Modellbauservo. Station 1. Was ist ein Servo?

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1 Station 1 Modellbauservo Bei Flug,, Schiffs oder Automodellen müssen Klappen, Ruder und Lenkung über die Fernsteuerung gezielt und schnell in ihrem Winkel verändert wer- den. Die dazu benutzen sogenannten Servos können aber auch zusammen mit einem Mikrocontroller gut und einfach genutzt werden. Was ist ein Servo? Allgemein bezeichnet das Wort "Servo" technische Anordnungen, in denen ein Antrieb direkt mit einer Steuerungsanlage verbunden ist wie z.b. in einer Servolenkung. Auch im Modellbauservo ist eine Steuerungsanlage enthalten eine Elektronik, die die von der Fernbedienung bzw. vom Mikrocontroller kommenden Signale in eine Winkelstellung der Achse umsetzt. Auffälligstes Merkmal eines Servos ist, dass sich eine Achse, sie wird Servohorn genannt, nicht um 360 drehen lässt. Der Drehbereich umfasst meist nur etwa 180 bis 240. Innerhalb dieses Bereichs können Winkel aber sehr präzise und gezielt angefahren werden. Bildquelle oben: BobMacInnes, flick.com, cc by 2.0; unten: stevendepolo, flickr.com, cc by 2.0;

2 1: Modellbauser- Schritt 1: Anschließen Aus einem üblichen Modellbauservo sind drei Anschlusskabel herausgeführt: Zwei davon sind für die Stromversorgung (rot = Plus, schwarz oder braun = Minus). Er erwartet bei Stromstärken bis zu 200 ma eine Spannung von 6V. Stellen Sie die Spannung des Netzteils also unbedingt auf diesen Wert ein, bevor Sie den Servo mit dem roten Kabel an VIN und dem schwarzen oder braunen an VSS anschließen. Verbinden Sie das dritte Kabel (zumeist gelb, orange, ocker oder grün) mit einem Pin des Mikrocontrollers, zum Beispiel mit Pin 5. Über diese Steuerleitung erhält der Servo die Information, welchen Winkel er anfahren soll. Die Information wird ihm als Pulsbreite mitgeteilt. Wie erfolgt die Informationsübertragung mittels Pulsbreiten? Als Information, ob und in welche Richtung sich das Ruderhorn des Servos drehen soll, benötigt die Servoelektronik eine Information über den Zielwinkel. Diese Information erhält er als Länge eines sogenannten positiven Pulses. Positiver Puls bedeutet, dass der Mikrocontroller die Steuerleitung für eine gewisse Zeit von low auf high und danach wieder zurück auf low schaltet. Ist die Leitung 1000µs lang high, bedeutet dies für den Servo, dass er sich in Richtung des rechten Anschlags zu drehen hat - eine Pulsdauer von 2000µs steht für den linken Anschlag. Pulsdauern dazwischen, z.b. 1300µs, geben also zielgenau Winkel zwischen dem linken und dem rechten Anschlag an.

3 1: Modellbauservo Wie sendet man einen Puls? Bei der BS1 kann man mit Hilfe der Anweisung PULSOUT gezielt Pulse aussenden, nachdem man den Pin zuvor auf Output und auf "low" gesetzt hat: OUTPUT 5 PIN5 = 0 PULSOUT 5, 130 Pin, auf dem der Puls gesendet werden soll. Er wird sicherheitshalber direkt vorher auf low gesetzt. Dauer des Pulses in einer Einheit von 10µs. Der Puls muss wiederholt werden! Nach jedem Puls dreht der Servo das Ruderhorn etwa 20ms lang in Richtung des Zielwinkels. Dann bleibt der Servo stehen, selbst wenn der Zielwinkel noch nicht erreicht sein sollte. Möchte man sich also sicher sein, dass der Zielwinkel vom Servo wirklich erreicht wird, gibt es zwei Techniken: Die eine Technik setzt auf eine FOR-NEXT- Schleife: Wenn man den Puls im Abstand von jeweils etwa 20ms etwa 20 mal wiederholt, ist das genügend Zeit, damit der Servo auch von einer Extremstellung aus das andere Extrem erreicht. Man kann sich also sicher sein, dass er am Ende dieser Schleife an der gewünschten Position steht. PIN5 = 0 FOR B1=0 TO 20 PULSOUT 5, 1 PAUSE 18 NEXT In vielen Programmen gibt es ohnehin eine Schleife, in der dauerhaft z.b. der Zustand von Sensoren abgefragt und verrechnet wird. Man kann sich - das ist die zweite Technik - also leicht ein Unterprogramm schreiben, das den Servo auf eine Position setzt, die man vorher z.b. in die Variable B0 fest einspeichert. Dieses Unterprogramm, z.b. so wie links abgebildet, ruft man dann aus der Schleife heraus immer wieder einmal mit der Anweisung GOSUB start:... B0=130 GOSUB Servo... GOSUB Servo... GOTO start Servo: PIN5=0 PULSOUT 5,B0 RETURN (nicht mit GOTO) auf. Am Ende der Ausführung des Unterprogramms, also bei der Zeile RETURN, setzt die Basic Stamp dann das Programm wieder an der Stelle in der Schleife fort, an der es verlassen wurde.

4 1: Modellbauservo Aufgabe: Schreiben Sie ein Programm, das bei einem Druck auf den Taster die Klingel läuten lässt. Zusatzaufgabe: Verändern Sie das Programm so, dass sich der Hammer nur dann in Richtung Läuten bewegt und schließlich läutet, solange man den Taster gedrückt hält. Lässt man den Taster los, bewegt sich das Ruderhorn in Richtung Ausgangslage zurück. Mit etwas Gefühl kann der Benutzer des Tasters so die Glocke auch doppelt oder dreifach anschlagen. Zur Erinnerung: Anschluss eines Schalters an die BS1 Ist ein Pin der BS1 mit Hilfe von INPUT als Eingang konfiguriert, kann man den Zustand über die zugehörige Variable zum Beispiel in Bedingungen wie IF PIN4=1 THEN nutzen. Die Variable kann dabei nur die Werte 0 oder 1 annehmen, je nachdem ob der Pin mit VSS oder mit VDD verbunden ist. Wenn der Pin nicht mit einem dieser beiden Potentiale verbunden ist, ist der Zustand undefiniert und zufällig 0 oder 1. Schließt man einen zweipoligen Taster oder Schalter an einen Pin an, kann er im geschlossenen Zustand eine der beiden benötigten Verbindungen herstellen im geöffneten Zustand allerdings ist der Pin mit keinem Potential verbunden. Um dies zu vermeiden, schließt man den Pin über einen Widerstand an das andere Potential an, wie es die rechte Abbildung zeigt. Der Widerstand wird dann als Pull-up oder Pull-down-Widerstand bezeichnet - ein geeigneter Widerstandswert ist z.b. 10 kohm. Falsch: Richtig:

5 Wenn sich diese Zahnräder einigermaßen schnell, drehen sehen sie für den Betrachter wie runde Zahnräder aus. Ihre außerge- wöhnliche eckige Form wird erst sichtbar, wenn man die Drehzahl langsam reduziert. Dazu benötigt man einen Motor, der sich Station 2 Servo als Motor vom Mikrocontroller aus in seiner Drehzahl gezielt beeinflussen lässt. Den kann man sich aus einem handelsüblichen Modellbauservo leicht selbst herstellen. Was ist ein Modellbauservo? Modellbauservos sind die Motoren, die in Modellfugzeugen, -schiffen oder autos die Klappen, Ruder und Lenkungen bewegen. Ihr auffälligstes Merkmal ist, dass sich ihre Achse - meist wird sie als Servohorn bezeichnet - nicht um 360 drehen lässt. Dafür können sie aber Winkel, die sie vom Mikrocontroller über eine einzige Steuerleitung mitgeteilt bekommen, gezielt ansteuern. Neben der Steuerleitung benötigt ein Servo nur zwei weitere Anschlüsse zur eigenen Stromversorgung. Wie funktionieren Servos? Im Inneren beinhalten Servos einen ganz gewöhnlichen Motor, der das Servohorn über ein Getriebe antreibt. Ferner beinhalten sie eine eigene Elektronik, die den Motor ansteuert. Dazu benötigt sie neben der Information über die gewünschte Winkelstellung des Servohorns auch die aktuelle Winkelstellung. Diese wird mit einem Potentiometer (durch Drehung veränderlicher Widerstand, siehe Station 11) erfasst.

6 2: Servo als Motor Die Grundidee für den Umbau zum Motor Die Elektronik in einem Servo dreht den Motor immer in Schritten von 20ms Dauer. Ist die Differenz zwischen gewünschtem Winkel und tatsächlichem Winkel groß, wird der Motor mit seinr Maximalgeschwindigkeit in die entsprechende Richtung gedreht. Genügen 20ms nicht, wird er eben erneut 20ms lang gedreht. Dabei wird die Differenz kleiner, der Motor wird also für die nächsten 20ms langsamer gedreht. Je kleiner die Abweichung vom Zielwinkel ist, desto langsamer wird der Motor jeweils für die nächsten 20ms, um nicht über den Zielwinkel hinaus zu drehen. Der Trick ist nun, die Elektronik nicht länger den tatsächlichen Winkel des Servohorns messen zu lassen, sondern ihr einen Winkel, z.b. die Mittelstellung von 90, vorzugaukeln. Wünscht der Mikrocontroller nun einen Zielwinkel von 91, wird die Elektronik den Motor nur sehr langsam drehen. Wünscht er sich aber einen Zielwinkel von 150, 160 oder 170 Grad, wird die Elektronik den Motor jeweils mit Maximalgeschwindigkeit drehen. Wie funktioniert der Um- 1 bau? 2 Der Servo an dieser Station ist bereits umgebaut. Der Umbau erfordert nur wenige Schritte und ist in einer Viertelstunde erledigt. 1. Die Schrauben lösen, vom Servo lassen sich nun Boden und Getriebekappe abnehmen. 2. Oft gibt es im Getriebe ein Zahnrad mit einem Steg, der die Drehung des Servos um 180 verhindert. Diesen scheidet man einfach heraus Das Potentiometer findet man, nachdem man von unten die die Elektronik ggf. mit Motor heraus genommen hat. 4. Das Potentiometer muss man unbedingt möglichst genau in Mittelstellung bringen, bevor man die Achse so kurz abscheidet, dass es vom Servorhorn nicht mehr mitgedreht werden kann. 5. Nun alles wieder zusammen setzen - und: fertig!

7 2: Servo als Motor Schritt 1: Anschließen des Servos Aus einem üblichen Modellbauservo sind drei Anschlusskabel herausgeführt: Zwei davon sind für die Stromversorgung (rot = Plus, schwarz oder braun = Minus). Er erwartet bei Stromstärken bis zu 200 ma eine Spannung von 6V. Stellen Sie die Spannung des Netzteils also unbedingt auf diesen Wert ein, bevor Sie den Servo mit dem roten Kabel an VIN und dem schwarzen (oder braunen) an VSS anschließen. Verbinden Sie das dritte Kabel (zumeist gelb, orange, ocker oder grün) mit einem Pin des Mikrocontrollers, zum Beispiel mit Pin 5. Über diese Steuerleitung erhält der Servo die Information, welchen Winkel er anfahren soll - und wird als umgebauter Servo also mit höherer oder niedrigerer Drehzahl drehen. Die Information wird ihm als Pulsbreite mitgeteilt. Wie erfolgt die Informationsübertragung mittels Pulsbreiten? Die Information, zu welchem Ziel sich das Ruderhorn des Servos drehen soll erhält die Servoelektronik als Länge eines sogenannten positiven Pulses. Positiver Puls bedeutet, dass der Mikrocontroller die Steuerleitung für eine gewisse Zeit von low auf high und danach wieder zurück auf low schaltet. Ist die Leitung 1000µs lang high, bedeutet dies für den Servo, dass er sich in Richtung des rechten Anschlags zu drehen hat - eine Pulsdauer von 2000µs steht für den linken Anschlag. Der umgebaute Servo wird sich bei Pulsdauern von etwa 1500µs nicht oder nur kaum drehen, bei etwas kürzeren Pulsen dreht er langsam nach rechts, bei etwas längeren Pulsen langsam nach links.

8 2: Servo als Motor Wie sendet man einen Puls? Bei der BS1 kann man mit Hilfe der Anweisung PULSOUT gezielt Pulse aussenden, nachdem man den Pin zuvor auf Output und auf "low" gesetzt hat: OUTPUT 5 PIN5 = 0 PULSOUT 5, 130 Pin, auf dem der Puls gesendet werden soll. Er wird sicherheitshalber direkt vorher auf low gesetzt. Dauer des Pulses in einer Einheit von 10µs. Der Puls muss wiederholt werden. Da die Servoelektronik den Motor nach einem Puls stets nur 20ms lang dreht, müssen also immer wieder neue Pulse erfolgen, um den Motor am Drehen zu halten. Dazu gibt es zwei Techniken: In vielen Programmen gibt es ohnehin eine Schleife, in der dauerhaft z.b. der Soll sich der Motor nur kurz drehen, kann man z.b. eine FOR-NEXT- Schleife verwenden, die etwa alle 20ms einen Puls sendet. Zustand von Sensoren abgefragt und verrechnet wird. Man kann sich - das ist die zweite Technik - also leicht ein Unterprogramm schreiben, das den Servo auf eine Position setzt, die man vorher z.b. in die Variable B0 fest einspeichert. Dieses Unterprogramm, z.b. so wie links abgebildet, ruft man dann aus der Schleife heraus immer wieder einmal mit der Anweisung GOSUB (nicht mit GOTO) auf, nachdem man die gewünschte Pulsdauer in die Variable B0 geschrieben hat. Am Ende der Ausführung des Unterprogramms, also bei der Zeile RETURN, setzt die Basic Stamp dann das Programm wieder an der Stelle in der Schleife fort, an der es verlassen wurde. PIN5 = 0 FOR B1=0 TO 20 PULSOUT 5, 1 PAUSE 18 NEXT start:... B0=130 GOSUB Servo... GOSUB Servo... GOTO start Servo: PIN5=0 PULSOUT 5,B0 RETURN Aufgabe: Schreiben Sie ein Programm, das das viereckige Getriebe zunächst schnell laufen lässt, so dass es (fast) wie ein Getriebe aus gewöhnlichen Zahnrädern aussieht. Dann soll es langsamer werden, schließlich kurz anhalten (dazu kann man einfach keine Pulse senden) und sich dann allmählich wieder in die andere Richtung beschleunigen.

9 Station 3 Schrittmotor Gewöhnliche Elektromotoren sind manchmal schon mit sehr einfachen Drehaufgaben überfordert. Eine solche Aufgabe ist es, das abgebildete Vexierbild alle 5 Se- kunden exakt um 180 Grad zu wenden, so dass es in diesem Takt entweder die ältere Dame oder die junge Prinzessin zeigt. In der Theorie wäre das nicht schwierig: Der Motor muss nur immer wieder für genau die Zeit einge- schaltet werden, die er für eine 180-Grad Drehung benötigt. In der Praxis wird man feststellen, dass sich die Achse dennoch nicht immer um den gleichen Winkel drehen wird. Für genau diese Win- kelgenauigkeit gibt es Schrittmotoren. Was ist ein Schrittmotor? Schrittmotoren drehen ihre Achse nicht kontinuierlich, sondern eine richtige Ansteuerung vorausgesetzt immer Schritt für Schritt. Jeder Schritt hat dabei einen exakt festgelegten gleichen Winkel, je nach Bauart des Schrittmotors zwischen 1,8 und 60. Schrittmotoren müssen für eine ganze Umdrehung also zwischen 6 und 200 Schritte einzeln von einem Mikrocontroller angewiesen bekommen. Sehr kleine Schrittmotoren werden als präzise Stellelemente zum Beispiel zur Positionierung des Lesekopfes in DVD-Playern verwendet, größere findet man an industriellen CNC-Fräsen oder in Industrierobotern. Der hier verwendete Schrittmotor hat eine mittlere Größe. Bildquelle Vexierbild: unbekannter Künstler

10 3: Schrittmotor Unipolare und bipolare Schrittmotoren Technisch unterscheidet man unipolare Schrittmotoren mit fünf oder sechs Anschlusskabeln von bipolaren Schrittmotoren, die typischerweise vier Anschlüsse haben. Sie sind im Inneren etwas unterschiedlich aufgebaut und müssen von einem Mikrocontroller unterschiedlich angesteuert werden. Der hier verwendete Schrittmotor ist bipolar und lässt sich vom Mikrocontroller aus besonders leicht mit Hilfe des Motortreiber-ICs L293d ansteuern. Wie funktioniert ein bipolarer Schrittmotor? Im Inneren beinhaltet ein bipolarer Schrittmotor im einfachsten Fall zwei hufeisenförmige Elektromagnete. Oft ist der eine Hufeisenmagnet mit dem weißen und dem gelben Anschlusskabel verbunden, der andere mit rot und blau. Zwischen den Hufeisen-Elektromagneten befindet sich die Achse, an der ein starker Permanentmagnet befestigt ist. Er wird von den magnetischen Kräften der Elektromagnete in die gewünschte Position gedrückt und dreht dabei dann die Achse mit. Der Trick bei der Ansteuerung des Schrittmotors ist es nun, die Elektromagnete in der richtigen Reihenfolge ein-, aus und umzuschalten. Schritt 1: Vorüberlegung In der Abbildung rechts oben erkennt man, wie sich der Permanentmagnet auf der Achse aufgrund der anziehenden und abstoßenden Kräfte zu den Polen der beiden hufeisenförmigen Elektromagnete ausgerichtet hat. In welche Richtung wird sich die Achse drehen, wenn man jetzt den rechten Hufeisenmagnet (weiß und gelb) ausschaltet? Wie wird sich die Achse verhalten, wenn man anschließend den rechten Hufeisenmagnet umgepolt (plus an weiß, minus an gelb) wieder einschaltet? Was muss als nächstes geschehen, damit sich die Achse in die gleiche Richtung weiter dreht?

11 3: Schrittmotor Damit sich ein bipolarer Schrittmotor in eine Richtung dreht, muss zunächst einer der beiden Elektromagnete aus und dann umgeschaltet werden. Dann wird der andere Elektromagnet erst ausgeschaltet und dann umgepolt, dann wieder der erste und so weiter. Für diese Schaltvorgänge eignet sich das Motortreiber-IC L293d hervorragend, wenn man an seinen Ausgängen anstelle z.b. zweier herkömmlicher Elektromotoren die beiden Elektromagnete eines Schrittmotors anschließt. Beschaltung des Motortreiber-ICs L293d Um den integrierten Schaltkreis L293d einzusetzen, muss er zunächst mit Spannung und dem entsprechenden Potentialen an seinen Eingängen verbunden werden. Die Pins 1,9 und 16 werden mit VDD verbunden. Sie versorgen das IC mit Energie (16) und schalten die beiden Hälften des ICs auf aktiv (1,9) Die beiden mittleren Pins jeder Seite, also 4,5, 12 und 13, werden mit VSS verbunden. Hier fließt unter anderem der Motorstrom ab. An Pin 8 wird z.b. VIN angelegt. Dies ist das Potential, das zum Betrieb des Motors genutzt wird, also sozusagen der Zufluss des Motorstroms. Es bleiben nun acht Pins übrig: vier Ausgänge (1Y, 2Y ) und die dazu gehörigen vier Eingänge 1A, 2A, 3A und 4A. Schritt 2: Anschluss des Schrittmotors an den L293d Schließt man nun den einen Elektromagnet des Schrittmotors (z.b. mit den Kabeln weiß und gelb) an die Ausgänge 1Y und 2Y des L293d an, kann man deren Verhalten über die Eingänge 1A und 2A steuern. Diese Eingänge verbindet man also mit zwei Pins des Mikrocontrollers, z.b. P0 und P1. Nun gilt: Ist P0 high und P1 low, wird der Elektromagnet mit einer Polung betrieben, die P0 low und P1 high, wird er mit der umgekehrten Polung betrieben. Sind beide Pins gleichermaßen high oder low, ist der Elektromagnet aus.

12 3: Schrittmotor Programmierung Damit sich ein bipolarer Schrittmotor in eine Richtung dreht, muss der Mikrocontroller die Elektromagnete in der richtigen Reihenfolge schalten. In welcher Reihenfolge die einzelnen Pins high bzw. low geschaltet werden müssen, zeigt die Tabelle. Diese Betriebsart, bei der in jedem zweiten Schritt eine der Spulen abgeschaltet ist, bezeichnet man als halbschrittig. Programmiert man nur die grauen Zeilen der Tabelle, macht der Schrittmotor die größeren Vollschritte. Wird die Reihenfolge in der Tabelle exakt rückwärts durchlaufen, dreht sich auch der Schrittmotor in der umgekehrten Richtung. Aufgaben: 1. Den Anfang eines Programms für den Schrittmotor zeigt das Listing rechts. Wird die Motorachse in Halb oder in Vollschritten gedreht? Welche Zeilen in diesem Programm sind überflüssig? 2. Programmieren Sie den Schrittmotor so, dass er das Vexierbild jeweils um 180 dreht, dann ein kurze Pause einlegt und es dann zurück dreht. Hinweis: Sehr nützlich für das Arbeiten mit Schrittmotoren ist die Anweisung TOGGLE. Sie schaltet einen Pin, der gerade high ist, nach low um bzw. einen Pin, der gerade low ist, auf high. Beispiel: TOGGLE 3 schaltet Pin 3 um. Pin 0 Pin 1 ' {$STAMP BS1} OUTPUT 0 OUTPUT 1 OUTPUT 2 OUTPUT 3 FOR B0=0 TO 12 PIN0=1 'Schritt 1 PIN1=0 PIN2=1 PIN3=0 PAUSE 50 PIN0=1 'Schritt 2 PIN1=0 PIN2=0 PIN3=1 PAUSE Pin 2 Pin

13 Station 4 Farbspiel mit PWM Meist sinnlos, aber sehr verbreitet sind Ge- genstände, die von innen beleuchtet sind und ihre Farbe ändern. Das Geheimnis da- hinter sind Leuchtdioden in den Farben rot, grün und blau, die von einem Mikro- controller wechselseitig langsam heller und dunkler eingeschaltet werden. Aber wie kann ein Mikrocontroller, dessen Ausgänge nur high oder low sein können, eine Leuchtdiode in der Helligkeit verän- dern? Mehrfarbige Leuchtdiode Die Basis für die Experimente mit Farben an dieser Station ist eine sogenannte mehrfarbige Leuchtdiode. Wahr an dieser Bezeichnung ist, dass sie mehrfarbig ist: sie kann in den Farben rot, grün und blau leuchten, weshalb diese Leuchtdioden oft auch als RGB-LEDs bezeichnet werden. Unwahr ist aber, dass es sich um eine einzige Leuchtdiode handelt. Vielmehr befinden sich im Inneren dieses Leuchtdioden Gehäuses gleich vier Leuchtdioden - eine rote, eine grüne sowie zwei blaue, weil blau etwas weniger hell leuchtet als die anderen Farben. Von jeder dieser eingebauten einzelnen Leuchtdioden wird die Anode (Pluspol) dann als ein Anschlussdraht an der Unterseite des Gehäuses herausgeführt - sie sind jeweils mit Kabeln in den entsprechenden Leuchtfarben verbunden. Die Kathoden (Minuspole) aller 4 Leuchtdioden werden meist noch im Acrylglasgehäuse zu einem oder zwei gemeinsamen Anschlüssen zusammen geführt (schwarzes Kabel). Bildquelle Kerzen: Mararie, flick.com, cc by sa 2.0

14 4: Farbspiele Schritt 1: Testen der einzelnen Farben Schließen Sie das schwarze Kabel der RGB-LED an VSS an. Sie können nun die einzelnen Leuchtdioden in der RGB-LED dank der eingelöteten Vorwiderstände direkt an VDD als auch an VIN testen. Der Helligkeitsunterschied ist deutlich. Die hohen Stromstärken, die durch High-Power-LEDs fließen können, bringen es mit sich, dass diese nicht bei voller Leistung direkt an den Pins der Basic Stamp betrieben werden können. Die LED wird hier also zunächst nur mit kleiner Teilleistung betrieben. Um nun die Helligkeit der LEDs nahezu stufenlos zu variieren, wird die sogenannte Pulsweitenmodulation verwendet. Wie funktioniert Pulweitenmodulation? Um die Helligkeit der einzelnen LEDs an einem Pin, das lediglich high oder low sein kann, in vielen Stufen zu variieren, verwendet man die sogenannte Pulsweitenmodulation, kurz: PWM. Soll eine LED oder ein anderes elektrisches Bauteil mit halber Spannung betrieben werden, oszilliert der Mikrocontroller der Pin mit sehr hoher Frequenz so, dass er die Hälfte Tastgrad 50% der Zeit high und die andere Hälfte der Zeit low ist. Man spricht von einem Tastgrad von 50 Prozent. Soll die LED Tastgrad 25% nur mit einem viertel der Spannung betrieben werden, wird der Tastgrad auf 25% reduziert. Zum Auslösen der Pulsweitenmodulation dient die Basic-Anweisung PWM, die recht ähnlich der Sound-Anweisung ist. Das bedeutet: Erst, wenn die Ausgabe des Signals beendet ist, setzt die Basic Stamp die Abarbeitung des Programms weiter fort. PWM 3, 128, 1 Pin, auf dem das Signal ausgegeben werden soll Tastrate auf einer Skala von 0 (0%) bis 255 (100%) Dauer des Signals in einer Einheit von 5ms.

15 4: Farbspiele Schritt 2: Programmieren flüssiger Farbübergänge Schließen Sie alle drei eingebauten LEDs an drei Pins an und programmieren Sie nun einen RGB-Umlauf: Während die blaue LED langsam gedimmt wird, beginnt die rote immer stärker zu leuchten, bis sie 100% erreicht. Dann wird auch sie gedimmt, während die grüne langsam an Intensität zunimmt. Schließlich wird dann wieder die grüne zugunsten der blauen Leuchtdiode ausgeblendet und der Kreislauf beginnt erneut. Hilfreich zur Lösung dieser Aufgabe sind For-Next-Schleifen, in denen jeweils zwei sehr kurze PWM-Signale direkt hinter einander gesendet werden. Also beispielsweise... PWM 2, B0, 1 `fuer die blaue LED B1=255-B0 PWM 2, B1, 1 `fuer die rote LED... Das ergibt bereits ein schönes Farbspiel, allerdings haben die LEDs dann jeweils die Leuchtdauer der anderen LED als Totzeit. Man kann sie also ab dem Erreichen eines gewissen Schwellenwerts high schalten, um die gesamte Lichtausbeute zu steigern.... PWM 2, B0, 1 `fuer die blaue LED IF B0<100 THEN weiter PIN2=1 weiter: B1=255-B0 PWM 2, B1, 1 `fuer die rote LED...

16 4: Farbspiele High Power LED Farbe I U R für 9V Die einzelnen LEDs in der RGB- Leuchtdiode sind eigentlich Hochleistungsleuchtdioden, die beim direkten Betrieb an den Pins nicht annähernd ihr Leistungspotential ausschöpfen Rot Grün Blau 30 ma 2,0 V 25 ma 2,2 V 20 ma 4,0 V 230 Ohm 270 Ohm 250 Ohm können. Ihre in der Tabelle zusammengefassten elektrischen Parameter zeigen, dass man für jede Leuchtdiode einen eigenen elektrischen Vorwiderstand benötigt. An dieser Station sind diese auf 9V ausgelegt und bereits in die Zuleitungen integriert. Mit Hilfe eines Transistors, genauer gesagt von drei Transistoren, könnte die Leistungsausbeute der LEDs also erheblich gesteigert werden. Noch einfacher als mit drei Transistoren lässt sich die mit Hilfe eines Quelltreiber-ICs reali- Der Quelltreiber IC 2981A Das IC 2981A (oft auch TD62783A) beinhaltet gleich 8 Transistoren (präzise: Darlington- Transistoren), deren Collector auf ein gemeinsames Pin herausgeführt ist und deren Basis direkt kompatibel zu den Pins des Mikrocontrollers ist. Es verfügt also über 8 Eingänge (1A bis 8A) und 8 Ausgänge (1Y bis 8Y). Ist Eingang 1A high, wird der Ausgang 1Y intern mit VIN verbunden und kann hier Stromstärken von mehr als 50mA ausgeben. Auf gleiche Art und Weise funktionieren auch die anderen Paare aus Eingang und Ausgang. In der Summe aller Ausgänge darf die Stromstärke bis zu 500 ma bei einer Eingangsspannung VIN von bis zu 35V betragen. Schritt 3: Betrieb mit hoher Leistung Setzen Sie das IC auf das Steckbrett der Basic Stamp auf und schließen Sie VIN und VSS an. Verbinden Sie nun drei Pins der Basic Stamp mit drei Eingängen des ICs, z.b. Pin 1 mit 8A, Pin 2 mit 7A und Pin 3 mit 6A. Schließen Sie nun die Anoden der RGB-Leuchtdiode an die Ausgänge 6Y, 7Y und 8Y und das schwarze Kathodenkabel der Leuchtdiode an VSS an. Die RGB-Leuchtdiode wird nun mit 9V an Stelle der zuvor eingesetzten 5V betrieben und leuchtet entsprechend heller.

17 Station 10 Farberkennung An dieser Station werden Helligkeitssensoren eingesetzt, um die Farbe des einfallenden Lichts zu bestimmen. Mit dieser Technik sollen Sie einen Erinnerungsautomaten für das Armaturenbrett eines Autos realisieren: Er signalisiert Autofahrern durch ein kurzes Piepsen, dass eine Am- pel soeben von rot auf grün umgeschaltet hat. So muss ein Autofahrer nicht immer auf die Ampel starren, während er auf grün wartet. Wie funktioniert die Farberkennung? Die Idee der Farberkennung ist recht simpel: Das ankommende Licht fällt auf mehrere Helligkeitssensoren, die hinter unterschiedlichen Farbfiltern angebracht sind. Jeder der Farbfilter lässt nur eine Farbe des Lichts (also einen Wellenlängenbereich) passieren, alle anderen Farben werden blockiert. Der Helligkeitssensor hinter einem Farbfilter misst also nur Schritt 1: Experimentieren mit den Farbfiltern Schließen Sie die Ampel mit dem roten Kabel an VIN und mit dem schwarzen Kabel an VSS des Mikrocontrollers an, so dass sie bei Tastenbetätigung leuchtet. Betrachten Sie die verschiedenen Ampelfarben durch die Filter, um zu verstehen, welches Licht sie jeweils passieren lassen. Bildquelle Ampel: DasZelt, flickr.com, cc by sa 2.0;

18 10: Farberkennung Mit zwei Helligkeitssensoren hinter zwei Farbfiltern kann man leicht zwei Farben unterscheiden und sogar Mischfarben aus diesen erkennen. Mit drei Sensoren hinter drei unterschiedlichen Filtern in der Farben rot, grün und blau kann man im Prinzip sogar alle Farben unterscheiden, die auch das menschliche Auge mit seinen drei Sorten von Zapfen auf der Netzhaut unterscheiden kann. Was ist ein LDR? Die Buchstaben LDR stehen für Light Dependent Resistor wörtlich übersetzt: lichtabhängiger Widerstand. Je weniger Licht auf den Sensor fällt, desto größer wird der Widerstand, je heller die Oberseite des Sensors bestrahlt wird, desto geringer wird der Widerstand. Wie kann die Basic Stamp diesen Widerstand messen? Bei den Pins der Basic Stamp handelt es sich, falls sie als Input deklariert sind, um sogenannte "digitale" Eingänge. "Digital" bedeutet, dass nur die beiden Zustände 1 ("high") und 0 ("low") unterschieden werden können. Im Prinzip würde man zur Erfassung des Widerstands des LDRs einen analogen Eingang benötigen, der den Widerstandswert stufenlos oder zumindest als Zahlenwert zwischen 0 und 255 in einer Variable (z.b. B2) speichert. Größere Mikrocontroller verfügen über solche analogen Eingänge, die Basic Stamp hingegen muss sich mit einem Trick behelfen. Dazu ist ein Bauteil namens "Kondensator" notwendig. Was ist ein Kondensator? Ein Kondensator verhält sich (vereinfacht) wie ein kleiner, wiederaufladbarer Akku, der im Inneren aber elektrostatisch funktioniert, also ohne chemische Reaktionen auskommt und deshalb im Prinzip unendlich häufig wieder aufladbar ist. Die Kapazität dieser Kondensatoren wird in Farad (F) gemessen. Die Beschriftung ist nicht sehr einheitlich, erfolgt aber zumindest oft durch dreistellige Zahlen ohne weitere Größenangabe. Von diesen stellen die ersten beiden Stellen den Wert, die hinterste die Zehnerpotenz in der Einheit Picofarad (pf) dar. 104 bedeutet beispielsweise eine Kapazität von 10*10 4 pf, also 100 nf.

19 10: Farberkennung Die Messung des Widerstands Der Trick zur analogen Messung des Widerstands an einem digitalen Eingang mit Hilfe des Kondensators beruht auf der folgenden Schaltung: An einen Pin des Mikrocontrollers wird zunächst der LDR und daran dann der Kondensator angeschlossen. Der zweite Anschluss des Kondensators wird mit VSS verbunden. Alles, was benötigt wird, um den Widerstand zu erfassen ist ein einzige Anweisung: POT 3, 100, B1 An diesem Pin wird der Widerstand gemessen. Dies ist ein Skalierungsfaktor, auf den später noch eingegangen wird. In der hier angegebenen Variable B0 bis B09 wird der Helligkeitswert als Zahl zwischen 0 und 255 gespeichert. Wie funktioniert die Messung des Widerstands des LDR technisch? Die POT-Anweisung führt intern gleich mehrere Anweisung aus, um den Widerstand am digitalen Eingang bestimmen zu können. Zunächst wird der Pin auf Ausgang und "high" geschaltet. Demzufolge wird der Kondensator (wie ein Akku) über den LDR allmählich aufgeladen. Dies macht der Mikrocontroller genau 0,015 s lang, denn nach dieser Zeit ist der Kondensatoren schon lange vollständig geladen, auch wenn der Widerstand des LDR sehr hoch sein sollte. Eigentlich genügt dazu eine viel kürzere Zeit, aber man möchte sich sicher sein. Denn nun wird der Pin auf Input geschaltet. Der Input-Pin ist dabei zunächst high, weil der volle Kondensator eine Spannung von etwa 5V hat. Allerdings lässt der Mikrocontroller durch den Input-Pin Elektrizität abfließen und misst nun die Zeit, bis der Kondensator so weit entladen ist, dass der Input-Pin low wird. Diese Entladungszeit hängt davon ab, wie schnell die Elektrizität durch den Input-Pin abfließen kann. Und das hängt davon ab, wie groß der Widerstand des LDR gerade ist. Aus der gemessenen Zeit berechnet der Mikrocontroller dann den Wert, der in der Variable als Ergebnis der Widerstandsmessung gespeichert wird.

20 10: Farberkennung Schritt 2: LDR auslesen Schließen Sie zunächst einen LDR entsprechend der obigen Schaltung an ein Pin an, lesen Sie den Wert mit der POT-Anweisung aus. Lassen Sie sich mit der Anweisung DEBUG B1 den Wert kontinuierlich am Bildschirm ausgeben, während Sie den LDR hell beleuchten oder abdunkeln. Schließen Sie dann auch den zweiten LDR an und testen Sie die Helligkeitsmessung hinter den Filtern. Die Variable B1 kann prinzipiell Werte von 0 bis 255 annehmen. Es wird Ihnen auffallen, dass die Variable im Rahmen der Helligkeitsmessung, vor allem, wenn Sie den LDR hinter dem Filter betreiben, nicht den gesamten Wertebereich ausreizt. Daher wird der zur Verfügung stehende Helligkeitsbereich nicht in 255 sondern in weniger Schritte aufgelöst. Diese verringerte Genauigkeit kann man durch eine optimierte Wahl des Skalierungsfaktors verbessern. Schritt 3: Optimierung der Skalierungsfaktoren Zur Optimierung der Skalierungsfaktoren gibt es ein kleines Hilfsprogramm. Sie finden es im Menu des Basic Stamp Editors unter dem Punkt "Run" als Pot-Scaling. Wählen Sie diese Funktion und geben Sie das Pin ein, für das der Skalierungsfaktor optimiert werden soll. Mit einem Klick auf den Start-Knopf wird nun ein Programm auf die Basic Stamp übertragen, das einen zum maximalen Widerstand passenden Skalierungswert berechnet und zurück an den PC überträgt. Verringern Sie die Helligkeit nun so, bis der niedrigste mögliche Skalierungsfaktor im Bildschirmdialog erscheint. Verwenden Sie dann diesen Skalierungsfaktor in Ihrem Programm.

21 10: Farberkennung Aufgabe Programmieren Sie den Mikrocontroller nun so, dass er beim Umschalten der Ampel von rot (über gelb) auf grün ein kurzes Wecksignal auf dem Piezolautsprecher ausgibt. Das Programm kann dabei nahezu beliebig verfeinert werden. Insbesondere die Kompensation von Tageslichteinflüssen und das typische Timing von Ampeln können zu einer höheren Zuverlässigkeit führen. Auch in der Praxis ungelöst ist hingegen, wie ein Fahrzeug an einer größeren Kreuzung erkennen kann, welche der Ampeln zu beachten ist. Piezolautsprecher Wie funktioniert Farberkennung in Videokameras und Fotoapparaten? Die Erkennung von Farben in handelsüblichen Videokameras erfolgt nach einem sehr ähnlichen Prinzip. Als Bildsensor ist in ihnen überwiegend ein sogenannter CCD-Chip (1) eingebaut, der aus bis hin zu mehreren Millionen eng nebeneinander liegenden einzelnen Helligkeitssensoren besteht. Vor diesem CCD-Chip befindet sich eine Folie aus verschiedenfarbigen Filtern (2), die auf jeweils einen Sensor nur das Licht einer bestimmten Farbe hindurch lässt. Aus den Helligkeitsmessungen von dicht nebeneinander liegenden Sensoren für verschiedene Farben wird dann die Farbe dieser Stelle des Bildes berechnet. Wenn jeder dieser Sensoren mit einer Auflösung von 256 Stufen abgefragt wird, im Prospekt wird das als 8 Bit Farbtiefe bezeichnet, ergibt dies die Möglichkeit zur Erkennung von etwa 16,7 Millionen verschiedenen Farben. 1 2 Bildquelle CCD: NASA, gemeinfrei.

22 Station 11 Potentiometer Potentiometer sind die Bauteile hinter den Drehknöpfen an vielen Geräten - vom Lautstärkeregler über einen Dimmer bis hin zum klassischen Synthesi- zer. Potentiometer, meist liebevoll Poti genannt, haben Technik und Musikgeschichte geschrieben.sind. Aufbau eines Potentiometers Ein Poti ist nichts anderes als ein verstellbarer elektrischer Widerstand mit einem Drehgriff. Dreht man an seiner Achse, so verändert sich die Leitfähigkeit zwischen zwei Anschlüssen. Der innere Aufbau des Potis ist dabei recht simpel. Das Herzstück ist eine Kohlestreifen zwischen zwei Anschlüssen. Kohle ist leitfähig, aber hat einen hohen Widerstand. Auf dieser Kohlebahn befindet sich nun ein Schleifkontakt, der mit dem mittleren Anschluss des Potis verbunden ist. Dreht man den Schleifkontakt ganz an ein Ende, ist der Kohleweg zwischen diesem Endkontakt und dem Schleifkontakt sehr kurz der Widerstand ist also gering. Je weiter sich der Schleifkontakt von diesem Ende entfernt, desto weiter steigt der Widerstand an. Vom Poti werden also, wenn man es als veränderbaren Widerstand benutzt, nur zwei Anschlüsse benötigt: Ein Endanschluss und der mittlere Anschluss mit dem Schleifkontakt. Deshalb hat das am häufigsten verwendete Schaltsymbol für das Potentiometer auch nur zwei Anschlüsse. Bildquelle Synthesizer: gordonhulley, flickr.com, cc by 2.0;

23 11: Potentiometer Schritt 1: Das Potentiometer als Lautstärkeregler Erzeugen Sie mit der SOUND-Anweisung auf einem der Pins 8z.B. Pin 7) eine Tonausgabe und schließen Sie den Lautsprecher oder wahlweise auch die Kopfhörerbuchse mit dem oberen Potentiometer als Vorwiderstand an, wie es das Schaltbild zeigt. Mit dem Potentiometer lässt sich die Lautstärke nun regeln man benötigt allerdings recht viel Feingefühl: Der maximale Widerstand des hier eingesetzten Potentiometers beträgt 10 kohm - bereits ab ca. 1 kohm wird man zumindest auf dem Lautsprecher nicht mehr viel hören können. Das Potentiometer zur Tonhöhenvariation Das Potentiometer soll nu zur Veränderung der Tonhöhe eingesetzt werden. Im Prinzip sind Veränderungen der Tonhöhe ja keine Schwierigkeit, wenn man in die Sound-Anweisung eine Variable einsetzt: FOR B0=50 TO 150 SOUND 7, (B0, 10) NEXT Das Problem ist eher, die Position des Potentiometers mit der Basic Stamp einzulesen. Denn bei den Pins der Basic Stamp handelt es sich, falls sie als Input deklariert sind, um sogenannte "digitale" Eingänge. "Digital" bedeutet, dass nur die beiden Zustände 1 ("high") und 0 ("low") unterschieden werden können. Etwas wenig, um eine Tonhöhe einstellen zu können, besser wäre es den Widerstandswert stufenlos oder zumindest als Zahlenwert zwischen 0 und 255 in eine Variable (z.b. B0) einlesen zu können. Größere Mikrocontroller verfügen über solche analogen Eingänge, die Basic Stamp hingegen muss sich mit einem Trick behelfen. Dazu ist ein Bauteil namens "Kondensator" erforderlich. Was ist ein Kondensator? Ein Kondensator verhält sich (vereinfacht) wie ein kleiner, wiederaufladbarer Akku, der im Inneren aber elektrostatisch funktioniert, also ohne chemische Reaktionen auskommt und deshalb im Prinzip unendlich häufig wieder aufladbar ist. Die Kapazität dieser Kondensatoren wird in Farad (F) gemessen. Die Beschriftung ist nicht sehr einheitlich, erfolgt aber zumindest oft durch dreistellige Zahlen ohne weitere Größenangabe. Von diesen stellen die ersten beiden Stellen den Wert, die hinterste die Zehnerpotenz in der Einheit Picofarad (pf) dar. 104 bedeutet beispielsweise eine Kapazität von 10*10 4 pf, also 100 nf.

24 11: Potentiometer Die Messung des Widerstands Der Trick zur analogen Messung des Widerstands an einem digitalen Eingang mit Hilfe des Kondensators beruht auf der rechts abgebildeten Schaltung. An einen Pin des Mikrocontrollers wird zunächst der LDR und daran dann der Kondensator angeschlossen. Der zweite Anschluss des Kondensators wird mit VSS verbunden. Alles, was nun noch benötigt wird, um den Widerstand zu erfassen ist ein einzige Anweisung: POT 3, 100, B1 An diesem Pin wird der Widerstand gemessen. Dies ist ein Skalierungsfaktor, auf den später noch eingegangen wird. In der hier angegebenen Variable B0 bis B09 wird der Helligkeitswert als Zahl zwischen 0 und 255 gespeichert. Wie funktioniert die Messung des Widerstands des LDR technisch? Die POT-Anweisung führt intern gleich mehrere Anweisung aus, um den Widerstand am digitalen Eingang bestimmen zu können. Zunächst wird der Pin auf Ausgang und "high" geschaltet. Demzufolge wird der Kondensator (wie ein Akku) über den LDR allmählich aufgeladen. Dies macht der Mikrocontroller genau 0,015 s lang, denn nach dieser Zeit ist der Kondensatoren schon lange vollständig geladen, auch wenn der Widerstand des Potentiometers sehr hoch sein sollte. Eigentlich genügt dazu eine viel kürzere Zeit, aber man möchte sich sicher sein. Denn nun wird der Pin auf Input geschaltet. Der Input-Pin ist dabei zunächst high, weil der volle Kondensator eine Spannung von etwa 5V hat. Allerdings lässt der Mikrocontroller durch den Input-Pin Elektrizität abfließen und misst nun die Zeit, bis der Kondensator so weit entladen ist, dass der Input-Pin low wird. Diese Entladungszeit hängt davon ab, wie schnell die Elektrizität durch den Input-Pin abfließen kann. Und das hängt davon ab, wie groß der Widerstand des Potis gerade ist. Aus der gemessenen Zeit berechnet der Mikrocontroller dann den Wert, der in der Variable als Ergebnis der Widerstandsmessung gespeichert wird.

25 11: Potentiometer Schritt 2: Potentiometer zur Tonhöheneinstellung Schließen Sie das untere Potentiometer mit dem Kondensator so z.b. an Pin3 der Basic Stamp an, dass Sie den Widerstandswert zur Veränderung der Tonhöhe benutzen können. Die Variable, in die der Widerstandswert ausgelesen wird (z.b. B1) kann prinzipiell Werte von 0 bis 255 annehmen. Es wird Ihnen auffallen, dass die Variable im Rahmen der Widerstandsmessung nicht den gesamten Wertebereich ausreizt. Das Potentiometer wird also mit geringerer Auflösung ausgelesen, als es technisch möglich wäre.diese verringerte Genauigkeit kann man durch eine optimierte Wahl des Skalierungsfaktors verbessern. Schritt 3: Optimierung des Skalierungsfaktors Zur Optimierung der Skalierungsfaktoren gibt es ein kleines Hilfsprogramm. Sie finden es im Menu des Basic Stamp Editors unter dem Punkt "Run" als Pot- Scaling. Wählen Sie diese Funktion und geben Sie das Pin ein, für das der Skalierungsfaktor optimiert werden soll. Mit einem Klick auf den Start-Knopf wird nun ein Programm auf die Basic Stamp übertragen, das einen zum maximalen Widerstand passenden Skalierungswert berechnet und zurück an den PC überträgt. Drehen Sie nun am Poti, bis der niedrigste mögliche Skalierungsfaktor im Bildschirmdialog erscheint. Verwenden Sie dann diesen Faktor in Ihrem Programm. Aufgabe: Das Potentiometer zur Tonhöhenregelung Rund um das Potentiometer befindet sich eine Skala der Töne einer Oktave. Schreiben Sie ein Programm, das zu jeder Potentiometerstellung den Ton in der passenden Höhe ausgibt.

26 Station 12 Lichtschranke Beaufort-Skala: 0 Windstille 1 leiser Zug 2 leichte Brise 3 schwache Brise 4 mäßige Brise 5 frische Brise 6 starker Wind 7 steifer Wind 8 stürmischer Wind 9 Sturm 10 schwerer Sturm 11 orkanartiger Sturm 12 Orkan Durchgangserkennung ohne Widerstand Vor allem, wenn man die Windgeschwindigkeiten bei niedrigen Windstärken messen möchte, muss sich der Rotor des Anemometers äußerst leicht drehen. Lichtschranken ermöglichen es, die Anzahl der Umdrehungen des Rotors in 10 Sekunden zu erfassen, ohne den Rotor dabei zu bremsen. Wie ist eine Lichtschranke aufgebaut? Kleine Lichtschranken, wie die hier abgebildete Gabellichtschranke, bestehen aus einer Leuchtdiode als Lichtsender (Licht-Emitter genannt) und einem Fototransistor als Detektor - beides praktisch integriert in ein einziges Gehäuse mit drei oder vier Anschlüssen. Der Fototransistor ist dabei mit einem Lack überzogen, der nur Licht der Wellenlänge der Leuchtdiode hindurch lässt. So stört ihn anderes Licht nur wenig. In vielen Fällen, so auch hier, arbeiten Lichtschranken mit dem für Menschen unsichtbaren Infrarotlicht. Licht dieser Wellenlänge kommt im Alltag nur selten in großer Helligkeit vor. Deshalb hat die Evolution dieses Licht auch für das menschliche Auge als nicht relevant eingestuft - für Lichtschranken ist der Vorteil, dass der Detektor nur selten durch Fremdlicht gestört wird. Bildquelle

27 12: Lichtschranke Wie funktioniert ein Fototransistor? Ein Fototransistor hat im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Transistor nur zwei Anschlüsse: Collector und Emitter. Auch im Schaltbild fehlt die Basis als dritter Anschluss. Die Basis ist in Fototransistoren sozusagen durch eine kleine Solarzelle ersetzt. Fällt Licht auf die Solarzelle, setzt diese die Elektrizität frei, um die Strecke vom Collector zum Emitter des Transistors leitend zu schalten - ansonsten ist diese Strecke gesperrt. Fototransistoren sind recht gutmütige Bauteile, müssen aber immer davor geschützt werden, dass die Stromstärke zwischen Collector und Emitter hoch wird. Am Eingang eines Mikrocontrollers werden Fototransistoren am besten in einer Spannungsteilerschaltung mit einem recht hohen Pull-Up-Widerstand von z.b. 100 kohm eingesetzt. Schritt 1: Lichtschranke in Betrieb nehmen Die Infrarot-Leuchtdiode der Lichtschranke ist mit den Kabelfarben rot (Anode, plus) und schwarz (Kathode, minus) gekennzeichnet. In das Kabel ist bereits der Vorwiderstand von 220 Ohm integriert, so dass sie direkt an 5V betrieben werden kann. Die CCD-Sensoren kleiner Fotoapparate erkennen das Infrarotlicht. Schließen Sie die Leuchtdiode an und testen Sie z.b. mit der Kamera eines Handys, ob sie wirklich leuchtet. Der Collector des Fototransistors ist mit einem grünen Kabel, der Emitter mit einem blauen Kabel versehen. Der Fototransistor wird, wie es die nebenstehende Schaltung zeigt, in einem Spannungsteiler an einen Input-Pin angeschlossen. Schließen Sie den Fototransistor z.b. an Pin 2 an und lassen Sie sich den Wert von PIN2 mit DEBUG kontinuierlich anzeigen. Prüfen Sie, ob PIN2 bei einer Unterbrechung der Lichtschranke wirklich high wird. Aufgabe: Drehzahlbestimmung Schreiben Sie ein Programm, das die Anzahl der Umdrehungen des Rotors zählt. Es soll alle 10 Sekunden angeben, wie oft die Lichtschranke in den zurückliegenden 10 Sekunden unterbrochen worden ist. Im Prinzip wäre es dann möglich, diesen Zahlen echte Windgeschwindigkeiten zuzuordnen. Denn es gibt Anemometer, die sehr ähnlich funktionieren.

28 Station 13 Laserdetektion Laser sind Lichtquellen, deren Strahl auch über lange Distanzen sehr gut fokussiert bleibt. Sie eignen sich deshalb besonders gut für den Auf- bau von Lichtschranken, die lange Strecken überwinden sollen. Arbeiten mit einem Laser Neben den unbestreitbaren Vorteilen haben Laser - auch solche leistungsschwachen Laserpointer, wie sie hier zum Einsatz kommen - vor allem auch einen Nachteil: Trifft ihr Lichtstrahl direkt in das Auge, kann die Netzhaut lokal zerstört werden. Für das Arbeiten mit einem Laser gilt deshalb, dass man den direkten Blick in den Laser ebenso wie Reflexionen des Laserlichts von glänzenden Gegenständen in die Augen vermeiden muss. Damit solche Reflexionen beim Hantieren im Laserstrahl nicht unbeabsichtigt auftreten, sind z.b. glänzende Ringe vor der Arbeit abzulegen. Schritt 1 An dieser Station soll die Durchschnittsgeschwindigkeit einer Kugel gemessen werden, die den Laserstrahl an zwei Stellen unterbricht. Stellen Sie die beiden Spiegel zunächst so ein, dass der Laserstrahl den Fototransistor, der hier als Detektor verwendet wird, exakt trifft. Bildquelle oben: Jom (Joachim Müllerchen), wikimedia commons, cc by sa 2.0;

29 13: Laserdetektion Wie funktioniert ein Fototransistor? Emitter Collector Ein Fototransistor hat im Gegensatz zu einem gewöhnlichen Transistor nur zwei Anschlüsse: Collector und Emitter. Auch im Schaltbild fehlt die Basis als dritter Anschluss. Die Basis ist in Fototransistoren sozusagen durch eine kleine Solarzelle ersetzt. Fällt Licht auf die Solarzelle, setzt diese die Elektrizität frei, um die Strecke vom Collector zum Emitter des Transistors leitend zu schalten - ansonsten ist diese Strecke gesperrt. Schritt 2: Fototransistor anschließen Fototransistoren sind recht gutmütige Bauteile, müssen aber immer davor geschützt werden, dass die Stromstärke zwischen Collector und Emitter hoch wird. Am Eingang eines Mikrocontrollers werden Fototransistoren am besten in einer Spannungsteilerschaltung eingesetzt. Der Collector des Fototransistors ist mit einem grünen Kabel, der Emitter mit einem blauen Kabel versehen. Der Fototransistor wird, wie es die nebenstehende Schaltung zeigt, in einem Spannungsteiler an einen Input-Pin angeschlossen. Schließen Sie den Fototransistor z.b. an Pin 2 an und schreiben Sie ein Programm, das Ihnen den Zustand von Pin 2 laufend auf dem Bildschirm ausgibt. Der Zustand von Pin 2 soll low sein, solange der Laserstrahl den Fototransistor trifft, weil dieser dann eine leitende Verbindung zwischen P2 und GND herstellt. Der Zustand von Pin 2 soll high sein, wenn der Laserstrahl die Basis des Fototransistors nicht bestrahlt. Da der Fototransistor immer auch vom Umgebungslicht getroffen wird und deshalb auch ohne das Laserlicht eine gewisse Leitfähigkeit besitzt, muss der Pull-Up-Widerstand eventuell entsprechend angebpasst werden. Probieren Sie also verschiedene Pull-Up- Widerstände aus, bis der Detektor das gewünschte Verhalten zeigt. Schwarz 0 Braun 1 Rot 2 Orange 3 Gelb 4 Grün 5 Blau 6 Lila 7 Grau 8 Weiß 9 Der Ring vor dem etwas größeren Abstand gibt an, wie viele Nullen angefügt werden müssen. Die Anzahl ergibt sich ebenfalls aus der linken Farbtabelle. Der einzelne letze Ring gibt an, wie genau der Widerstand hergestellt ist.

30 13: Laserdetektion Aufgabe: 1 Geschwindigkeitsmessung Schreiben Sie nun ein Programm, das die Durchschnittsgeschwindigkeit der Kugel in der Einheit Millimeter pro Sekunde ausgibt. Die Messung soll starten, wenn die Kugel den Laserstrahl erstmalig unterbricht und enden, wenn die Kugel den Laserstrahl zum zweiten Mal unterbricht. Die Strecke zwischen diesen beiden Unterbrechungen beträgt etwa 6 cm. Kennt man die Länge der Strecke, die die Kugel rollen muss, um den Laserstrahl zunächst zu unterbrechen und dann wieder freizugeben, kann man auch aus dieser Totzeit Geschwindigkeiten bestimmen. Die Zeit ist allerdings sehr kurz, so dass eine Überprüfung der Unterbrechung des Laserstrahls in einer Programmschleife sehr ungenau werden würde. Betrachtet man das Signal, das bei der Unterbrechung des Laserstrahls durch die Kugel entsteht, erkennt man eine Art positiven Puls. Das Signal ist high, solange sich die Kugel im Laserstrahl befindet. Da solche Pulse auch zur Datenübermittlung genutzt werden, gibt es in der Basic Stamp eine eigene Anweisung, um die Länge dieser Pulse auf 10µs genau zu bestimmen: Pin, der verwendet wird. PULSIN 2, 1, W2 Diese 1 gibt an, dass auf einen positiven Puls gewartet wird, der also anfangs "low", dann "high" und dann wieder "low" ist. In dieser Variable wird die Dauer des Pulses (also die Laufzeit des Schalls) gespeichert. Die Einheit sind dabei 10 µs, ist die Laufzeit größer als 655 ms, wird eine 0 eingetragen. Aufgabe 2: Messung der Veränderung der Geschwindigkeit Schreiben Sie ein Programm, das die Geschwindigkeiten der Kugel beim ersten und zweiten Unterbrechen des Laserstrahls angibt.

31 Station 14 Ultraschallsensor In den letzten Jahren haben Ultraschall-Abstandssensoren ihren Weg aus der Automatisierungstechnik in den Alltag gefunden: eingebaut in Fotoapparate dienten Sie der automati- schen Fokussierung des Objektivs., eingebaut in die Stoßstange von PKWs dienen sie als Einparkhilfen. Eine solche Einparkhilfe sollen Sie hier aufbauen. Der Ultraschallsensor Die grundsätzliche Arbeitsweise eines Ultraschallsensors ist als Echolotprinzip oder auch "Fledermaustechnik" hinlänglich bekannt. Der hier verwendete Ultraschallsensor kann Entfernungen zu schallreflektierenden Objekten zwischen etwa 5cm und 2m Abstand messen. Er besteht aus einer Platine, auf die deutlich sichtbar nebeneinander ein Ultraschallsender und ein Ultraschallmikrophon aufgelötet sind. Mit auf der Platine befindet sich ein spezielles IC, das auf Kommando des Mikrocontrollers ein Ultraschallsignal auslöst und die Zeit bis zum Eintreffen des Echos misst. Nach außen hin verfügt der Ultraschallsensor dank dieses ICs nur noch über drei Anschlüsse: zwei für die elektrische Versorgung aus einem Pluspol (rot, 5V, VDD) und einem Minuspol (schwarz, 0V, VSS) und einem weiteren Anschluss (gelb) für ein Pin, über den die gesamte Information ausgetauscht werden muss. Wie diese Datenübertragung funktioniert, wird auf den folgenden Seiten erklärt. Bildquelle Parksituation: Marcus Hansson, Flickr.com, cc by 2.0

32 14: Ultraschallsensor Schritt 1: Anschließen Schließen Sie zunächst den Ultraschallsensor an VDD, VSS und mit dem gelben Kabel zum Beispiel an Pin 3 an. Eine rote Leuchtdiode soll dem Fahrer signalisieren, dass man sich einem Objekt nähert. Schließen Sie diese an Pin 1 (rotes Kabel) und VSS (schwarzes Kabel) an. Wie erfolgt die Informationsübertragung über nur einen Pin? Über die eine "gelbe" Verbindung zwischen dem Ultraschallsensor und z.b. Pin 3 der Basic Stamp müssen Informationen über zwei Vorgänge ausgetauscht werden: Der erste Vorgang: die Basic Stamp teilt dem Ultraschallsensor mit, dass eine Abstandsmessung vorgenommen werden soll. Der Ultraschallsensor sendet dann Ultraschallimpuls aus und stoppt die Zeit bis zum Wiedereintreffen des Schalls. Der zweite Vorgang: irgendwie muss der Ultraschallsensor der Basic Stamp mitteilen, wie lange es bis zum Wiedereintreffen des Schalls gedauert hat. Beide Signale bestehen aus sogenannten Pulsen, bei denen es nicht darum geht, ob ein Pin "high" (1) oder "low" (0) ist, sondern wie lange ein Pin "high" ist. Beispielsweise beginnt der Ultraschallsensor eine Messung immer dann, wenn er einen "positiven 10µs-Puls" erhalten hat. Dies bedeutet, dass der "gelbe" Pin zunächst "low", dann 10µs lang "high" und anschließend wieder "low" werden muss.

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