้า กําลังไฟฟ้า พหุคูณสําหรับหน่วยวัด ผังวงจรและสัญลักษณ์ของอุปกรณ์ในวงจร ทฤษฎีวงจรไฟฟ้าพื้นฐาน อุปกรณ์และเครื่องมือพื้นฐานสําหรับงานอิเล็กทรอนิกส์ การใช้งานมัลติมิเตอร์แบบเข็ม การใช้งานมัลติมิเตอร์แบบดิจิทัล การอ่านค่าแถบสีของตัวต้านทาน การต่อตัวต้านทาน สัญญาณทางไฟฟ้า ระบบสมองกลฝังตัว

สื่อการเรียนรู้     

หนังสือ “เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino” (บทที่ 1) แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน (พร้อมเฉลย) ชุดทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์และบอร์ด Arduino ใบมอบหมายงาน + แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง (สําหรับครูผู้สอน) วีดีโอสาธิตการต่อวงจรตามใบมอบหมายงาน (ใช้เป็นแนวทางในการต่อวงจรทดลอง)

18

กิจกรรมนําเข้าสูบ่ ทเรียนและกระตุ้นความสนใจ  ครูผู้สอนนําอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์มาเป็นตัวอย่าง เพื่อตั้งคําถามในชั้นเรียน เช่น “นักเรียนรู้จักอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เหล่านี้หรือไม่ แต่ละชนิดมีชื่อเรียกว่าอะไร?”  ครูผู้สอนนํามัลติมิเตอร์มาเป็นตัวอย่าง เพื่อตั้งคําถามในชั้นเรียน เช่น “นักเรียนรู้จักเครื่องมือชนิดนี้ หรือไม่ ถ้าจะนํามาใช้วัดปริมาณไฟฟ้า เช่น ความต้านทาน แรงดัน และกระแสไฟฟ้าในวงจร จะใช้ เครื่องมือนี้อย่างไร?”  คําถาม: “นักเรียนเคยเห็นป้ายอิเล็กทรอนิกส์ที่แสดงคําว่า ‘ว่าง’ ในรถแท็กซีห่ รือไม่ มีลักษณะเป็น แผงวงจร และมีแสงสว่าง เช่น สีแดง นักเรียนคิดว่า ถ้าจะสร้างป้ายอิเล็กทรอนิกส์นี้ จะต้องใช้ อุปกรณ์หรือวัสดุอะไรบ้าง และต่อวงจรอย่างไร?” o เป็นการยกตัวอย่างให้เห็นการใช้งาน LED  คําถาม: “นักเรียนเคยเห็นป้ายอิเล็กทรอนิกส์ที่ทํามาจากหลอด LED สีต่างๆ หรือไม่ และเขียนเป็นคํา สั้นๆ หรือทําเป็นสัญลักษณ์ต่างๆ ถ้าจะออกแบบและสร้างป้ายอิเล็กทรอนิกส์ในลักษณะนี้ จะทํา อย่างไร ต้องใช้อุปกรณ์อะไรบ้าง?” o เป็นการยกตัวอย่างให้เห็นการใช้งาน LED

กิจกรรมค้นคว้าและสืบค้นข้อมูล  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนอ่านทําความเข้าใจเนื้อหาในหัวข้อที่ 1.1 – 1.17  ครูผ้สู อนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นรูป วีดีโอ และข้อมูล จากอินเทอร์เน็ต เช่น จาก เว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube ที่เกี่ยวกับการประยุกต์ใช้งานของ LED เช่น ป้ายอิเล็กทรอนิกส์ การนํามาใช้เป็นระบบให้แสงสว่างในรูปแบบต่างๆ หรือป้ายแสดงข้อมูลเชิงกราฟิก เป็นต้น

กิจกรรมแบ่งกลุ่มระดมความคิดและอภิปราย  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “นักเรียนคิดว่า แบตเตอรี่อัลคาไลน์ขนาด AA 1.5V ที่ยังใหม่และยังไม่เคย นําไปใช้งาน เมื่อนํามาวัดความต่างศักย์ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบด้วยมัลติมิเตอร์ จะได้แรงดันเท่ากับ 1.5V หรือไม่ ถ้าไม่เท่ากับ 1.5V น่าจะมาจากสาเหตุใด? และถ้าเป็นแบตเตอรี่ 9V จะให้ผลเหมือนกัน หรือไม่” o แบตเตอรี่ใหม่มักจะมีความต่างศักย์ไฟฟ้า (แรงดัน) สูงกว่าที่กําหนดไว้  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “นักเรียนคิดว่า แบตเตอรี่ 1.5V หรือ 9V ก็ตาม เมื่อใช้งาน (จ่ายกระแส) ไปสักระยะ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วบวกและขั้วลบจะลดลงจากเดิมหรือไม่?”

19

o แบตเตอรี่ที่ถูกใช้งานไปสักระยะแล้ว แรงดันจะเริ่มลดลง แบตเตอรี่ที่ใกล้หมดแล้ว เมือ่ นําไป จ่ายกระแสให้โหลด แรงดันจะลดลงค่อนข้างมาก และจ่ายกระแสได้น้อยลง  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “นักเรียนคิดว่า จะออกแบบวงจรหรือการทดลองอย่างไร เพื่อสาธิตว่า ตัวเก็บประจุสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าและสามารถให้พลังงานไฟฟ้าออกมาได้ (การอัดประจุเข้าไป และคายประจุออกมา)”

กิจกรรมฝึกปฏิบัติ  ครูผู้สอนแบ่งกลุ่มนักเรียนเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และให้ทาํ การทดลองตามใบมอบหมายงานในบทที่ 2 และเมื่อทําการทดลองเสร็จแล้วให้ครูผู้สอนและนักเรียนสรุปและวิเคราะห์ผลการทดลองร่วมกัน

กิจกรรมท้าทายความสามารถ  ครูผู้สอนตั้งโจทย์ให้ผู้เรียน แบ่งเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน ลองหารูปแบบการต่อตัวต้านทานที่มีอยู่ 4 ตัว เช่น 220Ω 1kΩ 10kΩ และ 20kΩ โดยจะนําตัวต้านทานทั้ง 4 ตัวนี้ มาต่อกันในรูปแบบใดก็ได้ ที่ให้ ค่าความต้านทานรวม 1.1kΩ ใกล้เคียงทีส่ ุด และวาดรูปสําหรับคําตอบใกล้เคียงที่สุด

การประเมินผู้เรียน  ความรู้ (K): ประเมินจากการทําแบบทดสอบของผู้เรียน (แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน)  ทักษะกระบวนการ (P): ประเมินจากใบงานในการทดลองของผู้เรียนแต่ละกลุ่ม และสังเกตพฤติกรรม ระหว่างเรียนและปฏิบัติ  คุณลักษณะทีพ่ ึงประสงค์ (A): ประเมินจากพฤติกรรมของผู้เรียนแต่ละคนหรือกลุ่มทีแ่ สดงออก เช่น การอภิปรายนําเสนอ รายงาน และการปฏิบัติทดลอง

20

แบบทดสอบก่อนเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 6) ถ้านําตัวต้านทาน 3 ตัว ขนาด 10kΩ มาต่อ อนุกรมกัน แล้วนําไปต่อกับแหล่งจ่ายที่เป็น แบตเตอรี่ 9V เพื่อให้ครบวงจร แรงดันตก คร่อมที่ตัวต้านทานแต่ละตัวจะเท่ากับข้อใด ก) 0.3V ข) 1V ค) 3V ง) 9V

1) ข้อใดเป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง ก) แบตเตอรี่ก้อน 9V ข) แผงเซลล์แสงอาทิตย์ ค) แบตเตอรี่ขนาด AA 1.5V ง) ถูกทุกข้อ 2) ไมโครฟารัด (uF) เป็นหน่วยวัดของข้อใด ก) ความต้านทานไฟฟ้า ข) การเหนี่ยวนําของขดลวด ค) ความจุของตัวเก็บประจุ ง) ความจุของแบตเตอรี่

7) ถ้านําตัวต้านทาน R1=220Ω และ R2=330Ω มาต่ออนุกรมกัน แล้วต่อกับแหล่งจ่าย 5V เพื่อให้ครบวงจร แรงดันตกคร่อมที่ตัว ต้านทาน R1 และ R2 จะตรงกับข้อใด ก) 2V และ 3V ตามลําดับ ข) 2.2V และ 3.3V ตามลําดับ ค) 3V และ 2V ตามลําดับ ง) 3.3V และ 2.2V ตามลําดับ

3) ถ้ามีกระแส 60mA ไหลผ่านตัวต้านทาน 0.150kΩ จะใช้กําลังไฟฟ้ากี่วัตต์ ก) 0.054W ข) 0.54W ค) 0.09W ง) 0.4W

8) ตัวต้านทานที่มีแถบสี “น้ําตาล ดํา ส้ม ทอง” ตามลําดับ มีคา่ ความต้านทานเท่าใด ก) 1kΩ ±5% ข) 10kΩ ±5% ค) 200Ω ±5% ง) 2.2kΩ ±10%

4) ข้อใดเป็นโปรแกรมสําหรับวาดผังวงจรและ วางแผนการต่อวงจรบนเบรดบอร์ด ก) Photoshop ข) Arduino ค) Fritzing ง) Eagle

9) ตัวต้านทานที่มีแถบสี “เหลือง ม่วง น้ําตาล ทอง” ตามลําดับ มีค่าความต้านทานเท่าใด ก) 47Ω ±5% ข) 470Ω ±5% ค) 4.7kΩ ±5% ง) 470kΩ ±10%

5) ถ้านําตัวต้านทาน 3 ตัว ขนาด 1kΩ มาต่อ อนุกรมกัน แล้วต่อกับแบตเตอรี่ 9V เพื่อให้ ครบวงจร จะมีกระแสไหลปริมาณเท่าใด ก) 1mA ข) 3mA ค) 9mA ง) 90mA 21

10) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ แบบไม่มีขั้ว

14) อุปกรณ์ LED ตัวใดของวงจรในรูปต่อไปนี้ จะ ให้แสงสว่างมากที่สุด ถ้ากําหนดให้ LED ทั้ง สามตัว มีลักษณะเหมือนกันและให้สีเดียวกัน ก) LED1 ข) LED2 ค) LED3 ง) เท่ากันทั้งสามตัว

ก) ข) ค) ง) 11) แรงดันตกคร่อมที่ LED สีแดง เมื่อมีกระแส ไหลประมาณ 1–10 mA จะอยู่ในช่วงใด ก) 0.7V – 0.8V ข) 1.7V – 1.8V ค) 2.0V – 2.4V ง) 2.5V – 3.3V 12) ไอซี 7805 ตัวถังแบบ TO-220 มีกี่ขา ก) 1 ขา ข) 2 ขา ค) 3 ขา ง) 4 ขา

15) จากวงจรในข้อที่ 14 กระแสที่ไหลผ่าน LED1 ที่ต่ออนุกรมกับตัวต้านทาน 1kΩ เพื่อให้เกิด แสงสว่าง จะมีปริมาณเท่าใด ถ้าวัดแรงดันตก คร่อมที่ LED ได้เท่ากับ 1.8V ก) 3.6 mA ข) 7.2 mA ค) 9.0 mA ง) 10.8 mA

13) ลวดสายไฟที่นิยมนํามาใช้กับเบรดบอร์ดมี ขนาดเท่าใด ก) 8 AWG ข) 10 AWG ค) 12 AWG ง) 24 AWG

**************************

22

แบบทดสอบหลังเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) ตัวต้านทานที่มีแถบสี “แดง ดํา น้ําตาล ทอง” ตามลําดับ มีคา่ ความต้านทานเท่าใด ก) 100Ω ±5% ข) 200Ω ±5% ค) 220Ω ±5% ง) 2.2kΩ ±10%

5) การวัดปริมาณกระแสไฟฟ้าทีไ่ หลผ่านอุปกรณ์ ในวงจร โดยใช้มัลติมิเตอร์ จะต้องเลือกการวัด เป็นแบบใด ก) แอมมิเตอร์ ข) โวลต์มิเตอร์ ค) โอห์มมิเตอร์ ง) เลือกวัดแบบใดก็ได้

2) ตัวต้านทานที่มีแถบสี “เหลือง ม่วง น้ําตาล ทอง” ตามลําดับ มีค่าความต้านทานเท่าใด ก) 47Ω ±5% ข) 470Ω ±5% ค) 4.7kΩ ±5% ง) 470kΩ ±10%

6) การวัดแรงดันตกคร่อมที่ตัวต้านทานในวงจร โดยใช้มัลติมิเตอร์ จะต้องเลือกการวัดเป็น แบบใด และวัดอย่างไรในวงจร ก) เลือกการวัดแบบ แอมมิเตอร์ โดยต่ออนุกรมกับตัวต้านทานในวงจร ข) เลือกการวัดแบบ โวลต์มิเตอร์ โดยต่ออนุกรมกับตัวต้านทานในวงจร ค) เลือกการวัดแบบ แอมมิเตอร์ โดยต่อขนานกับตัวต้านทานในวงจร ง) เลือกการวัดแบบ โวลต์มิเตอร์ โดยต่อขนานกับตัวต้านทานในวงจร

3) ข้อใดต่อไปนี้ มีค่าความจุเท่ากับ 100 นาโนฟารัด (nF) ก) 100 พิโกฟารัด (pF) ข) 0.01 ไมโครฟารัด (uF) ค) 0.1 ไมโครฟารัด (uF) ง) 1.0 ไมโครฟารัด (uF) 4) การต่อตัวต้านทานสองตัวในข้อใดต่อไปนี้ เมื่อ นํามาต่อกัน มีค่าความต้านทานรวมน้อยที่สุด ก) 100Ω ขนานกับ 100Ω ข) 50Ω อนุกรมกับ 25Ω ค) 50Ω ขนานกับ 150Ω ง) 10Ω ขนานกับ 100Ω

7) ข้อใดคือ สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ แบบมีขั้ว ก) ข) ค) ง)

23

12) ลวดสายไฟที่นิยมนํามาใช้ต่อวงจรบนเบรด บอร์ด มีขนาดเท่าใด ก) 10 AWG ข) 22 AWG ค) 24 AWG ง) ถูกเฉพาะข้อ ข) และ ค)

8) ข้อใดคือ สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของไดโอด ก) ข) ค) ง) 9) ข้อใดคือ สัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของ GND

13) ถ้านําตัวต้านทาน R1=10kΩ และ R2=20kΩ มาต่ออนุกรมกัน แล้วต่อกับแบตเตอรี่ 9V เพื่อให้ครบวงจร จะวัดแรงดันตกคร่อมที่ R2 ได้ตรงกับข้อใด ก) 1.5V ข) 3V ค) 6V ง) 9V

ก) ข) ค) ง) 10) ตัวเลือกใดต่อไปนี้ เป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้า ของตัวต้านทานปรับค่าได้ ก) ข) ค) ง)

14) ถ้าต้องการออกแบบป้าย “ว่าง” สําหรับรถ แท็กซี่ ซึ่งเป็นแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์ อุปกรณ์ ใดต่อไปนี้ น่าจะเกี่ยวข้องน้อยที่สุด ก) ไดโอดเปล่งแสง ข) เซลล์แสงอาทิตย์ ค) สวิตช์เปิดปิด ง) ตัวต้านทาน

11) ข้อใดต่อไปนี้กล่าวได้ถูกต้องมากที่สุด ก) เมื่อกระแสไหลจากขั้วแคโทดไปยัง ขั้วแอโนดของ LED จะทําให้มีแสงสว่าง ข) ไดโอด เช่น เบอร์ 1N4001 จะยอมให้ กระแสไหลผ่านได้ทั้งสองทิศทาง ค) ทั้งไดโอดและไดโอดเปล่งแสง ยอมให้ กระแสไหลผ่านได้ทางเดียว ง) ไดโอดเปล่งแสงสีแดง จะให้แสงสว่าง เมื่อวัดแรงดันตกคร่อมที่ขาแอโนดและ แคโทดได้ 0.7 โวลต์

15) ข้อใดถูกต้องมากที่สุดเกี่ยวกับไอซี 7805 ก) แรงดันที่ขาเข้า (IN) จะต้องสูงกว่าแรงดัน ที่ขา OUT ข) แรงดันขา OUT จะคงที่เท่ากับ +5V ค) แรงดันขา OUT จะคงที่เท่ากับ +3.3V ง) ถูกเฉพาะข้อ ก) และ ข)

**************************** 24

เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน แบบเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ง ค ข ค ข

6) ค 7) ก 8) ข 9) ข 10) ง

11) ข 12) ค 13) ง 14) ก 15) ข

6) ง 7) ข 8) ก 9) ค 10) ข

11) ค 12) ง 13) ค 14) ข 15) ข

แบบเฉลยแบบทดสอบหลังเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ข ข ค ง ก

***************************

25

26

แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง ใบมอบหมายงานที่ 1.1 การทดลองนี้เป็นการฝึกทักษะในการใช้งานมัลติมิเตอร์และการต่อตัวต้านทานสามตัว ซึ่งมีค่าความ ต้านทานตามแถบสี R1=150Ω, R2=1kΩ, R3=1kΩ โดยนํา R2 มาต่อขนานกับ R3 แล้วนําไปต่ออนุกรมกับ R1 ดังนั้นสามารถเขียนสูตรคํานวณค่าความต้านทานรวมได้ดังนี้ Rรวม = R1 + (R2*R3) / (R2+R3) = 650Ω จากการทดลอง ถ้าสมมุติว่า ค่าความต้านทานที่วัดได้สําหรับ R1 R2 R3 เท่ากับ 147.4Ω 0.992kΩ และ 0.982kΩ ตามลําดับ เมื่อนําค่าเหล่านี้ไปแทนตัวแปร R1 R2 R3 ในสูตรคํานวณค่าความต้านทานรวม จะได้ Rรวม = 641Ω

ใบมอบหมายงานที่ 1.2 การทดลองนี้เป็นการฝึกทักษะในการใช้งานมัลติมิเตอร์ และการต่อตัวต้านทานสามตัว (ค่าตามแถบสี R1=150Ω, R2=1kΩ, R3=1kΩ) โดยนํา R2 มาต่อขนานกับ R3 แล้วนําไปต่ออนุกรมกับ R1 จากนั้นจึงนําไป ต่อกับแบตเตอรี่ 9V ทําให้มกี ระแสไหลครบวงจร และใช้มัลติมิเตอร์วัดกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว เมื่อได้ทําการทดลองแล้วสามารถสรุปผลได้ดังนี้ 1. กระแส I1 ที่ไหลผ่านตัวต้านทาน R1 มีปริมาณมากกว่า กระแส I2 ที่ไหลผ่านตัวต้านทาน R2 และ กระแส I3 ที่ไหลผ่านตัวต้านทาน R3 2. กระแส I1 มีปริมาณใกล้เคียงหรือเท่ากับ ผลรวมของปริมาณของกระแส I2 และ I3 ที่วัดได้ 3. กระแส I2 และ I3 ตามที่วัดได้ มีปริมาณ ใกล้เคียงหรือเท่ากัน

ใบมอบหมายงานที่ 1.3 การทดลองนี้เป็นการฝึกทักษะในการต่อวงจรโดยใช้ไอซีควบคุมแรงดันคงที่ +5V เบอร์ 7805 โดยมี การต่อวงจรตามผังวงจรสองแบบ เมื่อได้ทําการทดลองแล้วสามารถสรุปผลได้ดังนี้ 1. ถ้าใช้แบตเตอรี่ 9V ป้อนเป็นอินพุต ในวงจรทั้งสองแบบ (วงจรที่มี และวงจรที่ไม่มีไดโอด 1N4001) แรงดันที่วัดได้ที่ขา IN ของไอซี 7805 จะแตกต่างกัน (เนื่องจากมีแรงดันตกคร่อมที่ไดโอดประมาณ 0.7V) และแรงดันที่วัดได้ที่ขา OUT ของไอซี 7805 จะคงทีแ่ ละเท่ากัน (เนื่องจากไอซีควบคุมแรงดันที่ ขา OUT ให้คงที่) 27

2. ถ้าต่อแบตเตอรี่ 9V กลับขั้ว (กลับทิศทางขั้วบวกและขั้วลบ) เมื่อเปิดสวิตช์เพื่อจ่ายกระแส จะทําให้ วงจรไม่ทํางาน เพราะไดโอดป้องกันการต่อกลับขั้ว และย่อมให้กระแสไหลได้ทางเดียว) และทําให้ ไดโอดเปล่งแสง “ไม่ติด” 3. ถ้าไดโอดเปล่งแสงในวงจรให้แสงสว่าง (“ติด”) กระแสที่ไหลผ่าน LED1 จะได้ประมาณ 7mA

***************************

28

หน่วยการเรียนรู้ที่ 2 ความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับ Arduino สาระการเรียนรู้ บอร์ด Arduino เป็นตัวอย่างอุปกรณ์ทางด้านฮาร์ดแวร์ที่ประกอบด้วยไมโครคอนโทรลเลอร์เป็นส่วน สําคัญ ได้ถูกพัฒนามาให้ง่ายต่อการเรียนรู้ และสามารถนําไปประยุกต์ใช้งานได้ เช่น นําไปเชื่อมต่อกับวงจร อิเล็กทรอนิกส์ในรูปแบบต่างๆ ดังนั้น การเรียนรู้และทําความเข้าใจเกี่ยวกับการใช้งานบอร์ด Arduino รวมถึง ซอฟต์แวร์ที่เกีย่ วข้องกับการเขียนโปรแกรมสําหรับบอร์ด Arduino จึงเป็นสิ่งสําคัญ

จุดประสงค์การเรียนรู้           

ระบุสิ่งที่จําเป็นในการเรียนรูแ้ ละใช้งานบอร์ด Arduino ได้ ยกตัวอย่างข้อควรระวังในการใช้งานบอร์ด Arduino ได้ อธิบายถึงขั้นตอนต่างๆ ในการเขียนโปรแกรมสําหรับบอร์ด Arduino โดยใช้ Arduino IDE ได้ สร้าง Sketch ใหม่ และเขียนโค้ดตามตัวอย่างได้ อธิบายถึงความหมายของคําว่า อินพุตและเอาต์พุตได้ จําแนกประเภทของขาต่างๆ บนบอร์ด Arduino เช่น ขาดิจิทัลและขาแอนะล็อกได้ ยกตัวอย่างประเด็นที่สําคัญในการเลือกใช้บอร์ด Arduino ได้ ยกตัวอย่างวิธีการป้อนแรงดันไฟเลี้ยงคงที่ให้บอร์ด Arduino ได้ อ่านผังวงจรอิเล็กทรอนิกส์พนื้ ฐานตามตัวอย่างที่ให้ และต่อวงจรบนเบรดบอร์ดได้ เชื่อมต่อขาสัญญาณบนบอร์ด Arduino ไปยังจุดต่างๆ ของวงจรบนเบรดบอร์ดตามผังวงจรได้ ต่อวงจรโดยใช้ไดโอดเปล่งแสง ตัวต้านทาน เพื่อแสดงสถานะจากเอาต์พุตของบอร์ด Arduino ได้

29

หัวข้อในการเรียนรู้ เนื้อหาสําหรับการเรียนรู้ในหน่วยการเรียนรู้ที่ 2 แบ่งเป็นหัวข้อย่อยดังนี้ หัวข้อที่ 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

เรื่อง แนะนํา Arduino ฮาร์ดแวร์สําหรับ Arduino โปรแกรมพัฒนาสําหรับ Arduino ขั้นตอนในการติดตั้งโปรแกรมพัฒนาสําหรับ Arduino ขั้นตอนในการทดลองใช้งานซอฟต์แวร์ Arduino IDE ขั้นตอนการติดตั้งไดร์เวอร์อุปกรณ์ USB สําหรับบอร์ด Arduino Uno

สื่อการเรียนรู้     

หนังสือ “เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino” (บทที่ 2) แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน (พร้อมเฉลย) ชุดทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์และบอร์ด Arduino ใบมอบหมายงาน + แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง (สําหรับครูผู้สอน) วีดีโอสาธิตการต่อวงจรตามใบมอบหมายงาน

กิจกรรมนําเข้าสูบ่ ทเรียนและกระตุ้นความสนใจ  คําถาม: “นักเรียนรู้จัก กล่องสมองกล Arduino หรือไม่? นักเรียนทราบหรือไม่ว่า เราสามารถเขียน โปรแกรมควบคุมการทํางานของกล่องสมองกลนี้ได้? และนําไปเชื่อมต่อกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์อื่นได้ นักเรียนทราบหรือไม่ว่า จะต้องใช้ซอฟต์แวร์ใดสําหรับการเขียนโปรแกรมสําหรับ Arduino?” o นําไปสู่เรื่อง Arduino  ครูผู้สอนแสดงรูปภาพของบอร์ด Arduino ที่ได้เลือกมาเป็นตัวอย่าง แล้วตั้งคําถามเพื่อให้ผู้เรียนลอง ระบุว่า อุปกรณ์หรือส่วนใดในรูปภาพ เป็นชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ของบอร์ด Arduino  คําถาม: “ถ้านักเรียนจะเลือกซื้อบอร์ด Arduino มาใช้งาน ในปัจจุบัน มีบอร์ด Arduino จําหน่าย ทั้งในประเทศและต่างประเทศ มีให้เลือกอย่างหลากหลาย นักเรียนจะมีหลักเกณฑ์ในการเลือกใช้ อย่างไร ควรจะพิจารณาประเด็นใดบ้าง?” o นําไปสู่เรื่องการเลือกใช้งาน Arduino 30

 คําถาม: “ถ้านักเรียนจะต้องเขียนโปรแกรม Arduino เพื่อสั่งการให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่มี LED และ ตัวต้านทานจํากัดกระแส สามารถกระพริบ (“ติด/ดับ”) เป็นระยะๆ ได้ จะต้องเขียนโค้ด Arduino และต่อวงจรบนเบรดบอร์ดอย่างไร” o นําไปสู่เรื่อง การเริ่มต้นใช้งานบอร์ด Arduino และการเชื่อมต่อกับวงจรบนเบรดบอร์ด

กิจกรรมค้นคว้าและสืบค้นข้อมูล  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนอ่านทําความเข้าใจเนื้อหาในหัวข้อที่ 2.1 – 2.6  ครูผ้สู อนแนะนําการใช้งาน Arduino IDE และให้นักเรียนทดลองใช้งานซอฟต์แวร์ดังกล่าว เพื่อให้เกิด ความคุ้นเคยในการใช้งาน  ครูผู้สอนแนะนําการใช้งานบอร์ด DuinoLite (หรือบอร์ด Arduino อื่นๆ ที่ได้เลือกมาใช้งาน) และ ทดลองอัพโหลดโปรแกรมตัวอย่างที่มีอยู่ใน Arduino IDE เช่น o File > Examples > Basics > Blink สําหรับสาธิตการทําให้ LED ที่ขา D13 กระพริบ  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นรูป วีดีโอ และข้อมูลเกี่ยวกับบอร์ด Arduino ต่างๆ จากอินเทอร์เน็ต เช่น จากเว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube o ให้นักเรียนแต่ละกลุ่ม ระบุข้อมูลเกี่ยวกับบอร์ด Arduino ด้วย เช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์ที่ ใช้ แรงดัน +5V หรือ +3.3V ขนาดของบอร์ด เป็นต้น  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นรูป วีดีโอ และข้อมูลเกี่ยวกับการนําบอร์ด Arduino ไปประยุกต์ใช้งาน เช่น โครงงานของนักเรียนในระดับมัธยมศึกษา

กิจกรรมแบ่งกลุ่มระดมความคิดและอภิปราย  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “เมื่อนักเรียนได้เห็นตัวอย่างโค้ดสําหรับ Ardiono มาบ้างแล้ว นักเรียนคิด ว่า การเขียนโปรแกรมสําหรับ Arduino มีสิ่งใดที่เหมือน หรือ แตกต่างจากการเขียนโปรแกรม คอมพิวเตอร์โดยทั่วไป”

กิจกรรมฝึกปฏิบัติ  ครูผู้สอนแบ่งกลุ่มนักเรียนเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และให้ทาํ การทดลองตามใบมอบหมายงานในบทที่ 2 และเมื่อทําการทดลองเสร็จแล้วให้ครูผู้สอนและนักเรียนสรุปและวิเคราะห์ผลการทดลองร่วมกัน 31

กิจกรรมท้าทายความสามารถ  ตัวอย่างโจทย์: ถ้าต้องการใช้บอร์ด Arduino ควบคุมการติด-ดับของ LED จํานวน 2 ชุด และ LED ทั้งสองจะต้องติด-ดับสลับกันเป็นระยะๆ ทีท่ ําให้สังเกตเห็นได้ และห้าม LED ทั้งสอง ติด หรือ ดับ พร้อมกัน จะต้องต่อวงจรบนเบรดบอร์ด และเขียนโปรแกรม Arduino อย่างไร?”

การประเมินผู้เรียน  ความรู้ (K): ประเมินจากการทําแบบทดสอบของผู้เรียน (แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน)  ทักษะกระบวนการ (P): ประเมินจากใบงานในการทดลองของผู้เรียนแต่ละกลุ่ม และสังเกตพฤติกรรม ระหว่างเรียนและปฏิบัติ  คุณลักษณะทีพ่ ึงประสงค์ (A): ประเมินจากพฤติกรรมของผู้เรียนแต่ละคนหรือกลุ่มทีแ่ สดงออก เช่น การอภิปรายนําเสนอ รายงาน และการปฏิบัติทดลอง

*******************

32

แบบทดสอบก่อนเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) บอร์ด Arduino ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ขนาดกี่บิต ก) 8 บิต ข) 16 บิต ค) 32 บิต ง) 64 บิต

6) คําว่า Arduino Sketch หมายถึงข้อใด ก) โค้ดต้นฉบับสําหรับบอร์ด Arduino ข) เฟิร์มแวร์ที่อยูใ่ นไมโครคอนโทรลเลอร์ ค) ฮาร์ดแวร์ตามรูปแบบของ Arduino ง) ชื่อฟังก์ชันในการเขียนโปรแกรม

2) ข้อใดคือเว็บไซต์หน้าโฮมเพจของ Arduino ก) www.google.com ข) arduino.cc ค) www.arduino.com ง) arduino-1.0.com

7) พอร์ตแบบใดใช้สําหรับเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด Arduino กับคอมพิวเตอร์แบบโน้ตบุ๊ก ก) พอร์ตขนาน ข) พอร์ตอนุกรม ค) พอร์ต USB ง) พอร์ต VGA

3) ขั้นตอนในการตรวจความถูกต้องของโค้ด ต้นฉบับ คือข้อใด ก) New ข) Verify ค) Upload ง) Save As

8) ข้อใดหมายถึง ซอฟต์แวร์ในการพัฒนา โปรแกรมสําหรับ Arduino ก) Arduino IDE ข) Arduino Sketch ค) Arduino Uno ง) Fritzing

4) ขั้นตอนใดจะต้องทําก่อนขั้นตอนอื่น ก) สร้าง Sketch ใหม่ ข) เขียนโค้ดสําหรับ Sketch ค) ตรวจสอบความถูกต้องของโค้ด ง) อัพโหลดโปรแกรมไปยังบอร์ด Arduino

9) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุดเกี่ยวกับการใช้ งานขาของบอร์ด Arduino ก) บอร์ด Arduino จะมีทั้งขาดิจิทัล และ ขาแอนะล็อก ข) ขาดิจิทัลแต่ละขา จะถูกใช้เป็นขาอินพุต ได้เท่านั้น ค) ขาแอนะล็อกแต่ละขา จะถูกใช้เป็นขา เอาต์พุตได้เท่านั้น ง) ไม่มีข้อใดถูก

5) ภาษาในการเขียนโปรแกรมสําหรับบอร์ด Arduino ใกล้เคียงกับภาษาในข้อใดมากที่สดุ ก) Basic ข) C/C++ ค) C# ง) Python

33

10) ข้อใดเป็นแรงดันไฟเลี้ยงที่ใช้กับชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ของบอร์ด Arduino โดยทั่วไป ก) +5V หรือ +3.3V อย่างใดอย่างหนึ่ง ข) +2.5V หรือ +3.3V อย่างใดอย่างหนึ่ง ค) +5V และ +12V ง) ไม่มีข้อใดถูก 11) ถ้านําไดโอดเปล่งแสง (LED) สีแดงมาต่อ อนุกรมกับตัวต้านทาน 330Ω แล้วป้อน แรงดันไฟเลี้ยง +5V และ GND เพื่อให้ LED สว่าง จะมีกระแสไหลประมาณเท่าใด ก) 1mA ข) 10mA ค) 33mA ง) 100mA 12) ข้อใดควรหลีกเลี่ยง เพราะอาจจะทําให้เกิด ความเสียหายแก่ไมโครคอนโทรลเลอร์และ วงจรบนบอร์ด Arduino ได้ ก) ต่อขาดิจิทัล-เอาต์พุตไปยัง GND ของ วงจร ข) ต่อขาดิจิทัล-เอาต์พุตไปยัง +5V ของวงจร ค) ต่อแรงดันมากกว่า +5V ที่ขาดิจิทัล ง) ถูกทุกข้อ **************************

34

แบบทดสอบหลังเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 5) ข้อใดกล่าวเกี่ยวกับการป้อนแรงดันไฟเลี้ยงให้ บอร์ด Arduino ได้ถูกต้องมากที่สุด ก) บอร์ด Arduino สามารถรับแรงดัน ไฟเลี้ยงกระแสสลับได้โดยตรง ข) บอร์ด Arduino สามารถรับแรงดัน ไฟเลี้ยงผ่านพอร์ต USB ได้ ค) บอร์ด Arduino ทุกบอร์ด สามารถใช้ แรงดันไฟเลี้ยง โดยต่อตรงกับขั้ว แบตเตอรี่ 9V ได้ ง) ไม่มีข้อใดถูก

1) บอร์ด Arduino ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์กตี่ ัว ก) 1 ตัว ข) 2 ตัว ค) 3 ตัว ง) 4 ตัว 2) ข้อใดเป็นพอร์ตเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด Arduino กับคอมพิวเตอร์แบบโน้ตบุ๊ก ก) พอร์ตขนาน ข) พอร์ตอนุกรม ค) พอร์ต USB ง) พอร์ต VGA

6) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องเกี่ยวกับการควบคุมการ “ติด/ดับ” ของ LED ด้วยบอร์ด Arduino ก) ใช้ขาดิจิทัลของบอร์ด Arduino เป็น อินพุต ข) ใช้ขาดิจิทัลของบอร์ด Arduino เป็น เอาต์พุต ค) ใช้ขาแอนะล็อกของบอร์ด Arduino เป็น เอาต์พุต ง) ถูกทุกข้อ

3) คําว่า “เฟิร์มแวร์” (Firmware) คือข้อใด ก) โปรแกรมที่ถูกนําไปใส่ไว้ในหน่วยความจํา ของไมโครคอนโทรลเลอร์ ข) ซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการพัฒนาโค้ดสําหรับ บอร์ด Arduino ค) ซอฟต์แวร์ในการแปลงโค้ดให้เป็น โปรแกรมที่นําไปใส่ลงใน ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ ง) ถูกทุกข้อ

7) ในกรณีที่ Arduino IDE ไม่สามารถเชื่อมต่อ กับบอร์ด Arduino ได้ น่าจะมาจากสาเหตุใด ได้บ้าง ก) ยังไม่ได้เชื่อมต่อสาย USB ระหว่างบอร์ด Arduino และคอมพิวเตอร์ ข) บอร์ด Arduino มีปัญหา เช่น ชิป ไมโครคอนโทรลเลอร์ หรือวงจร อิเล็กทรอนิกส์เสียหาย ค) เลือกหมายเลขพอร์ต หรือเลือกบอร์ด Arduino ไม่ตรงกับที่ใช้งานจริง ง) เป็นสาเหตุได้ทุกข้อ

4) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุดเกี่ยวกับการใช้ งานขาของบอร์ด Arduino ก) บอร์ด Arduino จะมีทั้งขาดิจิทัล และ ขาแอนะล็อก ข) ขาดิจิทัลแต่ละขา จะถูกใช้เป็นขาอินพุต ได้เท่านั้น ค) ขาแอนะล็อกแต่ละขา จะถูกใช้เป็นขา เอาต์พุตได้เท่านั้น ง) ไม่มีข้อใดถูก

35

11) ข้อใดหมายถึง ซอฟต์แวร์ในการพัฒนา โปรแกรมสําหรับ Arduino ก) Arduino IDE ข) Arduino Sketch ค) Arduino Uno ง) Fritzing

8) ข้อใดควรหลีกเลี่ยง เมื่อต่อวงจรบนเบรด บอร์ดและเชื่อมต่อกับบอร์ด Arduino ก) ตรวจสอบความถูกต้องของวงจรบน เบรดบอร์ดทุกครั้ง ก่อนนําไปเชื่อมต่อกับ บอร์ด Arduino ข) ควรวางแผนการต่อวงจรก่อนต่อวงจร บนเบรดบอร์ด เพื่อหลีกเลี่ยงความ ผิดพลาดที่อาจจะเกิดขึ้น และช่วยลดเวลา ในการต่อวงจร ค) แก้ไขวงจรบนเบรดบอร์ด ในขณะที่มีการ ป้อนไฟเลี้ยงและเชื่อมต่อกับบอร์ด Arduino ง) ระวังมิให้ VCC และ GND เชื่อมต่อกัน โดยตรง หรือเสียบลวดสายไฟสลับขั้ว

12) ขั้นตอนในการตรวจความถูกต้องของโค้ด ต้นฉบับ คือข้อใด ก) New ข) Verify ค) Upload ง) Save As

9) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องเกี่ยวกับบอร์ด Arduino ก) แรงดันที่ป้อนเป็นอินพุตให้ขาของบอร์ด Arduino จะต้องไม่เกิน 5V ข) บอร์ด Arduino สามารถรับแรงดัน ไฟเลี้ยงแบบกระแสสลับได้โดยตรง ค) ขาดิจิทัลที่ใช้เป็นเอาต์พุต สามารถจ่าย กระแสในปริมาณที่สูงให้อุปกรณ์อื่นได้ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ง) ไม่มีข้อใดถูก 10) ข้อใดเป็นประเด็นที่สําคัญน้อยที่สุด ในการ เลือกใช้งานบอร์ด Arduino ก) ชิปไมโครคอนโทรลเลอร์ทใี่ ช้ ความจุของ หน่วยความจํา และจํานวนขาที่ใช้งาน ข) การป้อนแรงดันไฟเลี้ยง เช่น ผ่านพอร์ต USB หรือจากแหล่งจ่ายอื่น ค) การเชื่อมต่อระหว่างบอร์ด Arduino และ คอมพิวเตอร์ เช่น พอร์ต USB หรืออื่นๆ ง) การเลือกซื้อบอร์ด Arduino จาก ต่างประเทศหรือในประเทศ **************************** 36

เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน แบบเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ก ข ข ก ข

6) ก 7) ค 8) ก 9) ก 10) ก

11) ข 12) ง

6) ข 7) ง 8) ค 9) ก 10) ง

11) ข 12) ข

แบบเฉลยแบบทดสอบหลังเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ก ค ก ก ข

***************************

37

38

แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง ใบมอบหมายงานที่ 2.1 การทดลองนี้เป็นการฝึกทักษะการวัดปริมาณทางไฟฟ้าด้วยมัลติมิเตอร์และการต่อวงจรโดยใช้ตัว ต้านทานและไดโอดเปล่งแสงจํานวน 3 ชุด เมื่อได้ทําการทดลองแล้วสามารถสรุปผลได้ดังนี้ 1. กระแสที่ I1 I2 และ I3 ที่ไหลผ่านไดโอดเปล่งแสง LED1 LED2 และ LED3 ตามลําดับ มีปริมาณที่ แตกต่างกัน เรียงลําดับจากน้อยไปมากได้ดังนี้ I3 < I2 < I1 2. เมื่อนําทั้งสามกรณีมาเปรียบเทียบกัน ไดโอดเปล่งแสงที่ให้แสงสว่างมากที่สุด จะมีปริมาณกระแสไหล ผ่านมากที่สุด 3. แรงดันตกคร่อมที่ไดโอดเปล่งแสงแต่ละตัวตามที่วัดได้จริงจากการทดลอง จะอยู่ในช่วงประมาณ 1.7V ถึง 1.8V (สําหรับ LED สีแดง)

ใบมอบหมายงานที่ 2.2 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของวงจรที่ใช้ LED 2 ตัว ซึ่งมีสีต่างกัน (แดง และ เขียว) และ ตัวต้านทานจํากัดกระแส 2 ตัว เมื่อนํามาต่ออนุกรมกันทั้งหมดตามผังวงจร และป้อนไฟเลี้ยง +5V และ GND จะทําให้ LED ทั้งสองตัว “สว่าง” แต่ถ้านําสวิตช์เลื่อนสามขา มาต่อที่จุด IN ของวงจร จะมี LED เพียงตัวเดียว ที่สว่าง และตําแหน่งของสวิตช์เป็นตัวเลือกว่า จะให้ LED สีแดง หรือ สีเขียว “สว่าง” และตําแหน่งของสวิตช์ เป็นตัวเลือกว่า จะเชื่อมต่อแรงดัน +5V ไปยังจุด IN หรือจะเชื่อมต่อแรงดัน (0V) GND ไปยังจุด IN ของวงจร แต่ถ้าเชื่อมต่อขา D5 จากบอร์ด Arduino ไปยังจุด IN ในวงจร จะมี LED เพียงตัวเดียวที่สว่าง และ ค่าทางลอจิก (LOW หรือ HIGH) เป็นตัวเลือกว่า จะให้ LED สีแดง หรือ สีเขียว “สว่าง” ดังนั้นสัญญาณ เอาต์พุตที่มาจากขาดิจิทัล-เอาต์พุตของบอร์ด Arduino จึงทําหน้าที่เป็นสวิตช์ไฟฟ้าควบคุมการ “ติด/ดับ” ของ LED ในวงจรได้

ใบมอบหมายงานที่ 2.3 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของไดโอดเปล่งแสง (LED) จํานวน 3 ตัว และใช้โปรแกรม สําหรับบอร์ด Arduino ตามที่กําหนดให้ เพื่อการควบคุมการติด/ดับของ LED ทั้งสามตัว เมื่อได้ทดลองจะ พบว่า เริ่มต้น LED ทั้งสามดวงจะ “ดับ” เมื่อเวลาผ่านไปสักระยะ LED1 จะเป็นดวงแรกที่ “ติด” จากนั้น LED2 และ LED3 จึงจะ “ติด” ตามลําดับ และเมื่อเวลาผ่านไป LED ทั้งสามจะ “ดับ” พร้อมกัน และ 39

พฤติกรรมของวงจรนี้จะเกิดขึ้นซ้ํา จากการสังเกตสามารถสรุปได้ว่า สถานะของการ “ติด/ดับ” ของ LED ทั้ง สามมี 4 กรณีที่แตกต่างกัน ตามตารางต่อไปนี้

ลําดับ

LED1 (ติด/ดับ)

LED2 (ติด/ดับ)

LED3 (ติด/ดับ)

1 2 3 4

ดับ ติด ติด ติด

ดับ ดับ ติด ติด

ดับ ดับ ดับ ติด

***************************

40

หน่วยการเรียนรู้ที่ 3 การใช้งานขาอินพุต-เอาต์พุตของบอร์ด Arduino สาระการเรียนรู้ บอร์ด Arduino มีขาต่างๆ สําหรับนําไปเชื่อมต่อกับวงจรภายนอกได้ด้วยสัญญาณทางไฟฟ้า ซึ่งแบ่ง ได้เป็นสองประเภทคือ สัญญาณดิจิทัลและแอนะล็อก โดยใช้เป็นสัญญาณอินพุตหรือเอาต์พุต ตามทิศทางของ สัญญาณที่เข้าหรือออกจากไมโครคอนโทรลเลอร์ ผู้ใช้สามารถเขียนโปรแกรมควบคุมการทํางานของขาต่างๆ ของบอร์ด Arduino ได้โดยใช้คําสั่งที่ได้มีการจัดทําไว้แล้วโดยทีมพัฒนา Arduino ดังนั้นการเรียนรู้และเข้าใจ ประเภทของสัญญาณไฟฟ้า การเชื่อมต่อขาสัญญาณต่างๆ บนบอร์ด Arduino ข้อควรระวังในการใช้งาน และ การใช้คําสั่งที่เกี่ยวข้องกับขาสัญญาณต่างๆ ในภาษา Arduino C/C++ จึงเป็นสิ่งสําคัญ

จุดประสงค์การเรียนรู้             

อธิบายถึงความแตกต่างระหว่างสัญญาณดิจิทัลและสัญญาณแอนะล็อกได้ ระบุขาต่างๆ ของบอร์ด Arduino แยกตามลักษณะการใช้งานได้ อธิบายถึงความแตกต่างระหว่างการจ่ายกระแสและการรับกระแสของขาดิจิทัล-เอาต์พุตได้ อธิบายถึงลักษณะของสัญญาณแบบ PWM (Pulse Width Modulation) ได้ อธิบายถึงการใช้ปุ่มกด เพื่อสร้างสัญญาณดิจิทัลได้ อธิบายถึงการใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อสร้างสัญญาณแอนะล็อกได้ อธิบายถึงการแปลงจากแอนะล็อกเป็นดิจิทัล สําหรับการอ่านค่าที่ขาแอนะล็อกได้ ยกตัวอย่างข้อควรระวังในการเชื่อมต่อขาของบอร์ด Arduino กับวงจรภายนอกได้ เขียนโค้ดในภาษา Arduino C/C++ ตามโครงสร้างพื้นฐานได้ อธิบายถึงความหมายและการทํางานของฟังก์ชัน setup() และ loop() ได้ ใช้คําสั่งในการอ่านค่าจากขาดิจิทัล-อินพุต หรือเขียนค่าให้ขาดิจิทัล-เอาต์พุตได้ ใช้คําสั่งในการอ่านค่าที่เป็นข้อมูลดิจิทัล จากขาแอนะล็อก-อินพุตได้ ใช้คําสั่งในการสร้างสัญญาณแบบ PWM ได้

41

หัวข้อในการเรียนรู้ เนื้อหาสําหรับการเรียนรู้ในหน่วยการเรียนรู้ที่ 3 แบ่งเป็นหัวข้อย่อยดังนี้ หัวข้อที่ 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10

เรื่อง ประเภทของสัญญาณไฟฟ้า ขาอินพุตและเอาต์พุตของบอร์ด Arduino การใช้งานขาดิจิทัลเป็นเอาต์พุต การใช้งานขาอินพุตแบบแอนะล็อก การใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้สร้างสัญญาณแอนะล็อก การใช้งานขาดิจิทัลเป็นเอาต์พุตเพื่อสร้างสัญญาณ PWM การใช้ปุ่มกดสร้างสัญญาณดิจิทัลเป็นอินพุต รูปแบบการเขียนโค้ดสําหรับ Arduino คําสั่งสําหรับการใช้งานขาของบอร์ด Arduino ตัวอย่างโค้ดสาธิตการใช้ขาดิจิทัล

สื่อการเรียนรู้     

หนังสือ “เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino” (บทที่ 3) แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน (พร้อมเฉลย) ชุดทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์และบอร์ด Arduino ใบมอบหมายงาน + แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง (สําหรับครูผู้สอน) วีดีโอสาธิตการต่อวงจรตามใบมอบหมายงาน

กิจกรรมนําเข้าสูบ่ ทเรียนและกระตุ้นความสนใจ  คําถาม: “นักเรียนรู้จักคําว่า สัญญาณไฟฟ้าหรือไม่ สามารถยกตัวอย่างแหล่งที่มาของสัญญาณไฟฟ้า ได้หรือไม่ ตัวอย่างเช่น ไมโครโฟนสามารถสร้างสัญญาณไฟฟ้าได้หรือไม่” o นําไปสู่เรื่องของสัญญาณไฟฟ้า แหล่งที่มาของสัญญาณไฟฟ้า ตัวอย่างของสัญญาณไฟฟ้า แบบแอนะล็อก  คําถาม: “สัญญาณไฟฟ้าแบ่งออกเป็นสองประเภทคือ สัญญาณแอนะล็อก และสัญญาณดิจิทัล นักเรียนพอจะทราบความแตกต่างของสัญญาณทั้งสองประเภทนี้หรือไม่” o นําไปสู่เรื่องสัญญาณไฟฟ้าแบบแอนะล็อกและแบบดิจิทลั 42

 คําถาม: “นักเรียนรู้จักสวิตช์ปุ่มกดหรือไม่ ถ้านําจะมาใช้ เช่น เมื่อกดปุ่มได้แรงดันที่ประมาณ +5V ซึ่ง หมายถึง ค่าลอจิก HIGH แต่ถ้าไม่กดปุ่มจะได้ 0V ซึ่งหมายถึงค่าลอจิก LOW จะต้องต่อวงจร อย่างไร?”  คําถาม: “นักเรียนคิดว่า จะใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา สร้างสัญญาณแอนะล็อกที่ปรับเลือก ระดับแรงดันได้หรือไม่ และจะต้องใช้งานหรือต่อวงจรอย่างไรจึงจะใช้ได้?”  คําถาม: “นักเรียนลองยกตัวอย่าง อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อหมุนปรับค่าสําหรับ การใช้งานอุปกรณ์ดังกล่าว?”  คําถาม: “ถ้ามีวงจรที่ให้เอาต์พุตเป็น +5V (HIGH) เมื่อกดปุ่ม และได้ 0V เมื่อไม่กดปุ่ม (LOW) และ ถ้านํามาใช้เป็นอินพุตแบบดิจิทัลให้บอร์ด Arduino จะใช้คําสั่งในการเขียนโค้ดเพื่ออ่านค่าจากอินพุต อย่างไร?” o นําไปสู่การใช้คําสั่งของ Arduino สําหรับอ่านค่าจากขาดิจิทัล-อินพุตของบอร์ด Arduino  คําถาม: “ในการเรียนโค้ด Arduino ถ้าสามารถใช้คําสั่งอ่านค่าจากขาดิจิทัล-อินพุตได้ ค่าที่ได้จะนําไป แสดงผลอย่างไร เพื่อให้เราสามารถรู้ได้ว่า ค่าที่อ่านได้นั้น เป็น LOW หรือ เป็น HIGH?” o นําไปสู่การใช้คําสั่งของ Arduino สําหรับเขียนค่าออกทางขาดิจิทัล-เอาต์พุตของบอร์ด Arduino และการใช้วงจรภาคเอาต์พุต เช่น LED ในการแสดงสถานะทางลอจิก  คําถาม: “ถ้ามีวงจรที่ให้เอาต์พุตเป็นสัญญาณแบบแอนะล็อก ในช่วง 0V ถึง 5V และถ้านํามาใช้เป็น อินพุตแบบแอนะล็อกให้บอร์ด Arduino จะใช้คําสั่งในการเขียนโค้ดเพื่ออ่านค่าจากอินพุตอย่างไร?” o นําไปสู่การใช้คําสั่งของ Arduino สําหรับอ่านค่าจากขาอินพุตแบบแอนะล็อก  คําถาม: “นักเรียนคิดว่า มีวิธีการอะไรบ้างที่จะทําให้เราสามารถปรับความสว่างของหลอด LED ได้ และจะเขียนโปรแกรม Arduino เพื่อปรับความสว่างของ LED ได้อย่างไร?” o นําไปสู่การใช้งานสัญญาณ PWM เพื่อปรับความสว่างของ LED และคําสัง่ สําหรับ Arduino เพื่อสร้างสัญญาณ PWM

กิจกรรมค้นคว้าและสืบค้นข้อมูล  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนอ่านทําความเข้าใจเนื้อหาในหัวข้อที่ 3.1 – 3.10  ครูผ้สู อนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นรูป วีดีโอ จากอินเทอร์เน็ต เช่น จากเว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube และข้อมูลเกี่ยวกับการใช้งาน LED 3 สี (แดง เขียว ฟ้า) หรือ RGB LED และการ ปรับเลือกสีของ LED รวมถึงตัวอย่างผังวงจร (Schematic)

43

กิจกรรมแบ่งกลุ่มระดมความคิดและอภิปราย  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “LED 3 สี (แดง เขียว ฟ้า) หรือ RGB LED สามารถให้แสงเป็นสีต่างๆ ที่เกิด จากการผสมของแสงทั้งสามสีหลักได้อย่างไร และใช้หลักการอย่างไร?”

กิจกรรมฝึกปฏิบัติ  ครูผู้สอนแบ่งกลุ่มนักเรียนเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และให้ทาํ การทดลองตามใบมอบหมายงานในบทที่ 3 และเมื่อทําการทดลองเสร็จแล้ว ให้ครูผสู้ อนและนักเรียนสรุปและวิเคราะห์ผลการทดลองร่วมกัน

กิจกรรมท้าทายความสามารถ  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนทํางานเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน โดยให้ออกแบบวงจรที่มี LED เช่น สีแดง หลายดวงมาต่ออนุกรมกันและมีตัวต้านทานจํากัดกระแสอีกหนึ่งตัว (เลือกค่าความต้านทานให้ เหมาะสม) และใช้แรงดันไฟเลี้ยง +12V เช่น จากแบตเตอรี่ หรืออุปกรณ์แปลงไฟฟ้า AC เป็น DC 12V เป็นแหล่งจ่าย ใช้ทรานซิสเตอร์ควบคุมการจ่ายกระแส และเขียนโปรแกรมสําหรับบอร์ด Arduino ควบคุมการทํางานของทรานซิสเตอร์

การประเมินผู้เรียน  ความรู้ (K): ประเมินจากการทําแบบทดสอบของผู้เรียน (แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน)  ทักษะกระบวนการ (P): ประเมินจากใบงานในการทดลองของผู้เรียนแต่ละกลุ่ม และสังเกตพฤติกรรม ระหว่างเรียนและปฏิบัติ  คุณลักษณะทีพ่ ึงประสงค์ (A): ประเมินจากพฤติกรรมของผู้เรียนแต่ละคนหรือกลุ่มทีแ่ สดงออก เช่น การอภิปรายนําเสนอ รายงาน และการปฏิบัติทดลอง

*******************

44

แบบทดสอบก่อนเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) คําสั่งในข้อใด ใช้อ่านค่าจากขาดิจิทัลของ บอร์ด Arduino ก) analogReference() ข) analogRead() ค) digitalRead() ง) analogWrite()

5) คําสั่ง analogReference() ใช้เพื่อ วัตถุประสงค์ในข้อใด ก) อ่านค่าจากขาแอนะล็อก-อินพุต ข) กําหนดแรงดันอ้างอิงสําหรับการแปลง จากแอนะล็อกเป็นดิจิทัล ค) สร้างสัญญาณแอนะล็อก-เอาต์พุต ง) กําหนดแรงดันอ้างอิงสําหรับสร้าง สัญญาณเอาต์พุต

2) คําสั่งในข้อใด ใช้เขียนค่าจากขาดิจิทัลของ บอร์ด Arduino ก) pinMode() ข) digitalWrite() ค) digitalRead() ง) analogWrite()

6) คําสั่งที่ใช้อ่านค่าจากขาแอนะล็อก-อินพุตของ บอร์ด Arduino จะให้ค่าอยู่ในช่วงใด ก) LOW หรือ HIGH ข) 0 ถึง 1 ค) 0 ถึง 1023 ง) -128 ถึง 127

3) คําสั่งในข้อใด ใช้กําหนดทิศทางของขาดิจิทัล ของบอร์ด Arduino ก) pinMode() ข) digitalWrite() ค) digitalRead() ง) analogWrite()

7) PWM ย่อมาจากข้อใด ก) Period-Width Modulation ข) Pulse-Width Modulation ค) Personal Wireless Modem ง) Personal Wireless Module

4) คําสั่งในข้อใด ใช้สร้างสัญญาณแบบ PWM เป็นเอาต์พุต ก) analogReference() ข) analogRead() ค) digitalRead() ง) analogWrite()

8) ข้อใดควรหลีกเลี่ยงเมื่อใช้งานบอร์ด Arduino ก) ต่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า +5V ที่ขาดิจิทัล ข) ต่อแรงดันไฟฟ้าต่ํากว่า 0V ที่ขาดิจิทัล ค) ใช้ขาดิจิทัลจ่ายกระแสมากกว่า 40mA ง) ถูกทุกข้อ

45

9) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องเกี่ยวกับการทํางานของ โปรแกรมสําหรับ Arduino ก) ฟังก์ชัน setup() ถูกเรียกใช้หลายครั้ง ข) ฟังก์ชัน loop() ถูกเรียกใช้ครัง้ เดียว ค) ฟังก์ชัน delay() คือคําสั่งแรกที่ถูกเรียกใช้ ง) ฟังก์ชัน setup() และ loop() จะถูก เรียกใช้ตามลําดับ

13) สัญญาณ PWM โดยทั่วไป สามารถนําไปใช้ งานในรูปแบบใดได้บ้าง ก) ปรับความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ข) ปรับความสว่างของไดโอดเปล่งแสง ค) ปรับมุมในการหมุนของเซอร์โว-มอเตอร์ ง) ถูกทุกข้อ 14) ถ้าคําสั่งที่อ่านค่าจากขาแอนะล็อก-อินพุตของ บอร์ด Arduino ได้ค่าเท่ากับ 512 และใช้ แรงดันอ้างอิง +5V จะตรงกับแรงดันอินพุตที่ ใกล้เคียงกับข้อใดมากที่สุด ก) 1.25V ข) 2.5V ค) 3.75V ง) 5V

10) ชนิดข้อมูลแบบใดใช้สําหรับตัวแปรที่เก็บค่า เป็นเลขทศนิยม ก) byte ข) float ค) long ง) int 11) ชนิดข้อมูลแบบใดใช้สําหรับค่าที่เป็น true หรือ false เท่านั้น ก) int ข) float ค) boolean ง) byte

15) อุปกรณ์ในข้อใดใช้สร้างสัญญาณดิจิทัล-อินพุต ให้บอร์ด Arduino ได้ ก) ปุ่มกดและตัวต้านทาน ข) ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา ค) ปุ่มกด ง) ไดโอดเปล่งแสง

12) คําสั่ง analogWrite( 5, 255 ) สร้างสัญญาณ PWM ที่มีค่า Duty Cycle ตรงกับข้อใด ก) 5% ข) 10% ค) 50% ง) 100%

*******************

46

แบบทดสอบหลังเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องที่สุดเกี่ยวกับ สัญญาณไฟฟ้าแบบแอนะล็อกและดิจิทัล ก) สัญญาณแอนะล็อกเป็นสัญญาณไฟฟ้าที่ ไม่ต่อเนื่อง อยู่ระหว่าง 0 ถึง +5V ข) สัญญาณดิจิทลั เป็นระดับแรงดันไฟฟ้า ที่จะต้องเท่ากับ 0V หรือ +5V เท่านั้น ค) สัญญาณดิจิทลั มีค่าทางลอจิก LOW หรือ HIGH ง) ไม่มีข้อใดถูก

5) คําสั่งในข้อใด ใช้สร้างสัญญาณแบบ PWM เป็นเอาต์พุต ก) analogReference() ข) analogRead() ค) digitalRead() ง) analogWrite() 6) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้อง เกี่ยวกับการใช้คําสั่ง สําหรับ Arduino ก) คําสั่ง digitalRead() และ digitalWrite() ใช้ได้กับขาดิจิทัลหมายเลข 0 ถึง 13 ข) คําสั่ง analogRead() ใช้กับขา แอนะล็อก-อินพุต เช่น A0 ถึง A5 ค) คําสั่ง analogWrite() ใช้ได้กับขาดิจิทัล บางขา เช่น 3, 5, 6, 9, 10 และ 11 ง) ถูกทุกข้อ

2) คําสั่งสําหรับ Arduino ในข้อใด ใช้กําหนด ทิศทางของขาดิจิทัล ก) analogRead() ข) analogReference() ค) pinMode() ง) digitalWrite() 3) คําสั่งในข้อใด ใช้อ่านค่าได้เป็นเลขจํานวนเต็ม จากขาแอนะล็อก-อินพุต ก) digitalRead() ข) analogReference() ค) analogWrite() ง) analogRead()

7) PWM ย่อมาจากข้อใด ก) Period-Width Modulation ข) Pulse-Width Modulation ค) Personal Wireless Modem ง) Personal Wireless Module 8) ถ้าใช้ตัวแปรเก็บข้อมูลที่มคี ่าอยู่ในช่วง 0 ถึง 1000 จะเลือกใช้ชนิดข้อมูลแบบใดในภาษา Arduino C/C++ จึงจะเหมาะสมมากที่สุด ก) byte ข) int ค) float ง) boolean

4) คําสั่งที่ใช้อ่านค่าจากขาแอนะล็อก-อินพุตให้ เป็นเลขจํานวนเต็ม จะให้ค่าอยู่ในช่วงใด ก) 0 หรือ 1 ข) 0 ถึง 255 ค) 0 ถึง 1023 ง) -128 ถึง 127 47

9) ชนิดข้อมูลแบบใดใช้สําหรับค่าที่เป็น true หรือ false เท่านั้น ก) int ข) float ค) boolean ง) byte

13) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้อง เกี่ยวกับการทํางานของ โปรแกรมสําหรับ Arduino ก) ฟังก์ชัน setup() และ loop() จะถูก เรียกใช้ตามลําดับ ข) ฟังก์ชัน loop() จะถูกเรียกใช้เป็น อันดับแรก ค) ฟังก์ชัน setup() และ loop() จะถูก เรียกใช้งานซ้ําหลายครั้ง ง) ถูกทุกข้อ

10) คําสั่ง analogWrite( 5, 127 ) สร้างสัญญาณ PWM ที่ขาดิจิทัลหมายเลข 5 และมีค่า Duty Cycle ใกล้เคียงข้อใดมากที่สุด ก) 0% ข) 25% ค) 50% ง) 100%

14) ถ้าคําสั่งที่อ่านค่าจากขาแอนะล็อก-อินพุตของ บอร์ด Arduino ได้ค่าเท่ากับ 255 และใช้ แรงดันอ้างอิง +5V จะตรงกับแรงดันอินพุตที่ ใกล้เคียงกับข้อใดมากที่สุด ก) 1.25V ข) 2.5V ค) 3.75V ง) 5V

11) สัญญาณแบบ PWM ที่สร้างได้จากบอร์ด Arduino มีความถี่ใกล้เคียงกับข้อใดมากที่สดุ ก) 100 Hz ข) 500 Hz ค) 1k Hz ง) 10 kHz

15) ข้อใดควรหลีกเลี่ยง เมื่อใช้งานบอร์ด Arduino ก) ต่อแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า +5V ที่ขาดิจิทัล ข) ต่อแรงดันไฟฟ้าต่ํากว่า 0V ที่ขาดิจิทัล ค) ใช้ขาดิจิทัลจ่ายกระแสมากกว่า 40mA ง) ถูกทุกข้อ

12) อุปกรณ์ในข้อใดใช้สร้างสัญญาณแอนะล็อก ที่ปรับระดับแรงดันได้ ก) ตัวต้านทานคงที่ ข) ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบสามขา ค) ปุ่มกด ง) สวิตช์เลื่อนแบบสามขา

********************

48

เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน แบบเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ค ข ก ง ข

6) ค 7) ข 8) ง 9) ง 10) ข

11) ค 12) ง 13) ง 14) ข 15) ก

6) ง 7) ข 8) ข 9) ค 10) ค

11) ข 12) ข 13) ก 14) ก 15) ง

แบบเฉลยแบบทดสอบหลังเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ค ค ง ค ง

*******************

49

50

แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง ใบมอบหมายงานที่ 3.1 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของวงจรปุ่มกด ซึ่งมีรูปแบบการต่อวงจร 2 แบบ คือ การต่อ ปุ่มกดร่วมกับตัวต้านทานแบบ Pull-up และ การต่อปุ่มกดร่วมกับตัวต้านทานแบบ Pull-down แรงดันหรือ สัญญาณเอาต์พุตที่ได้จากวงจรปุ่มกดเป็นแบบดิจิทัล และนําไปต่อที่ขาดิจิทัล-อินพุตของบอร์ด Arduino ได้ ค่าที่ได้จากการอ่านโดยคําสั่ง digitalRead() เป็นดังนี้  การต่อปุ่มกดและตัวต้านทานแบบ Pull-up: เมื่อยังไม่ได้กดปุ่ม แรงดันทีไ่ ด้จะอยู่ที่ประมาณ +5V ซึ่ง หมายถึงค่าทางลอจิกเป็น HIGH แต่ถ้ากดปุ่มค้างไว้จะได้แรงดันประมาณ 0V ซึ่งหมายถึงค่าทางลอจิก เป็น LOW  การต่อปุ่มกดและตัวต้านทานแบบ Pull-down: เมื่อยังไม่ได้กดปุ่ม แรงดันที่ได้จะอยู่ที่ประมาณ 0V ซึ่งหมายถึงค่าทางลอจิกเป็น LOW แต่ถ้ากดปุ่มค้างไว้จะได้แรงดันประมาณ 0V ซึ่งหมายถึงค่าทาง ลอจิกเป็น HIGH ในโค้ดตัวอย่างสําหรับ Arduino ค่าที่ได้จากขาดิจิทัล-อินพุต D3 จะนําไปใช้เป็นค่าสําหรับขาดิจิทัลเอาต์พุตที่ขา D5 ซึ่งต่อกับ LED ในภาคเอาต์พุต ถ้าอินพุตที่อ่านได้เป็น LOW จะทําให้เอาต์พุตที่ขา D5 เป็น LOW เช่นกัน และ LED ไม่ตดิ แต่ถ้าอินพุตที่อ่านได้เป็น HIGH จะทําให้เอาต์พุตที่ขา D5 เป็น HIGH เช่นกัน และ LED สว่าง เมื่อเอาต์พุตเป็น LOW จะไม่มีกระแสไหลทีข่ า D5 แต่ถ้าเอาต์พุตเป็น HIGH จะมีกระแสไหล (จ่าย กระแส) จากขา D5 ผ่านไปยังตัวต้านทานและ LED ทําให้ LED สว่าง

ใบมอบหมายงานที่ 3.2 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของวงจรแบ่งแรงดันที่ใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้แบบ 3 ขา แล้ว นําแรงดันที่ได้มาใช้เป็นสัญญาณแบบแอนะล็อก เพื่อป้อนให้บอร์ด Arduino ที่ขาแอนะล็อก-อินพุต ขา A0 และสามารถหมุนที่ปุ่มของตัวต้านทานปรับค่าได้ เพื่อปรับเลือกระดับของแรงดันที่ขา A0 โค้ดตัวอย่าง Arduino สําหรับการทดลอง จะทําหน้าที่อ่านค่าที่ขา A0 ซึ่งจะได้ค่าเป็นเลขจํานวนเต็ม ในช่วง 0 ถึง 1023 และค่านีจ้ ะนําไปใช้กําหนดระยะเวลาในการรอเมื่อใช้คําสั่ง delay() ถ้าระยะเวลาในการรอ มากขึ้น อัตราในการกระพริบของ LED จะลดลง (กระพริบช้าลง) ดังนั้นถ้าแรงดันที่ขา A0 เพิ่มขึน้ จะทําให้ 51

LED กระพริบช้าลง และ LED จะกระพริบด้วยความถี่ต่ําสุด เมื่อแรงดันที่ขา A0 เท่ากับ +5V และจะกระพริบ ด้วยความถี่สูงสุดเมื่อแรงดันที่ A0 เท่ากับ 0V

ใบมอบหมายงานที่ 3.3 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของวงจรปรับแรงดันได้โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ (Trimpot) และโค้ดตัวอย่าง Arduino สําหรับการทดลอง จะทําหน้าที่อ่านค่าที่ขา A0 ซึ่งจะได้ค่าเป็นเลขจํานวนเต็ม ในช่วง 0 - 1023 นําค่าที่ได้นี้มาแปลงตามอัตราส่วนเชิงเส้นให้ได้ค่าในช่วง 0 – 255 และนําไปกําหนดเป็นค่า Duty Cycle ให้สัญญาณแบบ PWM สัญญาณแบบ PWM จะต่อกับ LED และตัวต้านทานในภาคเอาต์พุต ถ้าค่า Duty Cycle เปลี่ยน จะ ทําให้ความสว่างของ LED เปลี่ยนตาม ในการทดลองนี้ ได้ใช้ LED สองตัว คือ LED1 และ LED2 ซึ่งจะมีความ สว่างตรงข้ามกัน ถ้าแรงดันที่ขา A0 เริ่มต้นอยู่ที่ 0V จะเห็นได้ว่า LED1 จะไม่ติด และ LED2 จะสว่าง จากนั้นถ้าหมุน ปุ่มที่ตัวต้านทานปรับค่าได้อย่างช้าๆ เพื่อเพิ่มแรงดัน จะทําให้ LED1 เริ่มสว่างขึ้น และ LED2 จะสว่างน้อยลง จนหมุนปุ่มไปจนสุด จะทําให้ LED1 สว่างเต็มที่ และ LED2 จะไม่ติด ดังนั้น ถ้าแรงดันที่ขา A0 อยู่ที่ 0V หรือ 5V จะมี LED เพียงตัวเดียวที่ติด LED อีกตัวจะไม่ติด

ใบมอบหมายงานที่ 3.4 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของวงจรปรับแรงดันได้ โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ และโค้ด ตัวอย่าง Arduino สําหรับการทดลองจะทําหน้าที่อ่านค่าที่ขา A0 ซึ่งจะได้ค่าเป็นเลขจํานวนเต็มในช่วง 0 - 1023 นําค่าที่ได้นี้มาเปรียบเทียบกับค่าคงที่จํานวน 3 ค่า คือ 255, 511, 767 ตามลําดับ และใช้กําหนด เงื่อนไขสําหรับ LED ทั้งสามดวงดังนี้    

ถ้าค่าที่อ่านได้น้อยกว่าหรือเท่ากับ 255 ผลที่ได้คือ LED ทั้งสามดวงจะไม่ติด ถ้าค่าที่อ่านได้มากกว่า 255 (หรือประมาณ 1.25V) ผลที่ได้คือ LED1 จะติด ถ้าค่าที่อ่านได้มากกว่า 511 (หรือประมาณ 2.5V) ผลที่ได้คือ LED1 และ LED2 จะติด ถ้าค่าที่อ่านได้มากกว่า 767 (หรือประมาณ 3.75V) ผลที่ได้คือ LED1, LED2 และ LED3 จะติด

52

ใบมอบหมายงานที่ 3.5 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของวงจรปรับแรงดันได้ โดยใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้ และนํา แรงดันที่ได้ไปใช้เป็นสัญญาณอินพุตที่ขา A1 ของบอร์ด Arduino และวงจรแบ่งแรงดันที่ใช้ตัวต้านทานคงที่ (ตัวต้านทานสองตัวต่ออนุกรมกัน) ซึ่งนําแรงดันที่ได้จากวงจรนี้ไปใช้เป็นสัญญาณอินพุตที่ขา A0 โค้ดตัวอย่าง Arduino สําหรับการทดลอง จะทําหน้าที่อ่านค่าที่ขา A0 และ A1 ซึ่งจะได้ค่าเป็นเลข จํานวนเต็มในช่วง 0 - 1023 นําค่าที่ได้นมี้ าเปรียบเทียบกัน ถ้าแรงดันที่ขา A1 มากกว่า A0 จะทําให้ LED สว่าง เริ่มต้นถ้าแรงดันที่ขา A1 อยู่ที่ประมาณ 0V จะทําให้ LED ไม่ติด แต่เมื่อหมุนปุม่ ปรับแรงดัน แรงดันจะ เพิ่มขึ้นไปเรื่อยๆ จนทําให้ LED เปลี่ยนจากสถานะ “ดับ” ไปยังสถานะ “ติด” (สว่าง)

*******************

53

54

หน่วยการเรียนรู้ที่ 4 การต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์ภาคเอาต์พุตสําหรับ Arduino สาระการเรียนรู้ บอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ Arduino สามารถสร้างสัญญาณดิจิทัล-เอาต์พุตได้หลายช่องสัญญาณ แต่ สามารถจ่ายหรือรับกระแสได้ในปริมาณจํากัด ในการเขียนโปรแกรมสําหรับ Arduino เพื่อควบคุมการทํางาน ของอุปกรณ์อื่นๆ เช่น มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง พัดลมระบายความร้อนขนาดเล็ก บัซเซอร์เสียง ซึ่งเป็น อุปกรณ์ที่ต้องใช้แรงดันสูงกว่า +5V หรือมีกระแสโหลดไหลในระดับสูงกว่าที่ขาของไมโครคอนโทรลเลอร์จะ ทนได้ จําเป็นต้องอาศัยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่เหมาะสมกับงานดังกล่าว ตัวอย่างของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ พบเห็นได้บ่อยสําหรับวงจรดังกล่าว ได้แก่ ทรานซิสเตอร์แบบต่างๆ รีเลย์ อุปกรณ์เชื่อมต่อสัญญาณทางแสง ไอซีที่สามารถขับกระแสได้สงู เป็นต้น

จุดประสงค์การเรียนรู้  อธิบายถึงหลักการทํางานของทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ และแบบมอสเฟต รวมถึงการต่อวงจร เป็นสวิตช์ไฟฟ้าเพื่อจ่ายกระแสให้อุปกรณ์ที่เป็นโหลดไฟฟ้าได้  ยกตัวอย่างความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่และแบบมอสเฟตได้  อธิบายถึงหลักการทํางานของรีเลย์และการต่อวงจรเป็นสวิตช์ไฟฟ้าได้  ยกตัวอย่างไอซีที่นํามาใช้ขับกระแสโหลดสูงได้  อธิบายถึงหลักการทํางานของอุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสงและรูปแบบการต่อวงจรได้  ต่อวงจรโดยใช้ทรานซิสเตอร์เพื่อขับกระแสโหลด และใช้บอร์ด Arduino ควบคุมการทํางานได้  ต่อวงจรโดยใช้ไอซีขับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และใช้บอร์ด Arduino ควบคุมการทํางานได้  ควบคุมเซอร์โวมอเตอร์ โดยใช้สัญญาณ PWM จากบอร์ด Arduino ได้  เขียนโค้ด Arduino สําหรับควบคุมการทํางานของวงจรภาคเอาต์พุต โดยใช้ประโยคคําสั่งเลือก ทําหรือทําซ้ําตามเงื่อนไขที่กําหนดได้

55

หัวข้อในการเรียนรู้ เนื้อหาสําหรับการเรียนรู้ในหน่วยการเรียนรู้ที่ 4 แบ่งเป็นหัวข้อย่อยดังนี้ หัวข้อที่ 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

เรื่อง การใช้งานอุปกรณ์โหลดกระแสสูงในวงจร ทรานซิสเตอร์แบบรอยต่อคู่ มอสเฟต รีเลย์ อุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสง ไอซีขับมอเตอร์กระแสตรง การใช้งานเซอร์โวมอเตอร์ การเขียนโค้ด Arduino เพื่อเลือกทําหรือทําขั้นตอนซ้ําตามเงื่อนไข

สื่อการเรียนรู้      

หนังสือ “เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino” (บทที่ 4) แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน (พร้อมเฉลย) ชุดทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์และบอร์ด Arduino ใบมอบหมายงาน + แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง (สําหรับครูผู้สอน) วีดีโอสาธิตการต่อวงจรตามใบมอบหมายงาน (ใช้เป็นแนวทางในการทําการทดลอง) วีดีโอสาธิตการทํางานของบอร์ด Arduino ร่วมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพือ่ ใช้เป็นโจทย์ท้าทายในทาง ความคิดของผู้เรียน การออกแบบวงจรและเขียนโค้ด และอาจจะนําไปสู่การปฏิบัติทดลองจริง

กิจกรรมนําเข้าสูบ่ ทเรียนและกระตุ้นความสนใจ  คําถาม: “นักเรียนรู้จักทรานซิสเตอร์หรือไม่ มีลกั ษณะเป็นอย่างไร (ตัวถัง) แบ่งเป็นกี่ชนิด และ นํามาใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์เพื่อวัตถุประสงค์ใดได้บ้าง?” o นําไปสู่เรื่องทรานซิสเตอร์

56

 คําถาม: “นักเรียนทราบหรือไม่ว่า ในปัจจุบนั ไอซีต่างๆ เช่น หน่วยประมวลผล หรือ ซีพียู (CPU) มี ทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กจํานวนมาก หลายล้านตัวอยู่ภายใน เป็นส่วนประกอบที่สําคัญของวงจรไอซี?” o นําไปสู่เรื่องความสําคัญของทรานซิสเตอร์ในการสร้างไอซีต่างๆ และวงจรรวม  คําถาม: “ทรานซิสเตอร์ และ สวิตช์ไฟฟ้า ต่างกันอย่างไร และนักเรียนคิดว่า สามารถนํา ทรานซิสเตอร์มาต่อวงจร เพื่อใช้เปิด-ปิดหลอด LED แทนสวิตช์ไฟฟ้าได้หรือไม่” o นําไปสู่เรื่องทรานซิสเตอร์ และการใช้งานในวงจร  คําถาม: “นักเรียนรู้จักอุปกรณ์ที่เรียกว่า รีเลย์ หรือไม่ มีกแี่ บบ และนักเรียนคิดว่า สามารถนํารีเลย์มา ใช้เป็นสวิตช์เปิด-ปิดในวงจรได้หรือไม่” o นําไปสู่เรื่องรีเลย์ และการใช้งาน  คําถาม: “มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงมีสองขัว้ และถ้าป้อนแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสม (เช่น จากแบตเตอรี่) ที่ขั้วทั้งสองของมอเตอร์จะทําให้มอเตอร์หมุนในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง นักเรียนคิดว่า ถ้าเราต้องการ ปรับความเร็วรอบของมอเตอร์ได้ จะมีวิธีการอย่างไรบ้าง เพื่อให้มอเตอร์หมุนช้าหรือเร็วได้” o นําไปสู่เรื่องรีเลย์ ไอซีขับมอเตอร์ และสัญญาณแบบ PWM  คําถาม: “นักเรียนรู้จักเซอร์โวมอเตอร์หรือไม่ มอเตอร์ชนิดนี้มักนิยมใช้กบั เครื่องบินขนาดเล็กหรือรถ บังคับวิทยุ เช่น ใช้ในการบังคับกลไกลในการเลี้ยวรถ หรือปรับมุมของปีกเล็ก หรือแพนหางของ เครื่องบิน นักเรียนพอจะทราบหรือไม่ว่า เซอร์โวมอเตอร์ชนิดนี้มีหลักการทํางานอย่างไร?” o นําไปสู่เรื่องเซอร์โวมอเตอร์ขนาดเล็ก และการใช้สัญญาณ PWM ในการควบคุม o ครูผู้สอนอาจจะค้นหารูปภาพตัวอย่างของรถบังคับวิทยุหรือเครื่องบินบังคับวิทยุมาประกอบ ในการตั้งคําถาม และให้นักเรียนสํารวจดูว่า มีเซอร์โวมอเตอร์กี่ตัวและอยู่ในส่วนใดของรถ บังคับวิทยุหรือเครื่องบินบังคับวิทยุบ้าง  คําถาม: “นักเรียนคิดว่า หุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้แบบมีล้อ หรือแบบตีนตะขาบ มีกลไกลในการขับเคลื่อน อย่างไร ใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงได้หรือไม่ และต้องมีชุดเกียร์หรือกลไกลอื่นๆ รวมด้วยหรือไม่ และใช้อะไรเป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้า ถ้าเป็นแบตเตอรี่ เป็นแบตเตอรี่ชนิดใดได้บ้าง” o นําไปสู่เรื่องการประยุกต์ใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และแบตเตอรี่ไฟฟ้า  คําถาม: “นักเรียนรู้จักแผงเซลล์แสงอาทิตย์หรือไม่ ถ้าจะทําให้แผงเซลล์แสงอาทิตย์หมุนตามดวง อาทิตย์ที่เคลื่อนตัวจากตําแหน่งหนึ่งไปยังอีกตําแหน่งหนึ่งบนท้องฟ้าในแต่ละวัน จะออกแบบกลไกล และใช้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงในการขับเคลื่อนอย่างไร” o นําไปสู่เรื่องการประยุกต์ใช้งานมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง

57

กิจกรรมค้นคว้าและสืบค้นข้อมูล  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนอ่านทําความเข้าใจเนื้อหาในหัวข้อที่ 4.1 – 4.8  ครูผ้สู อนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นข้อมูลและรูปประกอบเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ที่มี ตัวถังแบบต่างๆ จากเว็บไซต์  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นรูป วีดีโอ และข้อมูลเกี่ยวกับ การทํางานของเซอร์โว มอเตอร์และตัวอย่างการใช้งาน เช่น ในระบบหุ่นยนต์ มือจับกลขนาดเล็ก จากอินเทอร์เน็ต เช่น จาก เว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนสืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับ มอเตอร์ประเภทที่เรียกว่า สเต็ปเปอร์มอเตอร์ (Stepper Motor) รูปภาพและตัวอย่างการทํางานของมอเตอร์ประเภทนี้ จากเว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube รวมถึงวิธีการและวงจรในการควบคุมการหมุนของมอเตอร์ประเภทนี้  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนสืบค้นข้อมูลเกี่ยวกับ หุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้ และการใช้มอเตอร์ไฟฟ้าเป็น ส่วนหนึ่งของกลไกลในการขับเคลื่อนหุ่นยนต์ ให้หารูปภาพ หรือ วีดีโอ มาเป็นตัวอย่างที่การทํางาน ของมอเตอร์ประเภทนี้ จากเว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube รวมถึงบอร์ดขับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแส ตรงที่เป็นสินค้าจําหน่ายตามเว็บไซต์และสามารถนํามาใช้ขับมอเตอร์ไฟฟ้าได้

กิจกรรมแบ่งกลุ่มระดมความคิดและอภิปราย  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “ถ้ามีเซอร์โวมอเตอร์ จํานวนกี่ตัวก็ได้ นักเรียนคิดว่า จะนํามาออกแบบ สิ่งประดิษฐ์อะไรบ้างในชีวิตประจําวัน หรือนําไปสร้างเป็นสิ่งประดิษฐ์เชิงศิลปะที่เคลื่อนไหวได้ โต้ตอบกับผู้ชมได้ พร้อมอธิบายการทํางาน”

กิจกรรมฝึกปฏิบัติ  ครูผู้สอนแบ่งกลุ่มนักเรียนเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และให้ทาํ การทดลองตามใบมอบหมายงานในบทที่ 4 และเมื่อทําการทดลองเสร็จแล้วให้ครูผู้สอนและนักเรียนสรุปและวิเคราะห์ผลการทดลองร่วมกัน  ครูผู้สอนเปิดวีดีโอสาธิตการต่อวงจร ให้นักเรียนทําเข้าใจด้วยตนเองก่อน และตอบข้อซักถามของ ผู้เรียนเกี่ยวกับใบมอบหมายงาน

58

กิจกรรมท้าทายความสามารถ  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนทํางานเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และทํางานโครงงาน (2 – 3 สัปดาห์) เช่น ออกแบบกลไกลการบังคับแพนหางหรือปีกเล็กของเครื่องบินจําลอง โดยใช้เซอร์โวมอเตอร์ในการปรับ มุมของปีกเล็กและแพนหาง และควบคุมได้จากบอร์ด Arduino เป็นกล่องสมองกล  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนทํางานเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และทํางานโครงงาน (2 – 3 สัปดาห์) เช่น ออกแบบกลไกลโดยใช้เซอร์โวมอเตอร์ในการหมุนกล้อง Webcam ที่ต่อกับคอมพิวเตอร์ทางพอร์ต USB และใช้บอร์ด Arduino เป็นกล่องสมองกลในการควบคุมและกําหนดตําแหน่งเชิงมุมของเซอร์โว มอเตอร์เพื่อเปลี่ยนมุมกล้อง และใช้ตัวต้านทานปรับค่าได้เป็นอุปกรณ์อินพุตเพื่อกําหนดตําแหน่งมุม  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนทํางานเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และทํางานโครงงาน (2 – 3 สัปดาห์) เช่น ออกแบบวงจรที่ใช้รีเลย์และทรานซิสเตอร์ในการกําหนดทิศทางการหมุนให้มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง และควบคุมการจ่ายกระแสให้มอเตอร์ได้ (เปิด-ปิด หรือใช้สัญญาณแบบ PWM ควบคุม)

การประเมินผู้เรียน  ความรู้ (K): ประเมินจากการทําแบบทดสอบของผู้เรียน (แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน)  ทักษะกระบวนการ (P): ประเมินจากใบงานในการทดลองของผู้เรียนแต่ละกลุ่ม และสังเกตพฤติกรรม ระหว่างเรียนและปฏิบัติ  คุณลักษณะทีพ่ ึงประสงค์ (A): ประเมินจากพฤติกรรมของผู้เรียนแต่ละคนหรือกลุ่มทีแ่ สดงออก เช่น การอภิปรายนําเสนอ รายงาน และการปฏิบัติทดลอง

*******************

59

60

แบบทดสอบก่อนเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) ทรานซิสเตอร์รอยต่อคู่แบ่งเป็นชนิดใดบ้าง ก) NPN และ PNP ข) NP และ PN ค) pMOSFET และ nMOSFET ง) MOSFET และ BJT

5) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของ ทรานซิสเตอร์ pMOSFET ก) ข)

2) ขาใดคือขาที่ใช้ควบคุมการทํางานของ ทรานซิสเตอร์แบบ NPN ก) ขาเบส (Base) ข) ขาคอลเลคเตอร์ (Collector) ค) ขาอิมิตเตอร์ (Emitter) ง) ขาเดรน (Drain)

ค) ง) 6) ข้อใดแสดงความสัมพันธ์ของกระแสที่ไหลผ่าน ขาของทรานซิสเตอร์ NPN ก) IC = IB + IE ข) IE = IC + IB ค) IB = IC + IE ง) IC = IB - IE

3) ขาใดคือขาที่ใช้ควบคุมการทํางานของ ทรานซิสเตอร์แบบมอสเฟต ก) ขาเดรน (Drain) ข) ขาคอลเลคเตอร์ (Collector) ค) ขาซอร์ส (Source) ง) ขาเกต (Gate)

7) ไอซี L293D ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ใด ก) ขับมอเตอร์กระแสตรงได้เพียงหนึ่งตัว ข) ขับมอเตอร์กระแสตรงได้สองตัว ค) ควบคุมการทํางานของเซอร์โวมอเตอร์ ง) ขับกระแสโหลดได้ถึง 8 ช่อง

4) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของ ทรานซิสเตอร์รอยต่อคู่ชนิด NPN

8) ข้อใดคือส่วนประกอบที่อยู่ภายในอุปกรณ์ เชื่อมต่อทางแสง ก) ไดโอดเปล่งแสงและโฟโต้ทรานซิสเตอร์ ข) ไดโอดและทรานซิสเตอร์ NPN ค) ไดโอดเปล่งแสงและทรานซิสเตอร์ NPN ง) ตัวต้านทานไวแสงและโฟโต้ทรานซิสเตอร์

ก) ข) ค) ง)

61

9) ขาใดของรีเลย์ต่อไปนี้เชื่อมต่อถึงกันทางไฟฟ้า เมื่อรีเลย์ยังไม่ทํางาน ก) ขา N.O. และขา COMMON ข) ขา N.C. และขา COMMON ค) ขา COMMON และขาของคอยล์ ง) ขา N.C. และขา N.O.

13) ทําไมจึงใช้ทรานซิสเตอร์ NPN ควบคุมการ ทํางานของรีเลย์แทนการควบคุมโดยตรงด้วย ขาดิจิทัล-เอาต์พุตของบอร์ด Arduino ก) ใช้ในการจ่ายกระแสให้คอยล์ของรีเลย์ซึ่ง อาจจะมีกระแสไหลสูงกว่า 40 mA ข) ควบคุมการทํางานรีเลย์ได้รวดเร็วขึ้น ค) ยืดอายุการใช้งานของรีเลย์ ง) ทําให้ง่ายต่อการควบคุมรีเลย์

10) เครื่องมือชนิดใดใช้ค้นหาตําแหน่งขาต่างๆ ของรีเลย์ได้ถูกต้อง ก) โวลต์มิเตอร์ ข) โอห์มมิเตอร์ ค) แอมมิเตอร์ ง) วัตต์มิเตอร์

14) ไดโอดป้องกันที่ต่อคร่อมขดลวดของรีเลย์ที่ใช้ ทรานซิสเตอร์ NPN เป็นตัวควบคุม มีไว้เพื่อ วัตถุประสงค์ใด ก) เป็นทางผ่านของกระแสไหลตรง เมื่อทรานซิสเตอร์ทํางานปกติ ข) เป็นทางผ่านของกระแสไหลตรง เมื่อทรานซิสเตอร์หยุดการทํางาน ค) เป็นทางผ่านของกระแสไหลย้อนกลับ เมื่อทรานซิสเตอร์ทํางานปกติ ง) เป็นทางผ่านของกระแสไหลย้อนกลับ เมื่อทรานซิสเตอร์หยุดการทํางาน

11) ถ้าวัดค่าความต้านทานระหว่างขาคู่หนึ่งของ รีเลย์ได้ 100Ω ขาทั้งสองคือขาในข้อใด ก) ขาของคอยล์ที่อยู่ภายในรีเลย์ ข) ขา N.C. และขา COMMON ค) ขา N.O. และขา COMMON ง) ขาของคอยล์ขาหนึ่งและขา COMMON 12) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของรีเลย์

15) ถ้าวัดกระแส IC ของทรานซิสเตอร์ได้ 100mA และทรานซิสเตอร์มีอัตราขยายการะแสเท่ากับ 50 แล้วกระแส IB จะเท่ากับข้อใด ก) 1.5 mA ข) 2.0 mA ค) 100 mA ง) 150 mA

ก) ข) ค) ง)

*******************

62

แบบทดสอบหลังเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของ ทรานซิสเตอร์รอยต่อคู่ชนิด PNP

4) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของอุปกรณ์ เชื่อมต่อทางแสง

ก)

ก)

ข)

ข)

ค)

ค)

ง)

ง)

2) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของ ทรานซิสเตอร์ nMOSFET

5) ทรานซิสเตอร์เบอร์ PN2222A เป็น ทรานซิสเตอร์ชนิดใด ก) NPN ข) PNP ค) nMOSFET ง) pMOSFET

ก) ข) ค)

6) ข้อใดไม่ใช่ขาของทรานซิสเตอร์ NPN ก) อิมิตเตอร์ (Emitter) ข) เบส (Base) ค) คอลเลคเตอร์ (Collector) ง) เดรน (Drain)

ง) 3) ข้อใดเป็นสัญลักษณ์ทางไฟฟ้าของรีเลย์ ก)

7) ข้อใดเป็นขาที่ใช้ควบคุมการทํางานของ ทรานซิสเตอร์แบบมอสเฟต ก) ซอร์ส (Source) ข) เบส (Base) ค) เกต (Gate) ง) ไม่มีข้อใดถูก

ข) ค) ง)

63

8) ข้อใดเป็นขาที่ใช้ควบคุมการทํางานของ ทรานซิสเตอร์แบบ NPN ก) ซอร์ส (Source) ข) เบส (Base) ค) เกต (Gate) ง) ไม่มีข้อใดถูก

12) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุด เกี่ยวกับการ ทํางานของทรานซิสเตอร์ ก) ปริมาณของกระแสเบสของทรานซิสเตอร์ NPN มีผลต่อปริมาณการไหลของกระแส คอลเลคเตอร์ ข) กระแสที่ไหลเข้าที่ขาคอลเลคเตอร์จะ เท่ากับกระแสที่ไหลออกที่ขาอิมิตเตอร์ ของทรานซิสเตอร์ NPN ค) อัตราส่วนของกระแสคอลเลคเตอร์ต่อ กระแสเบสในเชิงปริมาณจะต้องน้อยกว่า 1 เสมอ ง) ปริมาณกระแสที่ไหลเข้าที่ขาเกตของ มอสเฟตเป็นตัวกําหนดปริมาณกระแส (กระแสเดรน) ที่ไหลผ่านทรานซิสเตอร์ เมื่อนําไฟฟ้าได้

9) ข้อใดเป็นอุปกรณ์ที่นํามาใช้ควบคุมการขับ กระแสให้โหลดไฟฟ้าได้ ก) รีเลย์ ข) ทรานซิสเตอร์แบบมอสเฟต ค) ทรานซิสเตอร์แบบดาร์ลิงตัน ง) ถูกทุกข้อ 10) โหลดไฟฟ้าในข้อใด ควรมีไดโอดป้องกันต่อ คร่อมอยู่ด้วย ก) รีเลย์ ข) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง ค) โซลินอยด์ ง) ถูกทุกข้อ

13) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุด เกี่ยวกับการ ทํางานของเซอร์โวมอเตอร์ โดยทั่วไป ก) ใช้สัญญาณ PWM ความถี่คงที่ประมาณ 50 Hz และปรับค่า Duty Cycle (ความ กว้างของพัลส์) ได้เพื่อกําหนดตําแหน่ง เชิงมุมของเซอร์โวมอเตอร์ ข) ใช้สัญญาณแอนะล็อกจากบอร์ด ไมโครคอนโทรลเลอร์เพื่อกําหนดตําแหน่ง เชิงมุมของเซอร์โวมอเตอร์ ค) หมุนได้หลายรอบต่อเนื่องกัน ง) หมุนได้ครบรอบ 360 องศา

11) อุปกรณ์ในข้อใด มีโฟโต้ทรานซิสเตอร์เป็น ส่วนประกอบอยู่ภายในตัวถัง ก) อุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสง ข) รีเลย์ ค) ทรานซิสเตอร์แบบมอสเฟต ง) ไม่มีข้อใดถูก

64

14) ข้อใดไม่ใช่ ไอซีสําหรับขับมอเตอร์กระแสตรง ก) L293D ข) LM358 ค) L298N ง) ไม่มีข้อถูก 15) ถ้าป้อนแรงดัน 5V ที่จุด VIN ในวงจรตามรูป ต่อไปนี้ แล้วแรงดันที่จุด VOUT จะได้ ใกล้เคียงข้อใดมากที่สุด ก) 0V ข) 5V ค) 6V ง) 12V

ผังวงจรสําหรับโจทย์ข้อ 15

*******************

65

66

เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน แบบเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ก ก ง ค ข

6) ข 7) ข 8) ก 9) ข 10) ข

11) ก 12) ค 13) ก 14) ง 15) ข

6) ง 7) ค 8) ข 9) ง 10) ง

11) ก 12) ก 13) ก 14) ข 15) ก

แบบเฉลยแบบทดสอบหลังเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ง ก ค ข ก

*******************

67

68

แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง ใบมอบหมายงานที่ 4.1 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของทรานซิสเตอร์แบบ NPN โดยใช้ตัวต้านทานขนาด 330Ω เป็นโหลดไฟฟ้าในวงจร และการทํางานของโค้ดตัวยอย่างสําหรับ Arduino มีดังนี้ อ่านค่าที่ขาดิจิทัล D3 ที่ต่อ กับวงจรปุ่มกด (ต่อตัวต้านทานแบบ Pull-up) เมื่อกดปุ่มจะได้ค่า LOW แต่ถ้าไม่ได้กดปุ่ม จะได้ค่า HIGH และ นําค่าที่ได้มาเขียนค่าเอาต์พุตที่ขา D5 สําหรับวงจรในภาคเอาต์พุตดังนี้  ถ้ากดปุ่มค้างไว้ จะได้ค่าอินพุตเป็น LOW และเอาต์พุตจะเป็น HIGH (ทําให้ LED “ติด”)  ถ้าไม่กดปุ่ม จะได้ค่าอินพุตเป็น HIGH และเอาต์พุตจะเป็น LOW (ทําให้ LED “ดับ”) ขา D5 ของบอร์ด Arduino ยังใช้ในการควบคุมการทํางานของทรานซิสเตอร์แบบ NPN อีกด้วย ถ้าเอาต์พุตเป็น HIGH (เมื่อกดปุ่มค้างไว้) จะทําให้แรงดันที่ขา D5 ได้ประมาณ +5V และมีกระแสไหลผ่านตัว ต้านทาน 10kΩ เข้าไปยังขาเบสของทรานซิสเตอร์ ถ้าวัดแรงดันที่ VBE จะได้ประมาณ 0.7V และทรานซิสเตอร์ จะอยู่ในโหมดทํางาน ถ้าวัดแรงดัน VCE จะได้ประมาณ 0.1 – 0.2V และมีกระแสไหลผ่านตัวต้านทาน 330Ω ที่ ใช้เป็นโหลดในวงจร นอกจากนั้น เมื่อวัดกระแสทั้งสามทีข่ าของทรานซิสเตอร์ จะเรียงลําดับจากน้อยไปมากได้ ดังนี้ IB, IC, IE ตามลําดับ (ตามทฤษฏี ควรจะวัดกระแส IB ได้ประมาณ 0.4 มิลลิแอมป์ และ IC ได้ประมาณ 14.5 มิลลิแอมป์ และคํานวณอัตราการขยายกระแสของทรานซิสเตอร์ ได้ประมาณ 36 เท่า) แต่ถ้าเอาต์พุตเป็น LOW (เมื่อไม่ได้กดปุ่มค้างไว้) จะทําให้แรงดันที่ขา D5 ได้ใกล้เคียง 0V และ ทรานซิสเตอร์จะอยู่ในโหมดไม่ทํางาน ถ้าวัด VBE จะได้ 0V และ VCE จะได้ประมาณ 5V

ใบมอบหมายงานที่ 4.2 การทดลองนี้ เป็นการสาธิตการทํางานของอุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสง และทรานซิสเตอร์แบบ pchannel MOSFET และใช้บอร์ด Arduino ในการสร้างสัญญาณเอาต์พุตเพื่อควบคุมการจ่ายกระแสให้ มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง การทํางานของอุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสงทําหน้าที่เหมือนทรานซิสเตอร์แบบ NPN ทั่วไป แต่ใช้แสงใน การแยกสัญญาณไฟฟ้าภายใน เมื่อทรานซิสเตอร์ภายในอุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสงทํางาน แรงดัน VCE จะอยู่ที่ ประมาณ 0.1V ทําให้แรงดัน VSG ของมอสเฟต อยู่ที่ประมาณ 7 – 8 โวลต์ ซึ่งมากพอที่จะทําให้มอสเฟตอยู่ใน โหมดทํางาน 69

ข้อสังเกต: ในกรณีที่มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงใช้กระแสในระดับ 100 มิลลิแอมป์ หรือมากกว่า และใช้ แบตเตอรี่ก้อน 9V เป็นแหล่งจ่ายสําหรับ +VM ถ้าแบตเตอรี่ได้ถูกใช้งานไประยะเวลาหนึ่งแล้ว อาจจะทําให้ ความต่างศักย์ระหว่างขั้วบวกและลบของแบตเตอรี่ลดลง และวัดแรงดันได้ต่ํากว่า 9V ในขณะทีจ่ า่ ยกระแส แต่ถ้าลดต่ําลงมาก (แบตเตอรี่ใกล้หมด) จะทําให้มอสเฟตไม่ทํางาน และส่งผลให้มอเตอร์ไม่หมุน

ใบมอบหมายงานที่ 4.3 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของไอซีขับมอเตอร์ L293D เพื่อควบคุมการหมุนของมอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสตรง เช่น เลือกทิศทางการหมุนและใช้สญ ั ญาณ PWM ปรับความเร็วของมอเตอร์ไฟฟ้า ขา D6 และ D7 ของบอร์ด Arduino เป็นสัญญาณเอาต์พุตจากบอร์ด Arduino ที่ไปต่อกับขา 2 (1A) และขา 7 (2A) ของไอซี L293D และค่าทางลอจิกที่ขา D6 และ D7 จะต้องเป็น “LOW และ HIGH” หรือ “HIGH และ LOW” จึงจะทําให้มอเตอร์หมุนทางใดทางหนึ่ง (กําหนดทิศทางการหมุน) และค่า Duty Cycle ของสัญญาณ PWM ที่ขา D5 ซึ่งต่อกับขา 1 ของไอซี L293D ใช้กําหนดความเร็วในการหมุนของมอเตอร์ไฟฟ้า การหมุนที่ปุ่มของตัวต้านทานปรับค่าได้เป็นการกําหนดค่า Duty Cycle ของสัญญาณ PWM สามารถ ปรับความเร็วของมอเตอร์ได้ และค่าทางลอจิกที่ขา D6 และ D7 จะต้องเป็น “LOW และ HIGH” หรือ “HIGH และ LOW” แต่ถ้าค่าทางลอจิกที่ขา D6 และ D7 เป็น “LOW และ LOW” หรือ “HIGH และ HIGH” มอเตอร์ไฟฟ้าจะไม่หมุน และการหมุนที่ปุ่มของตัวต้านทานปรับค่าได้ จะไม่มีผลต่อการมอเตอร์ไฟฟ้า

ใบมอบหมายงานที่ 4.4 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานของเซอร์โวมอเตอร์ขนาดเล็ก โดยมีบอร์ด Arduino ทําหน้าที่ รับค่าจากสัญญาณแอนะล็อก (จากวงจรแบ่งระดันปรับระดับได้) และนําค่าที่ได้ไปกําหนดตําแหน่งของมุมให้ เซอร์โวมอเตอร์ (กําหนดความกว้างของพัลส์ในช่วง 700 ถึง 2300 ไมโครวินาที) ดังนั้นถ้าแรงดันที่ A0 อยู่ที่ ระดับ 0V 2.5V และ 5V ตามลําดับ จะได้ตําแหน่งเชิงมุมคือ ซ้ายสุด กึ่งกลาง และขวาสุด ตามลําดับ กระแสที่เซอร์โวมอเตอร์ใช้นั้น ถ้าเซอร์โวมอเตอร์หยุดนิ่ง จะใช้กระแสต่าํ สุด แต่ในขณะที่เซอร์โวหมุน ไปมา จะใช้กระแสมากขึ้น (ปริมาณกระแสที่ใช้ ขึ้นอยู่กับเซอว์โวมอเตอร์แต่ละตัวที่ได้ทดลองใช้ และโดยทั่วไป แล้ว เซอร์โวมอเตอร์ตัวใหญ่จะใช้กระแสมากกว่าตัวเล็ก) ******************

70

หน่วยการเรียนรู้ที่ 5 การใช้งานเซนเซอร์ร่วมกับบอร์ด Arduino สาระการเรียนรู้ การนําบอร์ดไมโครคอนโทรลเลอร์ เช่น บอร์ด Arduino ที่ทําหน้าที่เป็น “กล่องสมองกล” หรือ “ระบบคอมพิวเตอร์ฝังตัว” ไปประยุกต์ใช้งานเพื่อให้เกิดความหลากหลายในงานด้านต่างๆ ได้นั้น จําเป็นต้อง อาศัยวงจรภาคอินพุตและเซนเซอร์ (Sensor) หลายชนิด โดยนํามาประยุกต์ใช้ร่วมกับกล่องสมองกล Arduino และนําไปควบคุมอุปกรณ์ภายนอกตามการทํางานของโปรแกรม กล่องสมองกลมีหน้าที่อ่านได้จากเซนเซอร์ ต่างๆ แล้วนําค่าที่ได้ไปประมวลผล จากนัน้ จึงสั่งการไปยังวงจรภาคเอาต์พุต เช่น การเปิด-ปิดรีเลย์ มอเตอร์ ไฟฟ้า หลอดไฟ อุปกรณ์แสดงผล หรืออุปกรณ์อื่นๆ เป็นต้น ดังนั้นการเรียนรู้หลักการทํางานและการ ประยุกต์ใช้งานของอุปกรณ์เซนเซอร์ประเภทต่างๆ จึงเป็นสิ่งสําคัญ แต่เนื่องจากวงจรภาคอินพุตและเซนเซอร์ ที่เลือกใช้งานได้มีความหลากหลาย จึงเลือกเฉพาะอุปกรณ์บางชนิดเท่านั้นสําหรับการเรียนรู้ เช่น เซนเซอร์ สัมผัส เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ เซนเซอร์ที่ทํางานโดยใช้แสง เซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหว เซนเซอร์วัด ระยะห่างหรือตรวจจับสิ่งกีดขวาง เป็นต้น

จุดประสงค์การเรียนรู้        

อธิบายถึงความหมายของคําว่า เซนเซอร์ และยกตัวอย่างเซนเซอร์ในชีวิตประจําวันได้ อธิบายถึงหลักการทํางานของตัวต้านทานไวแสงและเทอร์มิสเตอร์ และนําไปประยุกต์ใช้งานได้ ยกตัวอย่างไอซีวัดอุณหภูมิ และนําไปต่อวงจรเพื่อทดลองใช้งานได้ อธิบายถึงหลักการทํางานของอุปกรณ์ที่ทํางานด้วยแสงได้ เช่น ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด โฟโต้ทรานซิสเตอร์ได้ สวิตช์ควบคุมด้วยแสง และเซนเซอร์แสงอินฟราเรดแบบสะท้อน บอกความแตกต่างของอุปกรณ์ที่ทํางานด้วยแสงประเภทต่างๆ ได้ อธิบายถึงหลักการทํางานของเซนเซอร์วัดระยะทางด้วนคลื่นเสียงอัลตราโซนิกได้ ต่อวงจรแบ่งแรงดันโดยใช้ตัวต้านทานไวแสงหรือเทอร์มิสเตอร์ เพื่อสร้างสัญญาณแอนะล็อกและ นํามาใช้งานร่วมกับบอร์ด Arduino ได้ ต่อวงจรโดยใช้เซนเซอร์ตรวจจับสิ่งกีดขวางด้วยแสงอินฟราเรด ร่วมกับบอร์ด Arduino ได้

71

หัวข้อในการเรียนรู้ เนื้อหาสําหรับการเรียนรู้ในหน่วยการเรียนรู้ที่ 5 แบ่งเป็นหัวข้อย่อยดังนี้ หัวข้อที่ 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10

เรื่อง ความสําคัญของวงจรภาคอินพุตและเซนเซอร์ เซนเซอร์และทรานสดิวเซอร์ สวิตช์สัมผัส ตัวต้านทานไวแสง เทอร์มิสเตอร์ ไอซีวัดอุณหภูมิ เซนเซอร์แสงอินฟราเรด โมดูลตรวจจับความเคลื่อนไหวด้วยแสงอินฟราเรด โมดูลวัดระยะห่างด้วยแสงอินฟราเรด โมดูลวัดระยะทางด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

สื่อการเรียนรู้      

หนังสือ “เรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานและเขียนโปรแกรมด้วย Arduino” (บทที่ 5) แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน (พร้อมเฉลย) ชุดทดลองต่อวงจรอิเล็กทรอนิกส์และบอร์ด Arduino ใบมอบหมายงาน + แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง (สําหรับครูผู้สอน) วีดีโอสาธิตการต่อวงจรตามใบมอบหมายงาน (ใช้เป็นแนวทางในการทําการทดลอง) วีดีโอสาธิตการทํางานของบอร์ด Arduino ร่วมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ เพือ่ ใช้เป็นโจทย์ท้าทายในทาง ความคิดของผู้เรียน การออกแบบวงจรและเขียนโค้ด และอาจจะนําไปสู่การปฏิบัติทดลองจริง

กิจกรรมนําเข้าสูบ่ ทเรียนและกระตุ้นความสนใจ  ให้ครูผสู้ อนอภิปรายหน้าชั้นเรียน โดยยกประเด็นทางด้านประสาทสัมผัสของร่างกายที่ทําหน้าที่รับรู้ ทางกายภาพ เช่น ผิวหนังเป็นประสาทสัมผัสที่ทําหน้าที่รบั ความรู้สึก ทําให้เรารู้สึกหนาวหรือร้อน รวมถึงการรับความรู้สึกจากการสัมผัสต่างๆ เช่น ตาเป็นประสาทสัมผัสทางภาพ หูเป็นประสาทสัมผัส ทางเสียง จมูกเป็นประสาทสัมผัสทางกลิ่น และลิ้นเป็นประสาทสัมผัสทางรสชาติ ครูผ้สู อนสามารถ ยกตัวอย่างประกอบการอธิบายเกี่ยวกับความเชื่อมโยงของประสาทสัมผัสที่ทําหน้าที่รบั สิ่งสัมผัสเพื่อ 72











ทําให้ร่างกายมีความรู้สึกต่างๆ ครูผสู้ อนยกตัวอย่างเพิ่มเติมที่เกี่ยวข้องกับสิ่งประดิษฐ์ เครื่องมือ เครื่องใช้ ในชีวิตประจําวันที่มีการใช้งานเซนเซอร์ เช่น o ในห้องที่มีการติดตั้งเครื่องปรับอากาศ จะเห็นได้ว่า สามารถปรับความเย็น หรือระดับ อุณหภูมิภายในห้องได้ แสดงว่าระบบเครื่องปรับอากาศนั้น สามารถรับทราบข้อมูลที่เป็น อุณหภูมิของห้องได้ (เชื่อมโยงไปสู่เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ) o หากพิจารณาระบบลิฟต์ (Elevator) ตามอาคาร เมื่อมีผู้โดยสารในลิฟต์มากเกินไป ลิฟต์จะ ส่งเสียงเตือนว่า มีผู้โดยสารเกินพิกัด ซึ่งนั้นก็แสดงว่า ระบบลิฟต์สามารถทราบข้อมูลที่เป็น น้ําหนักหรือความจุของลิฟต์โดยสารได้ (เชื่อมโยงไปสู่เซนเซอร์วัดน้ําหนักหรือแรงกด) o ในรถยนต์ที่มีระบบความปลอดภัยแบบถุงลมนิรภัย จะเห็นได้ว่า เมื่อเกิดเหตุการณ์ที่รถยนต์ ชนวัตถุกีดขวางอย่างรุนแรง ถุงลมนิรภัยจะพองออกมาเพื่อป้องกันผู้โดยสาร แต่หากรถยนต์ ไปชนกับวัตถุที่ไม่รุนแรง ถุงลมนิรภัยจะไม่พองออกมา นั้นก็หมายความว่า รถยนต์จะต้อง ทราบขนาดของแรงกระแทกที่มากระทบกับรถยนต์ (เชื่อมโยงไปสู่เซนเซอร์วัดแรงกระแทก หรือความความเร่ง) คําถาม: “นักเรียนเคยเดินเข้าร้านสะดวกซื้อแล้วสังเกตบ้างไหมว่า ที่ประตูทางเข้าจะมีเสียงเตือน และ ประตูจะเลื่อนเปิดออกได้โดยอัตโนมัติ และเมื่อไม่มีคนอยู่ทบี่ ริเวณประตู ประตูก็จะเลื่อนปิดได้โดย อัตโนมัติ นักเรียนคิดว่า ระบบนี้ใช้อะไรในการตรวจจับคนที่เดินเข้าออกผ่านประตู?” o นําไปสู่เรื่องเซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวหรือวัดระยะห่างจากวัตถุด้วยแสงอินฟราเรด คําถาม: “ระบบป้องกันขโมยหรือผู้บุกรุกในอาคารบ้านเรือน มีหลักการทํางานอย่างไร และใช้อะไร เป็นอุปกรณ์ตรวจจับผู้บุกรุกหรือการเคลื่อนไหวในห้องต่างๆ?” o นําไปสู่เรื่องเซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวของคน เช่น เซนเซอร์แบบ PIR คําถาม: “ค้างคาวเป็นสัตว์ที่มีความสามารถในการตรวจจับวัตถุและระบุตําแหน่งได้โดยการใช้คลื่น ความถี่สูง โดยที่ค้างคาวจะปล่อยคลื่นความถี่สูงนี้ออกไป แล้วเมื่อคลื่นไปกระทบวัตถุ ก็จะสะท้อน กลับมา นักเรียนทราบบ้างไหมว่า มีอุปกรณ์อะไรบ้างที่ใช้คลื่นเสียงความถี่สูงหรือคลื่นอัลตราโซนิกใน การตรวจจับวัตถุหรือวัดระยะห่างได้?” o นําไปสู่เรื่องเซนเซอร์หรือโมดูลวัดระยะห่างด้วยคลื่นอัลตราโซนิก คําถาม: “ถ้าเราจะจําแนกสภาพแวดล้อมตามระดับอุณหภูมิ โดยแบ่งเป็น 3 ระดับคือ เย็น ปรกติ และร้อน จะเลือกใช้เซนเซอร์ชนิดใด” o นําไปสู่เรื่องเซนเซอร์วัดอุณหภูมิ คําถาม: “รถยนต์ในปัจจุบันมีการติดตั้งอุปกรณ์ตรวจจับสิ่งกีดขวางที่อยู่ด้านท้ายรถ (เช่น สูงจากพื้น ประมาณ 30-40 ซม.) ในขณะที่ถอยหลัง ถ้ามีวัตถุหรือสิ่งกีดขวางอยู่ด้านหลังในระยะใกล้ จะเริ่มมี เสียงเตือน และเมื่อระยะห่างน้อยลงเสียงเตือนจะมีความถี่สูงขึ้นเพื่อเตือนผู้ขับขี่รถยนต์ นักเรียนคิด ว่า อุปกรณ์ที่ใช้ในการตรวจจับสิ่งกีดขวางหรือวัดระยะห่างของรถยนต์นั้นใช้หลักการอะไร?” o นําไปสู่เรื่องเซนเซอร์วัดระยะห่างจากวัตถุด้วยแสงอินฟราเรด 73

 คําถาม: “นักเรียนเคยเห็นหุ่นยนต์ที่วิ่งตามเส้นได้โดยอัตโนมัติบ้างหรือไม่ เช่น หุ่นยนต์วิ่งไปตามเส้นสี ดําบนพื้นสีขาว และไม่หลุดออกจากเส้นในขณะที่เคลื่อนที่ไปตามทาง หุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้แบบนี้ใช้ อะไรเป็นตัวตรวจจับเส้นสีดําบนพื้นขาว และจะต้องมีการเขียนโปรแกรมควบคุมหุ่นยนต์อย่างไร?” o ครูผู้สอนสามารถหารูปของหุ่นยนต์วิ่งตามเส้น (Line Following/Tracking Mobile Robots) จากอินเทอร์เน็ตเพื่อใช้ประกอบการตั้งคําถามในชั้นเรียน o นําไปสู่เรื่องเซนเซอร์แสงอินฟราเรดแบบสะท้อน

กิจกรรมค้นคว้าและสืบค้นข้อมูล  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนอ่านทําความเข้าใจเนื้อหาในหัวข้อที่ 5.1 – 5.10  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพื่อศึกษาเกี่ยวกับความหมายของคําว่า เซนเซอร์ ชนิดของ เซนเซอร์ และยกตัวอย่างของงานที่นําเซนเซอร์ไปประยุกต์ใช้  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นรูป วีดีโอ และข้อมูลเกี่ยวกับหุ่นยนต์วิ่งตามเส้นได้ โดยอัตโนมัติจากอินเทอร์เน็ต เช่น จากเว็บไซต์ต่างๆ และจาก YouTube ครูผู้สอนอาจจะกําหนด เงื่อนไขเพิ่มเติมคือ ให้เลือกเฉพาะหุ่นยนต์ที่ใช้บอร์ด Arduino เป็นกล่องสมองกลควบคุมการทํางาน ของหุ่นยนต์  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นข้อมูลและรูปประกอบ เกี่ยวกับสินค้าที่เป็นเซนเซอร์ แบบต่างๆ จากเว็บไซต์และคาดว่าจะนํามาใช้กับหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพื่อสืบค้นข้อมูลในการที่จะนําเซนเซอร์มาทําหน้าที่ปิด-เปิด หลอดไฟ โดยให้หลอดไฟติดเมื่อไม่มีแสง และดับเมื่อมีแสงสว่าง ให้นักเรียนหาข้อมูลทางอินเทอร์เน็ต เกี่ยวกับชนิดของเซนเซอร์ที่จะเลือกใช้ ความสัมพันธ์ของเซนเซอร์กับงานที่จะนําไปใช้ควบคุม แล้ว สรุปในรูปแบบรายงานหรือนําเสนอหน้าชั้นเรียน

กิจกรรมแบ่งกลุ่มระดมความคิดและอภิปราย  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนแบ่งกลุ่ม เพือ่ สืบค้นข้อมูลและรูปประกอบ เกี่ยวกับสินค้าที่เป็นเซนเซอร์ แบบต่างๆ ที่คาดว่าจะนํามาใช้กับหุ่นยนต์เคลื่อนที่ได้ และอภิปรายด้วยว่า อุปกรณ์เซนเซอร์ที่ได้เลือก มานั้นจะนํามาใช้อย่างไรกับหุ่นยนต์ เพื่อวัตถุประสงค์ใด ใช้จํานวนเท่าไหร่สําหรับเซนเซอร์แต่ละชนิด และติดตั้งที่ตําแหน่งใดของตัวหุ่นยนต์ เป็นต้น

74

 ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “ท่านคิดว่าเซนเซอร์อัลตราโซนิกใช้วัดระดับน้ําได้หรือไม่ และถ้าใช้ได้ จะนํามาใช้ออกแบบสร้างระบบเตือนน้ําท่วมฉับพลันได้หรือไม่ และถ้าเปลี่ยนเป็นเซนเซอร์แสง อินฟราเรดที่วัดระยะห่างได้ในช่วง 10 ถึง 80 ซม. จะใช้แทนได้หรือไม่?” o ถ้ามีเซนเซอร์อลั ตราโซนิกหรือเซนเซอร์แสงอินฟราเรดวัดระยะห่าง ครูผู้สอนสามารถ มอบหมายให้ผเู้ รียนทําการทดลองได้ (โจทย์ท้าทาย)  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “ถ้าท่านจะต้องออกแบบระบบนับคนเข้าออกห้องสมุดโดยอัตโนมัติ โดยใช้ เซนเซอร์แสงวัดระยะห่าง หรือเซนเซอร์แสงอื่นๆ และใช้บอร์ด Arduino เป็นกล่องสมองกล ท่านจะ เลือกใช้เซนเซอร์ชนิดใด ใช้กี่ตัว และติดตั้งอย่างไร (สมมุติว่า ทางเข้าและทางออกของห้องสมุด เป็น ช่อง 2 ช่อง มีความกว้างประมาณ 50 ซม. ให้คนเดินเข้าและออกแยกกัน)?”  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “ท่านคิดว่า ถ้าต้องการนับจํานวนรถที่จอดในลานจอดรถยนต์ใน ห้างสรรพสินค้าและจํานวนที่จอดรถยนต์ที่ยังว่างอยู่โดยอัตโนมัติ จะต้องเลือกใช้เซนเซอร์แบบใด ติดตั้งอย่างไร จะมีข้อดีและข้อจํากัดอย่างไรบ้าง”  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “ท่านคิดว่า จะใช้เซนเซอร์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง (Opto-Interrupter) และ บอร์ด Arduino มาใช้วัดความเร็วรอบของมอเตอร์ไฟฟ้า หรือความเร็วรอบของกังหันลมขนาดเล็กได้ อย่างไร?”  ครูผู้สอนตั้งประเด็นดังนี้ “ท่านคิดว่า จะใช้เซนเซอร์สวิตช์ควบคุมด้วยแสง (Opto-Interrupter) อย่างน้อย 2 ตัว และบอร์ด Arduino มาใช้วัดความเร็วเฉลี่ยของวัตถุที่เคลื่อนที่ไปตามรางเส้นตรงได้ อย่างไร?”

กิจกรรมฝึกปฏิบัติ  ครูผู้สอนแบ่งกลุ่มนักเรียนเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และให้ทาํ การทดลองตามใบมอบหมายงานในบทที่ 5 และเมื่อทําการทดลองเสร็จแล้วให้ครูผู้สอนและนักเรียนสรุปและวิเคราะห์ผลการทดลองร่วมกัน

กิจกรรมท้าทายความสามารถ  ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนทํางานเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน และทํางานโครงงาน (ระยะเวลา 2 - 3 สัปดาห์) ตามโจทย์ต่อไปนี้ “ถ้าจะใช้เซนเซอร์วัดอุณหภูมิ เช่น ไอซี LM35DZ และบอร์ด Arduino ในการบันทึกอุณหภูมิในห้องที่มีเครื่องปรับอากาศ (เช่น ห้องคอมพิวเตอร์) เป็นระยะๆ เช่น ทุกๆ 1 นาที ในช่วงเวลา 8 - 10 ชม. ของแต่ละวัน จะออกแบบวงจรและเขียนโค้ดสําหรับบอร์ด Arduino อย่างไร และเมื่อได้ข้อมูลดังกล่าว จะนํามาวิเคราะห์ได้หรือไม่ว่า มีการเปิดใช้เครื่องปรับอากาศ หรือไม่ในแต่ละวัน เป็นช่วงเวลาใดบ้าง และมีระดับอุณหภูมิเท่าใดในช่วงเวลาดังกล่าว” 75

 ครูผู้สอนมอบหมายให้ผู้เรียนทํางานเป็นกลุ่มๆละ 2-3 คน โดยให้ออกแบบระบบต้นแบบ เพื่อทําการ ควบคุมระดับน้ําในถังน้ํา โดยให้นักเรียนหาเซนเซอร์ที่วัดระดับน้ําแบบไม่สัมผัสกับน้ํา ในกิจกรรมนี้จะ ให้นักเรียนค้นคว้าและใช้ความคิดในการเลือกใช้เซนเซอร์ รวมถึงการหาที่จําหน่าย การมองความ เป็นไปได้ในการออกแบบใช้งานจริง

การประเมินผู้เรียน  ความรู้ (K): ประเมินจากการทําแบบทดสอบของผู้เรียน (แบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน)  ทักษะกระบวนการ (P): ประเมินจากใบงานในการทดลองของผู้เรียนแต่ละกลุ่ม และสังเกตพฤติกรรม ระหว่างเรียนและปฏิบัติ  คุณลักษณะทีพ่ ึงประสงค์ (A): ประเมินจากพฤติกรรมของผู้เรียนแต่ละคนหรือกลุ่มทีแ่ สดงออก เช่น การอภิปรายนําเสนอ รายงาน และการปฏิบัติทดลอง

******************

76

แบบทดสอบก่อนเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุดเกี่ยวกับเซนเซอร์ ก) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณทางกายภาพ ให้เป็นสัญญาณทางไฟฟ้าได้ ข) ใช้รับสัญญาณเอาต์พุตจากบอร์ด ไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ ค) สร้างสัญญาณแบบแอนะล็อกเป็นเอาต์พุต ได้เท่านั้น ง) สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล

5) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องเกี่ยวกับตัวต้านทานไวแสง ก) ความต้านทานเป็น 0 Ω เมื่อไม่ได้รับแสง ข) ความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับแสงมากขึ้น ค) ความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่อได้รับแสงน้อยลง ง) การเปลี่ยนแปลงของปริมาณแสงมีผลต่อค่า ความต้านทานน้อยมาก 6) ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับเทอร์มิสเตอร์ที่มี สัมประสิทธิ์ของอุณหภูมิเป็นลบ ก) ความต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ข) ความต้านทานลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ค) ความต้านทานเปลี่ยนแปลงแบบเชิงเส้น ง) การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิมีผลต่อค่า ความต้านทานน้อยมาก

2) ในการสร้างหุ่นยนต์ ควรเลือกใช้อุปกรณ์ใด ต่อไปนี้เพื่อตรวจจับการชนสิ่งกีดขวาง ก) ไดโอดเปล่งแสง ข) รีเลย์ ค) สวิตช์สัมผัส (ลิมิตสวิตช์) ง) โฟโต้ทรานซิสเตอร์

7) ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับเทอร์มิสเตอร์แบบ NTC 10kΩ ที่อุณหภูมิ 25 °C ก) ความต้านทานเท่ากับ 10kΩ ที่ 20°C ข) ความต้านทานมากกว่า 10kΩ ที่ 40°C ค) ความต้านทานน้อยกว่า 10kΩ ที่ 40°C ง) ความต้านทานน้อยกว่า 10kΩ ที่ 20°C

3) อุปกรณ์ในข้อใดเหมาะสําหรับนํามาสร้างเป็น อุปกรณ์ควบคุมการเปิดแสงไฟอัตโนมัติเมื่อ สภาพแสงลดต่ําลง ก) เซนเซอร์วัดความเร็ว ข) ตัวต้านทานไวแสง ค) ไอซีวัดอุณหภูมิ ง) เทอร์มิสเตอร์

8) ข้อใดคือขาของโฟโต้ทรานซิสเตอร์ ก) ขาคอลเลคเตอร์ (C) และขาเบส (B) ข) ขาเบส (B) และขาอิมิตเตอร์ (E) ค) ขาคอลเลคเตอร์ (C) และขาอิมิตเตอร์ (E) ง) ขาแอโนด (A) และขาแคโทด (K)

4) ข้อใดคือตัวต้านทานไวแสง ก) LED ข) LDR ค) LCD ง) LPT

77

9) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุด ก) แสงอินฟราเรดเป็นแสงที่มองไม่เห็นได้ด้วย ตาเปล่า ข) รีโมตคอนโทรลสําหรับเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยทั่วไปใช้แสงอินฟราเรดในการทํางาน ค) เซนเซอร์แสงอินฟราเรดบางประเภทใช้ใน การวัดระยะห่างจากสิ่งกีดขวาง ง) ถูกทุกข้อ

13) ข้อใดคือสัญลักษณ์ของโฟโต้ทรานซิสเตอร์

10) ข้อใดคือสัญลักษณ์ของเทอรมิสเตอร์

14) ขาเอาต์พุตของวงจรแบ่งแรงดันที่ได้จากการ ต่อเทอร์มิสเตอร์และตัวต้านทานคงที่แบบ อนุกรมกัน จะนําไปต่อกับขาของบอร์ด Arduino อย่างไร ก) ต่อกับขาดิจิทัลเอาต์พุตแบบ PWM ข) ต่อกับขา +5V ค) ต่อกับขาแอนะล็อก-อินพุต ง) ต่อกับขาดิจิทัล-อินพุต

ก) ข) ค) ง)

ก) ข) ค) ง) 11) ข้อใดคือสัญลักษณ์ของตัวต้านทานไวแสง

15) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุด ก) วัตถุสีดําจะสะท้อนแสงอินฟราเรดได้ดีกว่า วัตถุสีขาว ข) แสงที่มีความยาวคลื่น 950 นาโนเมตร เป็น แสงอินฟราเรด ค) แสงที่มีความยาวคลื่น 950 นาโนเมตร เท่านั้น จึงจะทําให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์ ทํางานได้ ง) ถูกทุกข้อ

ก) ข) ค) ง) 12) อุปกรณ์ข้อใดมีหลักการทํางานต่างจากข้ออื่น ก) อุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสง ข) สวิตช์ควบคุมได้ด้วยแสง ค) เซนเซอร์แสงอินฟราเรดแบบสะท้อน ง) ตัวต้านทานไวแสง

******************

78

แบบทดสอบหลังเรียน ให้เลือกคําตอบที่ถูกที่สุดเพียงคําตอบเดียว 1) ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับเทอร์มิสเตอร์แบบ NTC ก) เมื่ออุณหภูมิสงู ขึ้น ค่าความต้านทานของ เทอร์มิสเตอร์จะลดลง ข) เมื่ออุณหภูมิสงู ขึ้น ค่าความต้านทานของ เทอร์มิสเตอร์จะเพิ่มขึ้น ค) ความสัมพันธ์ระหว่างค่าความต้านทาน และอุณหภูมิเป็นแบบเชิงเส้น ง) ค่าความต้านทานไม่เปลี่ยนแปลงตาม อุณหภูมิ

วงจรสําหรับโจทย์ข้อ 3 4) ข้อใดเป็นการประยุกต์ใช้งานเซนเซอร์แบบ PIR ที่เหมาะสมมากที่สุด ก) ตรวจจับการเคลื่อนไหวของบุคคลใน อาคารหรือการใช้งานในห้องต่างๆ ข) วัดความสว่างภายในห้อง ค) วัดอุณหภูมิภายในห้อง ง) วัดระยะห่างเมื่อมีคนเดินผ่าน

2) ข้อใดกล่าวถูกต้องเกี่ยวกับ LDR ก) เมื่อได้รับแสงน้อยลง ค่าความต้านทาน จะเพิ่มขึ้น ข) เมื่อได้รับแสงน้อยลง ค่าความต้านทาน จะลดลง ค) เมื่ออยู่ในที่มืด จะได้ค่าความต้านทาน ใกล้เคียง 0 โอห์ม ง) สภาพแสงแวดล้อมแสงมีผลต่อค่าความ ต้านทานน้อยมาก

5) ไอซีวัดอุณหภูมิตัวหนึ่ง สามารถวัดอุณหภูมิได้ ในช่วง 0 ถึง 100°C มีอัตราขยายแบบเชิงเส้น เท่ากับ 10mV/°C และได้แรงดันในช่วง 0 ถึง 1V ข้อใดเป็นแรงดันที่วัดได้สําหรับอุณหภูมิ 25°C ก) 2.5 มิลลิโวลต์ ข) 25 มิลลิโวลต์ ค) 250 มิลลิโวลต์ ง) ไม่มีข้อใดถูก

3) ถ้าได้รับแสงน้อยลงและอุณหภูมิเพิ่มขึ้น แรงดัน V1 และ V2 ในวงจรต่อไปนี้ จะ เปลี่ยนแปลงอย่างไร ก) V1 และ V2 เพิ่มขึ้น ข) V1 และ V2 ลดลง ค) V1 เพิ่มขึ้น แต่ V2 ลดลง ง) V1 ลดลง แต่ V2 เพิ่มขึ้น

79

6) ข้อใดเป็นไอซีวัดอุณหภูมิแบบแอนะล็อก ก) เทอร์มิสเตอร์ ข) LM35DZ ค) 7805 ง) DS1820

10) ข้อใดเป็นการประยุกต์ใช้เซนเซอร์วัดระยะห่าง ด้วยแสงอินฟราเรดได้อย่างเหมาะสม ก) ตรวจจับสิ่งกีดขวางสําหรับหุ่นยนต์ ข) วัดระยะห่างจากวัตถุ ค) ตรวจจับการเดินผ่านเข้าออกของคนใน ร้านสะดวกซื้อ ง) ถูกทุกข้อ

7) ข้อใดเป็นส่วนประกอบที่สําคัญของสวิตช์ ควบคุมด้วยแสง ก) ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดและ โฟโต้ทรานซิสเตอร์ ข) ตัวส่งแสงเลเซอร์และตัวต้านทานไวแสง ค) ไดโอดเปล่งแสงสีแดงและมอสเฟต ง) ไม่มีข้อถูก

11) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุดเกี่ยวกับ เซนเซอร์แสงอินฟราเรดแบบสะท้อน ก) สามารถวัดระยะทางได้ไกลกว่าโมดูลวัด ระยะทางด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ข) ตรวจจับการเดินผ่านเข้าออกของคนได้ ค) ใช้จําแนกวัตถุสีดําและสีขาวได้ใน ระยะใกล้ เช่น ประมาณ 5 มิลลิเมตร ง) ตรวจจับการเคลื่อนไหวของคนในห้องได้ ในบริเวณกว้าง

8) ข้อใดกล่าวได้ถูกต้องมากที่สุด ก) วัตถุสีดําจะสะท้อนแสงอินฟราเรดได้ ดีกว่าวัตถุสีขาว ข) แสงอินฟราเรดมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า ค) แสงที่มีความยาวคลื่น 950 นาโนเมตร เป็นแสงอินฟราเรด ง) แสงที่มีความยาวคลื่น 950 นาโนเมตร เท่านั้น จึงจะทําให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์ ทํางานได้

12) อุปกรณ์ในข้อใดที่นิยมนํามาใช้เป็น ส่วนประกอบที่สําคัญของหุ่นยนต์วิ่งตามเส้นสี ดําบนพื้นขาว ก) โมดูลวัดระยะทางด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ข) ตัวต้านทานไวแสง ค) เซนเซอร์แสงอินฟราเรดแบบสะท้อน ง) เซนเซอร์วัดระยะห่างด้วยแสงอินฟราเรด

9) เซนเซอร์ทใี่ ช้เตือนว่ามีสิ่งกีดขวางอยู่ด้านหลัง ขณะที่ถอยรถ เป็นเซนเซอร์ในข้อใด ก) เซนเซอร์คลื่นอัลตราโซนิก ข) เซนเซอร์แสงอินฟราเรด ค) เซนเซอร์แสงเลเซอร์ ง) เซนเซอร์คลื่นไมโครเวฟ

13) ข้อใดกล่าวถึงการใช้งานไอซี LM35DZ ได้ ถูกต้อง ก) ใช้สําหรับวัดความเข้มแสง ข) ใช้สําหรับวัดความชื้นและอุณหภูมิ ค) ใช้สําหรับตรวจจับการเคลื่อนไหว ง) ใช้วัดอุณหภูมิในช่วง 0 ถึง 100°C

80

14) คลื่นอัตราโซนิกใช้เวลาเดินทางจากตัวส่งไป สะท้อนที่วัตถุ แล้วกลับไปยังตัวรับของ เซนเซอร์ ใช้เวลาทั้งสิ้น 1 มิลลิวินาที จงหา ระยะทางระหว่างเซนเซอร์และวัตถุ (ให้ ความเร็วคลื่นเท่ากับ 346 เมตร/วินาที) ก) 1.73 ซม. ข) 17.3 ซม. ค) 34.6 ซม. ง) 346 ซม.

15) ถ้าต้องการเปิดระบบให้แสงสว่างอัตโนมัติ เมื่อ มีคนเดินเข้ามาในห้อง หรือเปิดระบบแสง สว่างนอกบ้านในยามค่ําคืน ท่านจะเลือกใช้ เซนเซอร์ในข้อใดได้บ้าง ก) เซนเซอร์ตรวจจับการเคลื่อนไหวแบบ PIR ข) ตัวต้านทานไวแสง ค) เซนเซอร์แสงอินฟราเรดวัดระยะห่างได้ถึง 5 เมตร ง) ถูกทุกข้อ ******************

81

82

เฉลยแบบทดสอบก่อนเรียนและหลังเรียน แบบเฉลยแบบทดสอบก่อนเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ก ค ข ข ค

6) ข 7) ค 8) ค 9) ง 10) ข

11) ง 12) ง 13) ง 14) ค 15) ข

6) ข 7) ก 8) ค 9) ข 10) ง

11) ค 12) ค 13) ง 14) ข 15) ข

แบบเฉลยแบบทดสอบหลังเรียน 1) 2) 3) 4) 5)

ก ก ง ก ค

******************

83

84

แนวทางวิเคราะห์และสรุปผลการทดลอง ใบมอบหมายงานที่ 5.1 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานวงจรตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสภาพแสงแวดล้อม โดยนําตัว ต้านทานไวแสง (LDR) มาต่ออนุกรมกับตัวต้านทานคงที่ 10kΩ และจะได้แรงดันที่เปลี่ยนแปลงตามปริมาณ แสง ช่วงของแรงดันที่ได้จะขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานสูงสุดและต่ําสุดของ LDR ตามสภาพแสงแวดล้อม เช่น ได้ค่าความต้านทานประมาณ 40kΩ เมื่อปิดส่วนรับแสงของ LDR และได้ประมาณ 1kΩ หรือต่ํากว่าเมื่อได้รับ แสงมาก ดังนั้นแรงดันที่ A0 จะอยู่ในช่วงประมาณ 1.0V ถึง 4.5V ค่าที่อ่านได้จากขา A0 ซึ่งต่อกับวงจรแบ่งแรงดัน (LDR และตัวต้านทานคงที่แบบต่ออนุกรมกัน) จะถูกนํามาใช้เปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากขา A1 ซึ่งต่อกับวงจรแบ่งแรงดัน (ตัวต้านทานปรับค่าได้) ถ้าค่าที่อ่าน จากขา A1 มากกว่าค่าที่ได้ที่อ่านได้จากขา A0 จะทําให้ LED สว่าง

ใบมอบหมายงานที่ 5.2 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการทํางานวงจรตรวจจับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ โดยนําเทอร์มิสเตอร์ แบบ NTC มาต่ออนุกรมกับตัวต้านทานคงที่ 10kΩ และจะได้แรงดันที่เปลี่ยนแปลงตามระดับอุณหภูมิ ช่วง ของแรงดันที่ได้จะขึ้นอยู่กับค่าความต้านทานสูงสุดและต่ําสุดของเทอร์มิสเตอร์ เช่น ถ้านําเทอรมิสเตอร์ไปใส่ ในถุงน้ําแข็ง จะได้ค่าความต้านทานประมาณ 25kΩ (หรือสูงกว่าเล็กน้อย) ถ้าอยู่ในห้องปรับอากาศที่ 25 องศา จะได้ประมาณ 10kΩ แต่ถ้าถูกเป่าด้วยลมร้อน จะได้ค่าความต้านทานประมาณ 1.5kΩ ดังนั้นถ้าใช้ค่าความ ต้านทานดังกล่าวคํานวณ แรงดันที่ขา A0 จะมีค่าอยู่ในช่วง 1.4V ถึง 4.3V โดยประมาณ ค่าที่อ่านได้จากขา A0 ซึ่งต่อกับวงจรแบ่งแรงดัน (เทอร์มิสเตอร์และตัวต้านทานคงที่ต่ออนุกรมกัน) จะถูกนํามาใช้เปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากขา A1 ซึ่งต่อกับวงจรแบ่งแรงดัน (ตัวต้านทานปรับค่าได้) ถ้าค่าที่อ่าน ได้จากขา A0 มากกว่าค่าที่อ่านได้จากขา A1 จะทําให้บัซเซอร์มีเสียงเตือน

ใบมอบหมายงานที่ 5.3 การทดลองนี้เป็นการสาธิตการแยกวัตถุสีขาวหรือสีดําในระยะใกล้ (เช่น ในช่วง 1–10 ซม.) ด้วยแสง อินฟราเรดโดยใช้ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรดเป็นตัวส่งและใช้โฟโต้ทรานซิสเตอร์เป็นตัวรับ เมื่อมีวัตถุมาอยู่ใกล้ จะทําให้บางส่วนของแสงจากตัวส่งถูกสะท้อนไปยังตัวรับ ทําให้โฟโต้ทรานซิสเตอร์เริ่มทํางานและมีกระแสไหล 85

จากขาคอลเลคเตอร์ไปยังขาอิมิตเตอร์ (เรียกว่า กระแสคอลเลคเตอร์) ปริมาณกระแสคอลเลคเตอร์นี้จะ สัมพันธ์กับปริมาณแสงที่ได้รบั วัตถุต่างสีกันจะมีการสะท้อนหรือดูดกลืนแสงได้แตกต่างกัน วัตถุสีดําสามารถดูดกลืนแสง (ที่มองเห็น ได้ด้วยตาเปล่า และอาจจะรวมถึงแสงอินฟราเรดด้วย) ได้ดีกว่าวัตถุสีขาว ดังนั้นที่ระยะห่างเท่ากัน ปริมาณ แสงที่สะท้อนกลับจากวัตถุสีขาวจะมีมากกว่าในกรณีของวัตถุสีดํา และแรงดันที่วัดได้จากเซนเซอร์ (ต่อกับขา A0) ในกรณีของวัตถุสีขาว จะต่ํากว่าในกรณีของวัตถุสีดํา จากตารางที่เป็นข้อมูลตัวอย่างจากการทดลอง พบว่า การแยกวัตถุสีขาวและสีดํา ให้ได้ถูกต้องแม่นยํามากที่สุด ควรทําในระยะใกล้ เพราะจะมีความแตกต่าง ของแรงดันที่วัดได้ค่อนข้างมาก เมื่อเปรียบเทียบกันทั้งสองกรณี

ระยะห่างระหว่าง วัตถุและเซนเซอร์ 1 ซม.

5 ซม.

10 ซม.

แรงดันที่ขา A0 (วัตถุสีขาว) 3.90V 4.75V 4.90V

แรงดันที่ขา A0 (วัตถุสีดํา) 4.83V 4.94V 4.96V

คําแนะนํา: ให้ลองเปลี่ยนค่าความต้านทาน R1 จาก 330Ω เป็น 150Ω แล้วเปรียบเทียบผลที่ได้ (จะทําให้ตัว ส่งปล่อยพลังงานได้มากขึ้น ซึ่งก็หมายถึง ความเข้มของแสงอินฟราเรดจะได้เพิ่มมากขึ้น)

******************

86

ภาคผนวก ก. ชุดอุปกรณ์สําหรับการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ชุดอุปกรณ์สําหรับการเรียนรู้อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน 1 ชุด ประกอบด้วยกล่องอุปกรณ์ 2 กล่อง ได้แก่ กล่อง DuinoLite Box และกล่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ทําให้สะดวกในการใช้งานและจัดเก็บอุปกรณ์ อย่างเป็นระเบียบ เหมาะสําหรับการเรียนรู้และปฏิบัติทดลองสําหรับผู้เรียนรายบุคคลหรือเป็นกลุ่ม 2-3 คน

กล่อง DuinoLite Box กล่อง DuinoLite Box เป็นกล่องพลาสติก (รูปที่ ก.1) ภายในแบ่งเป็นช่องสําหรับเก็บอุปกรณ์และ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ และใช้ในการทดลองสําหรับ Arduino ในเบื้องต้นได้ แต่ถ้าใช้ควบคู่กับกล่อง อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน ซึ่งมีอุปกรณ์ที่มีลักษณะเป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กหลายชนิด จะครอบคลุมรายการ อุปกรณ์ทั้งหมดที่จําเป็นต้องใช้สําหรับการทดลองตามที่ได้ออกแบบไว้ กล่อง DuinoLite Box มีอุปกรณ์ต่างๆ ตามรายการดังนี้ (ตามตัวอย่างในรูปที่ ก.2) 1) บอร์ด DuinoLite 1 บอร์ด 2) สาย USB (สําหรับเชื่อมต่อบอร์ด DuinoLite ไปยังคอมพิวเตอร์) 1 เส้น 3) เบรดบอร์ด (แผงต่อวงจร) ขนาดสั้น (Half Size) 1 อัน 4) โมดูลรีเลย์ 1 อัน 5) โมดูลแสดงผล 16x2 LCD 1 อัน 6) เซอร์โวมอเตอร์ขนาดเล็ก (R/C Servo) 1 ตัว 7) มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง (DC Motor) ขนาดเล็ก 1 ตัว 8) รังถ่านสําหรับแบตเตอรี่สําหรับ 2 ก้อน (ขนาด AA) 2 อัน 9) ขั้วต่อแบตเตอรี่ชนิดก้อน 9V 1 อัน 10) ลวดสายไฟเชื่อมต่อ ขนาดสั้น 1 ถุง (20 เส้น) 11) ลวดสายไฟเชื่อมต่อ ขนาดยาว 13 เส้น 12) ลวดสายไฟเชื่อมต่อ (แบบตัวผู้และตัวเมีย) ขนาดยาว 6 เส้น

ก-1

รูปที่ ก.1: กล่องอุปกรณ์ DuinoLite Box

รูปที่ ก.2: อุปกรณ์ต่างๆ ในกล่อง DuinoLite Box

บอร์ด DuinoLite บอร์ด DuinoLite เป็นบอร์ด Arduino ที่พัฒนาโดยทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการระบบสมองกลฝังตัว (ESL) ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้า พระนครเหนือ บอร์ด DuinoLite สามารถใช้ไฟเลี้ยงจากพอร์ต USB ของคอมพิวเตอร์ได้ และใช้แทนบอร์ด

ก-2

Arduino Uno ได้ รูปที่ ก.3 – ก.4 แสดงบอร์ด DuinoLite จากมุมมองด้านบน และภาพโครงร่างของบอร์ด และมีการระบุขาต่างๆ ด้วยตัวหนังสือไว้อย่างชัดเจน ในการเลือกบอร์ด DuinoLite เพื่อใช้งาน เมื่อสร้าง Sketch แล้ว ก่อนที่จะทําขั้นตอน Verify และ Upload ให้เลือกเมนูคําสั่งของโปรแกรม Arduino IDE ดังนี้ Tools > Board > Arduino Pro or Pro Mini (5V, 16MHz) w/ ATmega168

ข้อมูลเชิงเทคนิคเกี่ยวกับบอร์ด DuinoLite ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATmega168 (+5V) ความถี่ของคริสตอล 16MHz แรงดันไฟเลี้ยง จากพอร์ต USB หรือ แหล่งจ่ายแรงดันคงที่ +5V ขาเชื่อมต่อ แบบตัวเมีย (Female Pin-Header) ระหว่าง 2.54 มม. ขาดิจิทัล D0 – D10 ขาแอนะล็อก-อินพุต A0 – A7 การเชื่อมต่อกับ ชิป FT232RL (ทําหน้าที่แปลงพอร์ต USB เป็นพอร์ตอนุกรม) คอมพิวเตอร์

รูปที่ ก.3: บอร์ด DuinoLite

ก-3

รูปที่ ก.4: ภาพโครงร่างของบอร์ด DuinoLite (มุมมองด้านบน)

โมดูลรีเลย์ โมดูลรีเลย์ในกล่อง DuinoLite Box เป็นตัวอย่างของอุปกรณ์หรือวงจรที่ได้มีการจัดทําเป็นแผงวงจร หรือโมดูล ทําให้สะดวกในการใช้งาน ไม่ต้องเสียเวลาต่อวงจรบนเบรดบอร์ด สามารถนําไปเชื่อมต่อกับบอร์ด DuinoLite และเขียนโปรแกรมควบคุมการทํางานของรีเลย์ได้ รูปที่ ก.5 แสดงมุมมองด้านบนของโมดูลรีเลย์ วงจรของโมดูลรีเลย์ใช้ทรานซิสเตอร์แบบ NPN ในการ ควบคุมการทํางานของรีเลย์ซึ่งใช้คอยล์ที่แรงดัน +5V ด้านซ้ายมือเป็นจุดเชื่อมต่อสําหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ ขา + สําหรับต่อไฟเลี้ยง +5V ขา S คือขาสัญญาณควบคุม (เปิด-ปิดการทํางานของรีเลย์) และขา – สําหรับต่อ กับ GND ของวงจร ด้านขวาเป็นจุดเชื่อมต่อแบบ Terminal Block สามช่องสําหรับหน้าสัมผัสของรีเลย์คือ N.C. COM และ N.O.

รูปที่ ก.5: โมดูลรีเลย์

ก-4

รูปที่ ก.6 เป็นตัวอย่างสาธิตการใช้งานโมดูลรีเลย์ร่วมกับบอร์ด DuinoLite เพื่อขับกระแสให้มอเตอร์ ไฟฟ้ากระแสตรง 12VDC และใช้แบตเตอรี่แบบ SLA 12V เป็นแหล่งจ่าย เมื่อกดปุ่มจะทําให้มอเตอร์ไฟฟ้า หมุน การต่อวงจรไฟฟ้าสําหรับมอเตอร์และแบตเตอรี่มีดังนี้  ต่อขั้วลบของแบตเตอรี่กับขั้วของมอเตอร์ (สายสีดํา)  ต่อขั้วบวกของแบตเตอรี่ที่ขา N.O. ของโมดูลรีเลย์  ต่อขั้วของมอเตอร์ (สายสีแดง) ที่ขา COM ของโมดูลรีเลย์

รูปที่ ก.6: บอร์ด DuinoLite และโมดูลรีเลย์ขับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง 12VDC

กล่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ กล่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นกล่องพลาสติกแบ่งเป็นช่องขนาดเล็ก จํานวน 3x6 ช่อง ตามตัวอย่าง ในรูปที่ ก.7 เพื่อใช้แยกเก็บอุปกรณ์หรือชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กต่างๆ ทําให้สะดวกในการหยิบใช้งาน และการจัดเก็บ กล่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐานมีอปุ กรณ์ต่างๆ ตามรายการในตาราง (แยกตามหมายเลข ช่อง 1-18 โดยเริ่มต้นที่ช่องในคอลัมน์ซา้ ยสุด นับช่องจากบนลงล่างในแต่ละคอลัมน แล้วตามด้วยคอลัมน์ ถัดไปจากซ้ายไปขวา)

ก-5

รูปที่ ก.7: กล่องอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พื้นฐาน

ช่องที่

อุปกรณ์

จํานวน

1

ตัวต้านทาน 150Ω / 0.25W ตัวต้านทาน 220Ω / 0.25W

10 10

2

ตัวต้านทาน 330Ω / 0.25W ตัวต้านทาน 470Ω / 0.25W

10 10

3

ตัวต้านทาน 1kΩ / 0.25W ตัวต้านทาน 4.7kΩ / 0.25W

10 10

4

ตัวต้านทาน 10kΩ / 0.25W ตัวต้านทาน 20kΩ / 0.25W

10 10

5

ตัวเก็บประจุแบบมีขั้ว ชนิดอิเล็กโทรไลติก 2200uF

2

6

ตัวเก็บประจุแบบไม่มีขั้ว 0.1uF ตัวเก็บประจุแบบมีขั้ว ชนิดอิเล็กโทรไลติก 1uF ตัวเก็บประจุแบบมีขั้ว ชนิดอิเล็กโทรไลติก 10uF ตัวเก็บประจุแบบมีขั้ว ชนิดอิเล็กโทรไลติก 100uF

2 2 2 2

7

ปุ่มกดแบบ 4 ขา (ขนาดใหญ่) ปุ่มกดแบบ 4 ขา (ขนาดเล็ก) สวิตช์เลื่อน (DIP Switch) 4 ช่อง 8 ขา สวิตช์เลื่อน (DIP Switch) 8 ช่อง 16 ขา สวิตช์กด (Limit switch) 3 ขา

2 3 1 1 2

8

ไดโอดเปล่งแสงอินฟราเรด (Infrared LED) โฟโต้ทรานซิสเตอร์ (Phototransistor)

2 2

ก-6

สวิตช์ควบคุมทางแสง (Opto-Interrupter) เบอร์ TCST 2202 เซนเซอร์แสงอินฟราเรดแบบสะท้อน TCRT5000L

2 1

9

ตัวต้านทานปรับค่าได้ 10kΩ (ใช้มือหมุนปรับ) ตัวต้านทานปรับค่าได้ 10kΩ (สีขาว) ตัวต้านทานปรับค่าได้ 20kΩ (สีขาว) ตัวต้านทานปรับค่าได้ 20kΩ (สีฟ้า)

1 1 2 2

10

ไดโอดเปล่งแสง ขนาด 5 มม. สีแดง ไดโอดเปล่งแสง ขนาด 5 มม. สีเขียว ไดโอดเปล่งแสง ขนาด 5 มม. สีเหลือง

4 4 2

11

บัซเซอร์เสียง (Buzzer) รีเลย์ (Relay) แบบ 6 ขา แรงดันคอยล์ 3V

2 1

12

อุปกรณ์เชื่อมต่อทางแสง (Optocoupler) เบอร์ CNY17-3 ไอซีเปรียบเทียบแรงดัน (Voltage Comparator) เบอร์ LM393 ออปแอมป์ (Op-amp) เบอร์ LM358N ไอซีขับกระแสโหลด เบอร์ ULN2803A ไอซีขับมอเตอร์ เบอร์ L293D Socket สําหรับไอซีแบบ DIP 8 ขา Socket สําหรับไอซีแบบ DIP 16 ขา

2 1 1 1 1 2 1

13

สวิตซ์เลื่อน (Slide switch) Pin Header (10-pin) Pin Header (3-pin) + Jumper

1 2 2

14

ตัวต้านทานไวแสง (LDR) เทอร์มิสเตอร์ (Thermistor) แบบ NTC 10kΩ @ 25C ไอซีวัดอุณหภูมิ เบอร์ LM35DZ

2 2 1

15

ทรานซิสเตอร์ NPN เบอร์ PN2222A ตัวถัง TO-92 ทรานซิสเตอร์ Power p-channel MOSFET เบอร์ IRF9540N ทรานซิสเตอร์ n-channel MOSFET เบอร์ IRF510

4 1 1

16

ไดโอด (Diode) เบอร์ 1N4001 ไดโอด (Diode) เบอร์ 1N4148

4 2

17

ไอซีควบคุมแรงดันคงที่ +5V (Voltage Regulator) เบอร์ L7805CV ไอซีควบคุมแรงดันปรับได้ (Adj. Voltage Regulator) เบอร์ LM317T

1 1

18

Terminal box (2-position) Terminal box (3-position)

1 1

ก-7

ก-8