Fyzikální měření s micro:bitem, rovnou v prohlížeči

Proč FyzBit

Hlavní důvod je cena. Komerční školní dataloggery se prodávají jako uzavřené sady: ke krabičce s rozhraním se dokupuje každé čidlo zvlášť a jedno vyjde na několik tisíc korun. Vybavit kabinet tak, aby se dala odučit teplota, síla, tlak i vzdálenost, spolkne desítky tisíc — na běžné základní škole rozpočet na několik let dopředu.

Přitom čidlo uvnitř té krabičky je běžná součástka. DS18B20, HX711, HC-SR04 i HX710B koupíš v každém obchodě s elektronikou za desítky až nižší stovky korun a všechna dohromady i s micro:bitem se vejdou pod cenu jediného komerčního čidla. U některých veličin je ten rozdíl stonásobný.

Co té levné součástce oproti drahé sadě chybělo, byl software — něco, co z ní udělá graf na plátně, aniž by učitel musel programovat. Přesně to je FyzBit. Druhý důvod, proč vznikl: měření ve fyzice obvykle uvázne na tom, že než se stihne rozběhnout, hodina skončí.

Kolik to stojí

Konkrétně, ať to není jen řeč. V tabulce je za každou veličinu jedno čidlo, které FyzBit umí, a vedle něj odpovídající čidlo z komerční školní sady — vzal jsem Vernier Go Direct, protože je na českých školách nejběžnější.

Celá čtveřice z českého e-shopu vyjde na 274 Kč — zhruba stokrát méně než tytéž čtyři veličiny v komerční sadě, a pořád méně než jedno jediné její čidlo. K tomu jeden micro:bit, který škola nejspíš už má z informatiky, a je to.

Důležitější než ta úspora je ale to, co z ní plyne: čidlo, které se smí rozbít, si žák vezme do ruky. Za jedno komerční čidlo pořídíš sadu pro celou třídu, takže nemusí být jedno na katedře a zbytek třídy koukat. A když se něco upálí nebo přetrhne, je to výdaj za pár desetikorun, ne položka do příštího rozpočtu.

Ceny a poznámky k jednotlivým čidlům pocházejí z workshopu pro učitele, který jsem vedl na Konferenci Elixíru do škol 2026.

Co potřebuješ

• micro:bit V1 nebo V2 a USB kabel. Na V2 jde měřit i bezdrátově přes Bluetooth — na tabletu nebo telefonu, kde USB není.
• Jeden ze čtyř senzorů níže. Všechny jsou běžně dostupné a stojí řádově desítky až nižší stovky korun.
• Krokosvorky. Všechny čtyři senzory se připojují jen na velké pady 0, 1, 2, 3V a GND, na které krokosvorka dosáhne. Breakout deska není potřeba. Vodič s dutinkou na jedné a krokosvorkou na druhé straně se dá koupit i vyrobit.
• Počítač nebo tablet s Androidem a prohlížečem Chrome, Edge nebo Opera. Firefox ani Safari neumí rozhraní, kterým se prohlížeč připojuje k zařízení.

Jak začít

1. Zapoj senzor k micro:bitu

   Podle tabulky u příslušného senzoru níže. Stejné schéma se ti vykreslí i přímo v aplikaci v levém sloupci, jakmile se micro:bit připojí — včetně barev vodičů.

2. Nahraj firmware — jednou za život desky

   V aplikaci klikni na Připojit micro:bit → Připravit micro:bit. Firmware se nahraje přímo z prohlížeče přes USB. Kdyby to nešlo, je vedle odkaz Stáhnout firmware (.hex) — soubor pak stačí přetáhnout na disk MICROBIT, který se objeví po připojení desky.

   Je to jeden soubor pro V1 i V2; deska si z něj sama vezme svou část a Bluetooth se zapne jen na V2.

3. Připoj se a měř

   Připojit micro:bit → USB kabel nebo Bluetooth, vyber desku v dialogu prohlížeče a zmáčkni START. Senzor si firmware pozná sám a aplikace rovnou ví, co kreslí a v jakých jednotkách.

Podporované senzory

Čtyři senzory, stejné jako v rozšíření Fyzikální senzory pro MakeCode, ze kterého FyzBit vychází. Čísla pinů odpovídají firmwaru — jsou pevná, nemusíš je nikde nastavovat.

1. Teploměr DS18B20

• Měří: teplotu
• Jednotky: °C, K, °F
• Rozsah: −55 až +125 °C
• Přesnost: ±0,5 °C
• Vzorkování: 1 Hz

Teplota kapalin i vzduchu vodotěsnou sondou. Měří na desetiny stupně a sonda snese ponoření — na chladnutí vody nebo tání ledu je to ten správný.

Uvnitř té nerezové jehly je digitální čidlo Dallas/Maxim, které si teplotu přepočítá samo a po sběrnici 1-Wire pošle rovnou stupně — jediným datovým vodičem, žádné analogové napětí se nikde nepřevádí. Proto se dá kabel natáhnout přes celou lavici, aniž by hodnota ujela.

Zapojení

Pin micro:bitu	Svorka čidla	Vodič
3V	VCC	červený
P0	DATA	žlutý nebo bílý
GND	GND	černý nebo modrý

Mezi DATA a VCC patří pull-up rezistor 4,7 kΩ. Bez něj čidlo nevrátí vůbec nic. Osvědčilo se připájet ho přímo k jedné krokosvorce a propojit s druhou — schová se do „punčochy“ a nikde se neutrhne; jak na to, ukazuje Rezistor schovaný v krokosvorce níže.

• Že rezistor chybí, poznáš podle hodnoty: čidlo hlásí −127 °C nebo +85 °C a ani se nehne.
• Vodotěsná je jen sonda, ne konektor. Do vody patří nerezový váleček a kus kabelu, ne konce s krokosvorkami.
• Izolace kabelu snese zhruba 100 °C. Ve vroucí vodě měř krátce a hlídej, ať se kabel neopírá o dno hrnce.

Jedno 12bitové měření trvá zhruba 750 ms, proto 1 Hz. Rychleji se ptát nemá smysl — vrátilo by se stejné číslo víckrát.

2. Siloměr a váha (tenzometr + HX711)

• Měří: sílu
• Jednotky: N, mN, kN
• Rozsah: do 20 kg ≈ 200 N
• Rozlišení: 24 bit
• Vzorkování: 10 Hz

Síla v newtonech tenzometrickým členem (běžně do 20 kg) s převodníkem HX711. Hodí se na Hookův zákon, tření, kladky i na obyčejné vážení.

Uvnitř hliníkového paprsku jsou nalepené tenzometry zapojené do můstku: když se paprsek pod zátěží nepatrně prohne, jedna dvojice se natáhne a druhá stlačí, a můstek se rozváží. Rozdíl napětí je tak malý, že se na něj nedá jen tak sáhnout — proto ten HX711 vedle. Zesílí ho a převede na 24bitové číslo, tedy přes milion dílků na celý rozsah.

Zapojení

Pin micro:bitu	Svorka modulu
3V	VCC
P0	DT (data)
P1	SCK (hodiny)
GND	GND

Stejné pady jako tlakoměr — DT a SCK jsou u obou modulů P0 a P1, protože uvnitř je stejný převodník. Připoj vždy jen jeden modul; dva na jedné sběrnici si navzájem přebijí data.

• Přetížení paprsek trvale ohne. Dvacetikilový snese zhruba 200 N; co se pověsí navíc, už se z ohybu nevrátí a čidlo měří natrvalo křivě. Žáky na to upozorni dřív, než se na siloměr někdo pověsí.
• Tenzometr má teplotní drift. Když se čidlo nese z chodby do vyhřáté třídy, chvíli počkej, než se srovná, a táruj znovu.
• Vadí mu silné elektromagnetické rušení — nepokládej modul na transformátor, motor ani na spuštěnou indukční plotýnku.

Samotný tenzometr se pájí na svorky E+, E−, A+, A− na druhé straně modulu. Po zapojení nezapomeň na táru — bez ní siloměr ukazuje vlastní hmotnost úchytu.

Úchyt z fotky je 3D tištěný a volně ke stažení. Paprsek i převodník v něm sedí napevno a ven kouká čtyřkolíková lišta (VCC, DT, SCK, GND) — použít se proto dá i mimo FyzBit, s Arduinem, ESP32 nebo Raspberry Pi úplně stejně jako s micro:bitem. Model siloměru na MakerWorldu je zdarma ke stažení.

3. Vzdálenost a rychlost (sonar HC-SR04)

• Měří: vzdálenost
• Dopočítá: rychlost, zrychlení
• Jednotky: cm, mm, m · m/s, km/h, cm/s
• Rozsah: 2–400 cm
• Přesnost: ±3 mm
• Vzorkování: 50 Hz

Poloha vozíčku, míčku nebo ruky ultrazvukem. Ze všech senzorů měří nejrychleji, protože pohyb je přesně to, co se z pomalých vzorků zrekonstruovat nedá.

Levý váleček vyšle krátký pulz o frekvenci 40 kHz, pravý čeká na ozvěnu a modul změří, jak dlouho to trvalo. Zvuk letí tam a zpátky, takže vzdálenost je čas × rychlost zvuku ÷ 2. Je to tedy měření času, ne délky — a je to přesně ten princip, kterým se orientuje netopýr.

Zapojení (čidlo míří od tebe)

Pin micro:bitu	Svorka modulu	Vodič
GND	GND	černý
P2	Echo	žlutý
P1	Trig	modrý
3V	VCC	červený

Některé kusy HC-SR04 chtějí 5 V. Když na 3V nic neměří, napájej modul z 5 V (a na Echo pin dej dělič napětí), nebo si pořiď variantu HC-SR04P, která na 3,3 V pracuje. Do školní sady rovnou kupuj HC-SR04P.

• Měkký cíl ozvěnu spolkne. Látka, molitan nebo svetr se neodrazí — na vozíček přilep kus kartonu nebo staré CD.
• Čidlo vidí do kužele užšího než 15° a cíl mu musí stát kolmo v cestě; šikmá plocha odrazí pulz stranou a hodnota vyskočí.
• Blíž než 2 cm sonar neměří. Nechej vozíčku na konci dráhy rezervu.

4. Tlakoměr HX710B

• Měří: tlak
• Jednotky: Pa, hPa, kPa, bar
• Rozlišení: 24 bit
• Vzorkování: 10 Hz

Tlak plynů i kapalin tlakovým čidlem s 24bitovým převodníkem. Na hydrostatický tlak vodního sloupce, na stlačování vzduchu ve stříkačce i na přetlak v nafouknutém balonku.

Uvnitř černé krabičky s trubičkou je tenká membrána a na ní zase tenzometry — funguje to tedy stejně jako siloměr, jen sílu na membránu dělá tlak vzduchu nebo vody. Proto má tlakoměr i stejný převodník a stejné dva piny; z pohledu micro:bitu je to skoro totéž čidlo.

Zapojení

Pin micro:bitu	Svorka modulu
3V	VCC
P0	OUT (data)
P1	SCK (hodiny)
GND	GND

Hadičku nasaď až po zapojení, ať v čidle nezůstane přetlak — jinak bude tára nulovat na křivou hodnotu.

• Použitelný rozsah je zhruba ±14 kPa kolem okolního tlaku, tedy asi ±1,4 m vodního sloupce. Neomezuje ho membrána, ale převodník — širší rozsah se mu do 24 bitů nevejde a hodnota se nahoře zastaví.
• Při prudké změně tlaku čidlo zaostává. U stlačené stříkačky odečítej až ustálenou hodnotu, ne špičku během stlačování.
• Hadičku od vodního sloupce veď tak, aby voda nemohla natéct do modulu — destička ani konektory vodotěsné nejsou.

Jednotku přepneš v čipu nad grafem kdykoli, i uprostřed měření: pro vodní sloupec se hodí kPa, pro jemné pokusy Pa. Absolutní číslo ale neber doslova — čidlo je manometrické, měří rozdíl proti okolí, a to, co ukazuje jako atmosférický tlak, je jen výchozí posun nastavený ve firmwaru. Zajímavý je průběh a rozdíl proti táře, ne hodnota sama. Na meteorologii to tedy není.

Propojovací vodiče

Senzory mají kolíkovou lištu, micro:bit velké pady s dírou. Mezi ně patří vodič, který má na jednom konci dutinku (Dupont F) a na druhém krokosvorku. Koupit se dá hotový, ale je to i vděčná práce do dílen — čtyři vodiče, hodina a pájka. Na workshopu si ho účastníci vyrobili sami.

Postup, který se osvědčil:

1. Připrav čtyři vodiče Dupont

   Vezmi čtyři propojovací vodiče s dutinkou (samice) na obou koncích a u každého jeden konec odstřihni. Půlit je nemá cenu — půlka je na propojení lavice krátká.

2. Odizoluj a pocínuj

   Konec vodiče i čelist krokosvorky. Pocínovaný spoj drží líp a nemusí se u něj dlouho hřát plast.

3. Navlékni punčochu — až teď

   Plastový obal krokosvorky se přes zapájený spoj už nepřetáhne. Tohle je krok, na který se zapomíná nejčastěji.

4. Připájej a punčochu natáhni přes spoj

   Ta pak drží spoj mechanicky a zabrání zkratu se sousedním vodičem.

5. Slož dutinky do jednoho čtyřřadého obalu

   Jednotlivé dutinky se dají z plastu vycvaknout a přendat. Lišta se pak nasazuje jedním pohybem a nejde nasadit posunutá.

6. Prozvoň to

   Než sada půjde mezi žáky. Studený spoj se pozná až ve chvíli, kdy měření nejde a hodina běží.

Rezistor schovaný v krokosvorce

Teploměr DS18B20 potřebuje mezi datovým a napájecím vodičem pull-up 4,7 kΩ. Skládat ho pokaždé na nepájivém poli je zdržení a v žákovských rukou to dlouho nevydrží. Jednodušší je připájet rezistor natrvalo do jedné z krokosvorek a schovat pod punčochu: navenek pak vypadá zapojení teploměru úplně stejně jako u ostatních senzorů a není co zapomenout.

Rychlost a zrychlení

U sonaru nabídne FyzBit kromě vzdálenosti i rychlost a zrychlení. Nejsou to další čidla — počítá je aplikace ze vzdálenosti, a to proložením polynomu klouzavým oknem (0,3 s pro rychlost, 0,8 s pro zrychlení).

Proč tak složitě: prostý rozdíl dvou sousedních vzorků je u signálu kvantovaného na celé centimetry šum větší než užitečná informace. Proložení ten šum zprůměruje, ale — na rozdíl od klouzavého průměru — neposune křivku v čase, takže vrchol rychlosti sedí přesně tam, kde má proti průběhu polohy být. To je právě to, co má na grafu být vidět.

Obě odvozené veličiny jsou po připojení vypnuté — to podstatné je změřená veličina. Zapneš je kliknutím na jejich čip nad grafem. Zrychlení je ze tří křivek nejzašuměnější; druhá derivace šum zesiluje a víc, než kolik dovolí rozlišení sonaru, z ní nedostaneš.

Velké číslo nahoře i hodnoty v čipech ukazují průměr za poslední půlsekundu a mění se dvakrát za sekundu. Sonar posílá 50 vzorků za sekundu a číslo, které se tak často přepisuje, se nedá přečíst. Graf kreslí každý vzorek, takže rychlé děje hledej v něm.

Tára a kalibrace

Tára (vynulování)

Tlačítko TÁRA nastaví aktuální stav jako nulu. U siloměru tím odečteš hmotnost háčku a misky, u tlakoměru okolní atmosférický tlak — pak měříš přetlak nebo podtlak proti okolí. U sonaru si nulu dáš třeba do rovnovážné polohy kyvadla a vzdálenost pak ukazuje výchylku na obě strany; nulou se stane průměr za poslední půlsekundu, takže nech předmět chvilku v klidu. Stačí zmáčknout jednou, i za běhu měření. Teploměr se nenuluje.

U sonaru a tlakoměru je vedle i tlačítko Zrušit táru. Vrátí hodnotu, jakou čidlo ukazovalo před tárováním — u sonaru vzdálenost od čidla, u tlakoměru tlak tak, jak ho deska hlásí po zapnutí. Starší firmware tohle u tlakoměru neumí; aplikace to pozná a řekne, ať ho nahraješ znovu (Připojit micro:bit → Připravit micro:bit).

Kalibrace

Tlačítko Kalibrovat otevře průvodce: vybereš veličinu, připravíš známou referenci (závaží, tabulkovou hodnotu, změřenou vzdálenost) a zadáš její skutečnou hodnotu. Micro:bit z toho spočítá nový kalibrační faktor a rovnou ho ohlásí zpět.

Firmware je předkalibrovaný, takže kalibrace obvykle není potřeba — sáhni po ní, když měření zjevně neodpovídá realitě. Kdyby nový faktor vyšel výrazně mimo obvyklý rozsah, průvodce na to upozorní: skoro vždycky to znamená překlep v referenční hodnotě nebo špatně zapojené čidlo.

Grafy a jednotky

• Víc měření v jednom grafu. Zmáčkni Uložit a pak Nové měření. Uložené běhy zůstanou vykreslené, takže jde porovnat pokus s pokusem. Zaškrtávátkem u každého se dá skrýt.
• Poznat, která křivka je která, jde i bez barev: každá veličina má vlastní typ čáry a každé měření vlastní tvar značky. Stejný klíč je vidět v čipech nad grafem i v seznamu měření.
• Jednotky se přepínají v čipu u názvu veličiny. Přepnutí je čistě zobrazovací — v datech je pořád základní jednotka z firmwaru, takže změna uprostřed měření nemůže nic pokazit.
• Statistiky výběru: tažením myší přes graf vybereš úsek a pod grafem se objeví minimum, maximum, průměr, medián a Δ.
• Anotace: podrž A a klikni do grafu (nebo zmáčkni Shift+A) a označíš okamžik popiskem — „přidal jsem závaží“, „otevřel jsem ventil“. Anotace se exportují spolu s daty.
• Tabulka: tlačítko Tabulka nad grafem ukáže naměřené hodnoty jako text. Hodí se na promítání i pro toho, kdo z křivky čísla nepřečte.

Export dat

• CSV — všechna měření a všechny vzorky, oddělovač středník a desetinná čárka, takže se to v českém Excelu otevře správně napoprvé. Anotace se ukládají do druhého souboru.
• PDF — hotový protokol o měření: třída, jména žáků, název pokusu, graf, tabulka statistik a poznámky. Vyplněná hlavička se pamatuje, takže se při dalším exportu nemusí psát znovu.
• PNG — samotný obrázek grafu, na prezentaci nebo do sešitu.

Všechno vzniká v prohlížeči a rovnou se stahuje — nic neprochází přes žádný server.

Tlačítka na micro:bitu

Deska se dá ovládat i sama o sobě, bez ruky na klávesnici — což se hodí, když stojíš u pokusu na druhém konci stolu. Firmware je pro obě verze desky stejný, takže tlačítka fungují na V1 i V2 úplně stejně.

Co ukazuje displej. Po přepnutí čidla se krátce ukáže písmeno měřené veličiny — T teplota, F síla, D vzdálenost, P tlak. Deska V2 navíc ukáže fajfku ✓ ve chvíli, kdy se připojí přes Bluetooth, a křížek ✗, když se spojení přeruší.

Klávesové zkratky

Řešení problémů

Vztah k rozšíření pro MakeCode

FyzBit vychází z rozšíření Fyzikální senzory pro micro:bit — stejný autor, stejná čidla, stejné zapojení. Rozdíl je v tom, kde se pracuje:

Obojí se dá používat vedle sebe. Jen pozor: firmware FyzBitu přepíše to, co je v desce nahrané teď — pro návrat k vlastnímu programu ho z MakeCode prostě nahraj znovu.

Autor a licence

FyzBit vytvořil Ondřej Bek pro výuku fyziky na základní škole. Kód je otevřený pod licencí MIT — na GitHubu je celý, včetně firmwaru. Podrobný seznam použitých knihoven je na stránce Licence a knihovny.

Nápady, chyby a připomínky ze třídy jsou vítané — GitHub Issues nebo ondrejbek8@gmail.com.