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 Einführung und Zusammenfassung Bearbeiten

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Im Im Rahmen der Lehrveranstaltung „Physical Computing im Wintersemester 2015/16“ wurde Arduino Uno genauer betrachtet.

§        Ziel dieses Projektes ist, ein Projekt fuer Schueler zu entwickeln, durch das sie die Programmierung mit Snap4Arduino erlernen können, sowie  auch den Umgang mit Infrarot-Sensor und Arduino UNO. Sensorische Leuchte besteht aus drei Komponenten, einen Infrarot Abstandssensor, ein Arduino UNO-Mikrocontroller Bord, drei farbige LED (RGB) inklusiv elektronische Bauteile und Schaltung. Diesen Komponenten werden in Lehrinhalt genauer betrachtet.

Sensorische Leuchte Funktion:

Innerhalb dieses Projekts sollen SuS mit Hilfe Infrarot Sensor,Arduino UNO, RGB LED und das Programm Snap4Arduino, eine Sensorische Leuchte bauen und programmieren.

Die Sensorische Leuchte kann durch Bewegungen unterschiedliche Materialen ein –und ausgeschaltet werden.

Die Besonderheit der Sensorische Leuchte  liegt darin, dass die Farbe der Leuchte sich ändert, wenn ein Gegenstand in verschiedene Abstände zum Sensor-Modul hin und her bewegt und außerdem  je nach Farbe ein spezifischer Sound abgespielt wird.

Konzept - LehrinhaltBearbeiten

Funktionsweise der Komponenten: Bearbeiten

1.  Infrarot Abstandssensor: In Hardware ist es manchmal hilfreich, einen Abstand zu einem anderen Objekt (z.B. einer Wand) kontaktlos messen zu können, denn kein Kontakt bedeutet (im Idealfall) kein Verschleiß, sowie eine Beeinflussung der zu messenden Gegenstände.

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Der abgebildete Abstandssensor 2Y0A02 von Sharp basiert auf dem sogenannten Triangulationsverfahren, um Abstände zu bestimmen.

PSD (eng. Position Sensitive Detector): Ein Sensor, der die eindimensionale Position eines Lichtflecks bestimmt.
Funktioniert ähnlich wie eine Fotodiode, nur eben mit dem Unterschied, dass die Ausgangsspannung mit dem Abstand des Lichtpunktes zum Referenzbereich (Nullpunkt) ansteigt, also je weiter sich das Objekt entfernt, desto weiter verschiebt sich der fokussierte Lichtfleck.

Vorteile:

·    Rückwirkungsfreie und verschleißfreie Messung

·    Günstig: einfache Funktionsweise

·     Schnelle Messung

Der Sensor kann ganz einfach über eine 5V Eingangsspannung betrieben werden. Weil durch die interne Taktung der IR-Led Störimpulse auftreten können, empfiehlt es sich, einen zusätzlichen Filterkondensator davor zusetzen. (Kapazität sollte ungefähr 1-10µF betragen)

Am analogen Ausgang liegt je nach Entfernung (10 – 80cm) eine Spannung von 2.3 – 0.4V an.

Mit der Formel Entfernung (in cm) = (3027.4/analog-Spannung)^ 1.2134 wird der am analogen Port gemessene Spannungswert in eine Entfernung umgewandelt, die Angabe erfolgt in cm.

2. Drei farbige LED (RGB): Eine RGB-LED sind 3 LEDs in einem Gehäuse. Die LEDs haben die Farben Rot, Gelb und Blau – daher auch der Name RGB-LED  Prinzipiell gibt es RGB in zwei verschiedenen Ausführungen. Es gibt RGB-LEDs mit gemeinsamer Kathode, bzw. mit gemeinsamer Anode.
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Die Anode einer LED ist der Anschluss, an der der Plus-Pol angeschlossen werden muss, um die Diode in Durchlassrichtung zu schalten.

Bei einer RGB-LED mit gemeinsamer Anode muss also die entsprechende Kathode der gewünschten Farbe mit dem Minuspol verbunden werden.

Bei einer RGB-LED mit gemeinsamer Kathode muss eben die entsprechende Anode der gewünschten Farbe mit de Pluspol verbunden werden.

Auch hier gilt wie bei normalen LEDs: Nie den Vorwiderstand vergessen !

Den gemeinsamen Anschluss einer RGB-LED erkennt man daran, dass dieser gemeinsame Anschluss ein längeres Beinchen hat, im Vergleich zu den anderen Anschlüssen.

In der schematischen Ansicht einer RGB-LED sieht man sehr gut, wie die drei LEDs zusammengeschaltet sind.

Der Aufbau der Schaltung: Die gemeinsame Anode der gewählten RGB-LED wird mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden. Anschließend werden die drei LED-Anschlüsse jeweils über einen geeigneten Vorwiderstand mit einem Portpin auf dem Arduino-Board verbunden.

Farbmischung mit der RGB-LED: Nun ist es aber langweilig, nur die drei möglichen Farben ein- bzw. auszuschalten. Eine RGB-LED kann man nämlich nutzen, um weitere Farben darzustellen. Man wählt hierzu ein geeignetes Mischungsverhältnis der Farben..

3. Arduino UNO-Mikrocontroller Bord:

IR Sharp Connect

Das Arduino Uno Board verfügt über 6 analoge Eingänge. Die 14 digitalen Pins des Arduino Uno Board können sowohl als digitale Eingabe- als auch als digitale Ausgabeanschlüsse verwendet werden. 6 Pins (Pins 3, 5, 6, 9, 10 und 11) können darüber hinaus auch als analoge Ausgänge verwendet werden, indem ein 8-Bit-Wert zwischen 0 und 255 mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) ausgegeben wird, diese Pins sind mit einem Wellensymbol (~) markiert.

Außer­dem ist kein Trei­ber mehr not­wen­dig und das Board wird vom Rech­ner als "Arduino" erkannt, da die Boards jetzt eine eigene USB ID bekommen haben. Hier ist ein Überblick:

Bei der Bearbeitung und Entwicklung der Sensorische Leuchte  können die Schüler ihr Vorwissen aus der Mathematik und Physik Unterricht anwenden. Gleichzeitig  können die SuS  im Kunstunterricht  ein Rahmen für die Leuchte designen und gestalten.

Voraussetzungen und Kompetenzen Bearbeiten

  • Vorwissen:  Es wäre von Vorteil,  wenn die SuS mit Scratch, S4A und  Arduino Boards Erfahrung haben und die Grundkenntnisse über

- Elektronische Bauteile

- Aktoren und Sensoren

- Analog und digital Pins

- Mikrocontroller

und das Programm Snap4Arduino haben.

Als Grundlage für dieses Projekt sollte das Programm Snap4Arduino auf dem Rechner installiert werden und ein Arduino Uno wird benötigt.

Die Zielgruppe ist ein  Alter von 15 Jahren.

RessourcenBearbeiten

Für dieses Projekt werden folgende Baumaterial benötigt: 

Materiale

Anzahl

Alternativen
1 Ikea Grono   1
2 Arduino Uno 1
3 Kondensator 100 Mikro-Farad 1
4 Überbrückungskabel Infrarot-Sensor (jst drei Pin) 1
5 Infrarot-Abstandssensor 1
6 Stiftleiste 1
7 LED RGB (mit Fähigkeit von 350 MilliAmper) 1
8 Abfallmaterial     1
9 NPN Transistor 3
10 Widerstand von 200 Ohm, 1,4 Watt 3
11 Widerstand von 68 Ohm, 1,4 Watt 3
12 Widerstand von 100 Ohm, 1,4 Watt 1
13 Widerstand von 9 Ohm, 4 Watt 1 18 Ohm, 2W (Parallel)
14 Widerstand von 6 Ohm, 1,2 Watt  1 3 Ohm, 0.6W (Serie)
15 USB Kabel (1,8 M) 1
16 Wand-Ladegeräte USB (5V, 1MA) 1
17 Leiterplatte (Mindestens 8-12 cm)  1
18 Kupferband 3,5 bis 8,5 cm 4

Die voraussichtliche Gesamtkosten beträgt ca. 45 €.

Das  Projekt kann auf allen Rechnern mit verschiedenen Betriebssystemen durchgeführt und bearbeitet werden.

Für das Fertigstellen des Projekts wird maximal vier Tage eingeschätzt (Variabel nach Auffassungsvermögen und Schnelligkeit der Schüller), dabei beansprucht der Werte Eingabe für den Infrarot-Sensor bei Programmieren mit Snap4Arduino am meisten Zeit. 

Dafür benötigen die Lehrer und Schüler die Snap4Arduino.</p>

Durchführung im Unterricht bzw. Lernlabor / Workshop - LehrmaterialBearbeiten

Innerhalb dieses Projekts sollen die SuS die folgende Fragen beantworten:

1. Kann man bei Snap4Arduino Musik in die Media Library  importieren?

2. Wie kann ein Titel durchgehend spielen, und sich nur ändern wenn man die Farbe ändert?

3. Was sind PWM Pins?

4. Was ist der Unterschied zwischen PWM und digital pins?

5. Wie kann man einen Block in Snap4Arduino hinzufügen?

  • evtl. Arbeitsblätter
  • Mein Projekt4
Schaltungsaufbaut Sensor - Arduino UNO- RGB LED

Beispiel einer Umsetzung - PrototypBearbeiten

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Widerstände, Transistoren, USB Kabel, LED RGB

und Kondensator

Arduino UNO unpacked

Ein Arduino Uno Board mit 6 analoge Eingänge. Die 14 digitalen Pins des Arduino Uno können sowohl als digitale Eingabe- als auch als digitale Ausgabeanschlüsse verwendet werden.

6 Pins (Pins 3, 5, 6, 9, 10 und 11) können darüber hinaus auch als analoge Ausgänge verwendet werden, indem ein 8-Bit-Wert zwischen 0 und 255 mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) ausgegeben wird, diese Pins sind mit einem Wellensymbol (~) markiert

GP2Y0A02YK0F-pinout

Ein Infrarot Abstandssensor GP2Y0A02 

Grono
Ein Ikea Grono  
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Alle Materiale (Widerstände, Transistoren, LED RGB, Kondensator)

Werden auf dem Steckbrett (Leiterplatte) einstecken.

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Hier wurden die Pins 10, 11, 13 als digital Ausgänge verwendet.

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Gelbe Überbrückungskabel
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Die Rote Überbrückungskabel: +

Die Schwarze Überbrückungskabel: -

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Der Infrarot Sensor (GND, 5V Eingangsspannung,

Eingang  analog ( A0 - A5)) wird  mit dem Arduino UNO Board verbunden.

Screenshot (75)

Mehreren Blocke zusammen gleichzeitig ausführen. 

Screenshot (79)
Steuerungs-Blöcke sind die gelben Blöcke ZB. :

- falls () — Testet die Bedingung. Ist sie wahr, werden die eingeklammerten Blöcke ausgeführt.

- falls (), sonst — Testet die Bedingung. Ist sie wahr, werden die Blöcke in der ersten Klammer ausgeführt. Ist die Bedingung falsch ist, werden die Blöcke in der zweiten Klammer ausgeführt.

- lösche diesen Klon — Löscht den Klon, der dieses Skript ausführt.

- stoppe () — Stoppt je nach auswahl das Skript, in dem es sich befindet, andere Skripte der Figur oder alles.

- wiederhole bis () — Eine Schleife, die stoppt, wenn die Bedingung erfüllt ist.

- wiederhole fortlaufend — Eine Schleife, die von selbst nie endet.

- warte () Sek. — Pausiert das Skript für eine bestimmte Zeit.

- warte bis () — Pausiert das Skript bis die Bedingung erfüllt ist.

Screenshot (76)

Das Fortlaufend Block ist ein Steuerblock. Die Blöcke innerhalb dieses Blocks werden wiederholt. 

Screenshot (77)

Dieser Block dient dazu, dass bestimmte Befehle ausgeführt werden,

 wenn die Bedingung erfüllt ist und andere Befehle, wenn sie nicht erfüllt ist.

Screenshot (82)

Lese die analog Pin (A0, A1, A2, A3, A4, A5).

Setze die digital Pin auf ZB. 10, 11, 13.

Screenshot (89)

  Es gibt in diesem Block viele verschiedene Operatoren (Logik, Arithmetik..).

Screenshot (89) - Kopie

() < () — Gibt an, ob der erste Wert kleiner ist, als der zweite. Bearbeiten

() > () — Gibt an, ob der erste Wert größer ist, als der zweite

() und () — Beide Bedingungen müssen wahr sein,

dass dieser Block "wahr" zurückgibt.

() oder () — Nur eine der zwei Bedingungen muss wahr sein,

dass dieser Block "wahr" zurückgibt.

Screenshot (82) - Kopie

Mit diesem Befehl wird die elektronische Schaltung mit dem Programm

Der USB Kabel stellt eine Verbindung zwischen Arduino UNO Board und PC her.

Snap4Arduino verbunden.

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Mit Computer verbinden

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jetzt ausführen.

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Zwei Sensorische Leuchte, eine mit löten und andere ohne löten.

ReflexionBearbeiten

Es bestehen keine Schwierigkeiten um das Projekt zu beenden. Die SuS können mit ein bisschen Geduld dieses Projekt aufbauen un am Ende ausführen. Alle

vorgestellten Ziele können am Ende realisiert werden. In dem folgenden Video kann die Funktionstüchtigkeit betrachtet werden.

Luminch One

Luminch One

Erweiterungsmöglichkeiten und weiterführende Themen                                         Bearbeiten

Es gibt viele Möglichkeiten, um dieses Projekt zu erweitern.

Zum Beispiel:

- Am Ausgänge:

- den Servo-Gelenksteuerung anschließen

- Drehzahl Veränderung der kleinen Gleichstrom Motoren

- Steuerung von Hochleistungstransistoren

- Am Eingang:

- Potenziometer

- Photoresistor

- Schalter

- Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Akustik  und Helligkeitssensoren

- WLAN und Bluetooth Empfangsmodulen