[БЕЗ ЗВУКА] [МУЗЫКА] Здравствуйте! Итак, вы уже прослушали несколько лекций по трехмерной печати. Теперь вы знаете, какие бывают 3D принтеры, где они используются и из каких материалов можно получать объекты. Но как же работают эти загадочные устройства? Вообще-то, 3D принтер – это частный случай станка с часовым программным управлением, поэтому в этой лекции я вам о них и расскажу. Начнем издалека. В 1796 году в Швейцарии женевский часовщик Антуан Фавр сконструировал уникальный механический прибор, который воспроизводил популярные в то время мелодии. Этот механизм дошел и до наших дней. Он известен сейчас как музыкальная шкатулка. Штырьки на барабане или отверстия на перфоленте задают ноты, которые должны прозвучать в то время, как эти самые штырьки или отверстия окажутся напротив считывающего устройства. Таким образом Антуан Фавр автоматизировал процесс возпроизведения мелодий. Чуть позже, но еще задолго до изобретения вычислительных машин, в 1801 году Жозеф Мари Жаккар сконструировал ткацкий станок, который мог производить ткань с узором, задаваемым при помощи отверстий на карточках-перфокартах. Это уже был первый станок, работой которого руководила программа. Если обобщить информацию об этих изобретениях, то можно сказать, что потребность воспроизведения одинакового результата без участия человека привела к созданию устройств, в состав которых входили некоторые исполняющие механизмы, непосредственно производящие требуемые действия, управляющие механизмы, которые руководили работой исполняющих устройств, и программа в виде заданной последовательности действий, которая кодировалась в данном случае отверстиями на перфокартах, перфоленте или штырьками на барабане. Эти принципы автоматизации актуальны и по сей день. В качестве управляющих устройств сейчас используются различного рода вычислительные машины, такие как этот микроконтроллер, а в качестве исполняющих устройств используются различного рода двигатели, электромоторы, насосы, клапаны и так далее – все то, что может выполнить полезную для вас работу. Программы же пишутся на различных языках программирования и помещаются в управляющее устройство на различного рода электронных носителях информации или передаются по компьютерной сети. Теперь обо все по порядку. Что же такое микроконтроллер? Общий принцип работы вычислительных устройств сейчас одинаков. Вся информация представляется в виде чисел. Числа кодируются в двоичной системе исчислений. Она аналогична десятичной, только вместо десяти чисел, мы используем только два: 0 и 1. Компьютеру так удобнее. Чтобы считать, у него нету десяти пальцев, как у нас. У него есть только низкий уровень сигнала и высокий, например, 0 вольт и 5 вольт. И при помощи специальных логических микросхем можно обрабатывать такого рода сигнал. Итак, перед вами макетная плата. Она нужна для того, чтобы не припаивать никакие провода к микросхемам, а коммутировать их с помощью вот таких отверстий, которые внутри этой макетной платы соединены между собой следующим образом. Вот здесь вот с краю – вы видите, даже прочерчены соответствующие линии – они соединены вдоль платы, чаще всего используются для того, чтобы подать питание. Как видите, здесь даже помечен плюс и минус. А вот здесь в центральной части эти самые отверстия внизу соединены контактами поперек этой самой платы. Это удобно. Вот сюда вот ставим микросхемки, и дальше к любому выводу мы можем подключиться соответствующим проводочком, просто воткнув его в нужное отверстие. Вы видите три логических микросхемы. Что это значит? Они реализуют логические элементы, такие как «И», «ИЛИ», в данном случае здесь еще «исключающее ИЛИ». Прежде всего подаем на них питание. Где какие выводы, обязательно надо посмотреть в документации. Там указывается, на какие выводы подается питание, что является входом микросхем и что является выходом. В данном случае вот мы подали на микросхемку питание, вы видите, белый проводочек на минус и вот этот вот цветной проводочек у нас оранжевенький на плюс соответствующий. Далее, аналогично мы поступили со всеми остальными микросхемками. И как же действуют эти самые логические элементы? Ну, по идее, если у нас операция бинарная, то у вас имеется два входа и какой-то один выход. Чтобы подать на вход логический ноль или логическую единицу, мы с вами подаем плюс 5 вольт или 0 вольт соответственно, то есть либо вот на минус должны замкнуть соответствующую ножку микросхемы, либо на плюс. Чтобы было наглядно и видно, я не просто замкнул эти ножки на какой-то из выходов на макетной плате, а еще и параллельно подцепил светодиодик через резистор, чтобы если мы замкнем эту ножку на плюс 5 вольт – светодиодик загорелся, если на 0, вот сейчас я это вам продемонстрирую, то этот светодиодик погаснет. Вот видите, он погас. Соответственно, мы видим, что вот у этой микросхемки у нас черный и синий провода идут как раз через эти самые светодиоды. И, соответственно, выход у нас – это оранжевый провод, который идет вот на этот светодиод. Сейчас оба выхода у нас замкнуты на высокий уровень сигнала плюс 5 вольт, на выходе видим нолик. Если мы переткнем, опять же, соответствующую ножку микросхемы, уже не запитаем от 5 вольт, а, наоборот, соединим с нулем, то у нас загорается светодиодик на выходе. То есть ноль и единичка логическая у нас в ответе дают единичку. Меняем местами эти самые входы. То есть подадим теперь там, где был нолик, подадим единичку, а там, где единичка – нолик. Видим, что светодиоды на входах горят по-другому. На выходе уже, в общем-то, тоже результат виднеется и он такой же, как и в прошлый раз. Ничего не поменялось. Ну, теперь остается оба на нолик светодиоды. Видите, ничего не горит. То есть когда на входе два нолика – нолик. И мы с вами видим, что эта микросхемка у нас реализует «исключающее ИЛИ». То есть когда на входе разные сигналы, на выходе логическая единица, то есть 5 вольт. Когда на входе одинаковые сигналы, то на выходе нолик, светодиод не горит. Но, опять же, здесь я заранее скоммутировал эту схему так, и мне, в принципе-то, могло понадобиться всего лишь вот эти две микросхемки, – то есть «И» и «исключающее ИЛИ», – так, чтобы сделать фактически простейший сумматор, однобитный сумматор. Если в двоичной системе исчисления представить это как два слагаемых, то есть у нас вот либо нолик + нолик, либо единичка + единичка, либо единичка + нолик, либо нолик + единичка. Вариантов то, собственно, не так много. На выходе у нас должно получаться – опять же, в двоичной системе – два нолика. Ну вот как сейчас. То есть ничего не горит. Нолик здесь, нолик здесь. На выходе тоже по нулям. Ничего не горит. То есть нолик у нас – негорящий светодиод. Соответственно, если на входе у нас будет один + ноль и ноль + один, вот сейчас перетыкаем входные, опять же, проводочки, у нас ноль + один и один + ноль. На выходе у нас один–ноль. Ну, опять же, смотрим вот с этой стороны, с краю один–ноль. Здорово! Ну теперь если мы, получается, просуммируем один + один, у нас должно получиться ноль–один в двоичной системе исчисления. Вот, пожалуйста, на входе один + один, на выходе ноль–один. Работает. Аналогичным образом можно составлять любой сложности интегральные схемы. Там этих логических элементов уже будут тысячи, а то и миллионы. Из таких логических элементов можно составлять сложные комплексные схемы для получения другого функционала. В сравнении с логическими микросхемами микроконтроллер, несомненно, гораздо более сложное устройство. Но он по-прежнему умещается в одной маленькой микросхемке. Тем не менее здесь вы уже найдете и процессор, и память. Так что вы сможете без проблем загрузить туда программку и она сможет управлять выходами этой самой платки, выставляя на них логические нолики и единички, то есть высокий или низкий уровень сигнала. Помимо того, вы сможете и сами общаться с микроконтроллером, выставляя на входы этой самой платы логические нолики и единички. Таким образом ваш микроконтроллер будет узнавать о том, что вы нажали какую-нибудь кнопочку или сработал некоторый датчик. Соответственно, именно так ваш микроконтроллер будет управлять принтером, который мы с вами соберем. Таким образом, наш микроконтроллер в нужные моменты времени подает электроэнергию на управляющее устройство – в нашем случае, допустим, этот самый мотор. Но если вы обратите внимание, мы с вами сделаем конкретную реализацию нашего 3D принтера несколько сложнее. Почему же нельзя просто взять и собрать воедино микроконтроллер, двигатель? Зачем что-то лишнее? Дело в том, что электродвигатели, – в том числе шаговые двигатели, которые будут использоваться у нас, – это очень энергоемкие элементы, и, соответственно, микроконтроллер просто не может управлять такой мощностью. Для этого делается более хитрая схема. Берем по-прежнему наш двигатель, подключаем питание и используем так называемый драйвер шагового двигателя. То есть вот в нашем случае вот этот транзистор будет у нас заместо драйвера шагового двигателя, а микроконтроллер будет служить как выключатель, который подает команду этому самому шаговому двигателю. То есть должен ли он работать или должен ли он остановиться. Ну что ж, попробуем. Включили – работает, выключили – не работает. Вот в такой схеме здесь мощность очень мала. То есть управляющая электроэнергия у нас расходуется крайне экономно, а вот управлять мы можем устройствами очень энергоемкими. Итак, теперь вы знаете, что такое управляющее устройство и как работает микроконтроллер. Это пригодится нам в дальнейшем. Ну а в качестве задания для самостоятельной работы, поищите в сети Интернет, какие еще бывают микроконтроллеры и какие из них используются для домашних 3D принтеров. Ну а я прощаюсь с вами до следующей лекции. На ней мы поговорим о подготовке модели и выборе технологии для печати конкретных объектов.
