Termin Axel Schultze, DK4AQ, 1

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1 Termine Termin Kurs KE Peilen am Schloss-See Sommerferien Sommerferien Sommerferien Sommerferien Sommerferien Sommerferien KE KE KE KE Axel Schultze, DK4AQ, 1

2 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Kurseinheit Elektronik Arduino an Batterien betreiben Anschluss des Sender-Moduls 2. Software Wie funktioniert das Programm MorseBeacon1? 3. Anhang Ultraschall Abstansmessung Modellbau-Servos LDR 7-Segmentanzeigen Ferienaufgaben... Axel Schultze, DK4AQ, dk4aq@t-online.de 2

3 Spaß an Technik: Elektronik Elektronik Bauteile,Theorie, Formeln... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 3

4 Spaß an Technik: Elektronik Versorgung des Arduino aus einer Batterie Batterie- Eingang 5V aus internem Regler DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 4

5 Spaß an Technik: Elektronik Versorgung des Arduino aus einer Batterie DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 5

6 Spaß an Technik: Software Software Programmierung, Strukturen, Werkzeuge... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 6

7 Spaß an Technik: Software Programm MorseBeacon1 zeichenindex S: Strich P: Punkt L: Leer (Ende des Zeichens) morsetabelle[zeichen][signal] 0 Ende Wort S P P L L L S P S L L L P P P P S L P S L L L L S S P S L L L L L L L L x x x x x x signalindex d k 4 a q Ende Zeichen Datenstruktur DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 7

8 Programm MorseBeacon1 Programmablaufplan Spaß an Technik: Software DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 8

9 Spaß an Technik: Software Programm MorseBeacon1 Programmkopf Codierung der Längen: S = Strich, P = Punkt, L = Leer (Ende des Zeichens) Symbolische Konstanten Array mit Morsezeichen DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 9

10 Spaß an Technik: Software Programm MorseBeacon1 Funktion setup() Füllen der Punkte und Striche in das Array DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 10

11 Spaß an Technik: Software Programm MorseBeacon1 Funktion loop() (1) Signal einlesen an der Stelle, wo die beiden Index-Werte hinzeigen Aufaddieren der nächsten Signalwerte (Punkte / Striche) Wenn das neue Zeichen keine weiteren Striche und Punkte enthält, dann ist das Wortende erreicht DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 11

12 Spaß an Technik: Software Programm MorseBeacon1 Funktion loop() (2) Wenn im Zeichen ein Punkt gefunden wird, dann werden die Ausgangs-Pins kurz eingeschaltet und nach Ablauf der Punktlänge wieder ausgeschaltet Pause bis zum nächsten Punkt/Strich, nächstes Signal Wenn im Zeichen ein Strich gefunden wird, dann werden die Ausgangs-Pins lang eingeschaltet und nach Ablauf der Strichlänge wieder ausgeschaltet Pause bis zum nächsten Punkt/Strich, nächstes Signal DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 12

13 Spaß an Technik: Software Programm MorseBeacon1 Funktion loop() (3) DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 13

14 Morsezeichen Anhang: Beschaltung mit Widerständen Wenn man die Dauer eines Punktes als Einheit nimmt, gilt: Ein Punkt dauert 1 Einheit. Ein Strich dauert 3 Einheiten. Die Pause zwischen den Punkten und Strichen eines Zeichens dauert 1 Einheit. Die Pause zwischen zwei Zeichen dauert 3 Einheiten. Die Pause zwischen zwei Worten dauert 7 Einheiten. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 14

15 Spaß an Technik: Software Verzweigungen und Schleifen (1): IF-Verzweigung Wesentlich intelligentes Verhalten bekommen Programme durch Verzweigungen und Schleifen: if(bedingung) { Aktion A } else { Aktion B } Wenn Bedingung zutrifft, führe Aktion A aus, anderenfalls führe Aktion B aus n j DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 15

16 Spaß an Technik: Software Verzweigungen und Schleifen (2): WHILE-Schleife while(bedingung) { Aktion C } Solange die Bedingung zutrifft führe Aktion A aus DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 16

17 Spaß an Technik: Software Verzweigungen und Schleifen (3): FOR-Schleife for(startwert, Bedingung, Wertänderung) { Aktion L } Solange die Bedingung zutrifft, führe Aktion L aus. Startwert z.b einer Zählvariablen wird zu Beginn einmal gesetzt, während jedes Durchlaufs wird eine Werteänderung durchgeführt. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 17

18 Spaß an Technik: Software Verzweigungen und Schleifen (4): SWITCH-Verzweigung switch(wert) { case(konstante1): Aktion U break; case(konstante2): Aktion V break; case(konstante3): Aktion W break; default: Aktion Z } Wenn Wert gleich der Konstante 1 ist, dann führe Aktion U aus, Wert gleich der Konstante 2 ist, dann führe Aktion V aus, Wert gleich der Konstante 3 ist, dann führe Aktion W aus. Ansonsten führe den Default-Fall Aktion Z aus. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 18

19 Vergleichsoperationen Spaß an Technik: Software Diese Operationen ergeben den Wert TRUE oder 1 wenn für die Werte der Variablen die Aussage zutrifft: a > b a < b a >= b a <= b a ist größer als b a ist kleiner als b a ist größer oder gleich b a ist kleiner oder gleich b a == b a ist genau gleich b (*) a!= b a ist ungleich b (*) - nicht für FLOAT-Werte verwenden! - Typischer Fehler: von zwei Gleichheitszeichen wird gerne eines vergessen! DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 19

20 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Ferienaufgaben Elektronik Ultraschall-Sensorik Das Modellbau-Servo Der lichtabhängige Widerstand (LDR) Die Siebensegmentanzeige 2. Software Zeitmessung mit Echtzeituhren Library zur Servo-Ansteuerung Library zum Einlesen von Analog-Werten Ferienaufgaben 1D-Ultrasonic Scanner (Erkennung von Hindernissen per Ultraschall) 2D-Energie-Sucher (Suchen der maximalen Helligkeit) Einstellbarer Prozess-Timer mit 7-Segment-Anzeige Handy

21 Spaß an Technik: Elektronik Anhang Bauteile,Theorie, Formeln... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 21

22 Spaß an Technik: Elektronik Die Ultraschall-Abstandsmessung Empfänger Start- Puls Sender Luftdruck: Pulspaket Spannung: Pulspaket Luftdruck Empfangssignal Start Laufzeit Empfang Reflektion Schallgeschwindigkeit Luft} = 343 m/s (für 20 C Lufttemperatur V = s / t t S = 343 m/s / t(laufzeit) Abstand = s/2 z.b Abstand 10cm, Laufzeit 583 µs DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 22

23 Spaß an Technik: Elektronik Beispiel HC-SR04 von ITead Studios Specifications Power supply: 5V DC Quiescent current: <2mA Effectual angle: <15 Ranging distance: 2 cm 500 cm Resolution: 1 cm Ultrasonic Frequency: 40 khz Quelle: Itead Studios, DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 23

24 Spaß an Technik: Elektronik Beispiel HC-SR04 von ITead Studios Pins VCC (+5V) Trigg Echo GND (0V) Library: ftp://imall.iteadstudio.com/modules/im _HC_SR04/Lib_IM _HC_SR04. zip Datenblatt: ftp://imall.iteadstudio.com/modules/im _HC_SR04/DS_IM _HC_SR 04.pdf DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 24

25 Spaß an Technik: Elektronik Bauelement Servo Infos: Servos sind kleine Steuermotoren aus dem Modellbau. Quelle: Conrad.Katalog Quelle: Conrad.Katalog Quelle: voelkner-katalog Servos unterscheiden sich im Stellmoment (Steuerkraft) und in der Geschwindigkeit. Einige neue Servos haben abweichende Betriebsspannungen. Es gibt außerdem Servos mit Kunststoffgetrieben oder Metallgetrieben (stoßfest) Eingangssignal Getriebe Regel- Elektronik Motor Antriebsarm Winkelaufnehmer Servos arbeiten mit eingebautem Regler, das Eingangssignal wird durch die Mechanik auf einen Winkelwert umgesetzt. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 25

26 Spaß an Technik: Elektronik Quelle: Quelle: r/profi/stecker/stecker.htm Steckerbelegung DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 26

27 Spaß an Technik: Elektronik Bauelement Lichtempfindlicher Widerstand (LDR) Der LDR besteht aus Halbleitermaterial und aufgedampften Metallelektroden. Halbleitermaterialien sind normalerweise schlechte Leiter. Durch das Auftreffen von Lichtquanten auf den Halbleiter werden Elektronen aus dem Halbleitermaterial geschlagen, die als freie Ladungsträger die Leitfähigkeit verbessern. Beispiel Sonne: < lx Kerze in 2m Abstand: 0,25lx DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 27

28 Spaß an Technik: Elektronik Bauelement Siebensegment-Anzeige Bild: Siebensegment-Anzeigen bestehen aus 7-8 Leuchtdioden, deren Anschlüsse einseitig (Anode oder Kathode) auf einen Anschluss zusammengelegt sind. Sie erleuchten transparente Balkensegmente und können zur Anzeige von Ziffern über ein Bitmuster verwendet werden. Es sind auch 14- Segmentanzeigen und Punktraster-Anzeigen erhältlich. DP DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 28

29 Spaß an Technik: Elektronik Bauelement Siebensegment-Anzeige VQE21 Gemeinsame Kathode Durchlassgleichstrom IF = 20 ma Spitzendurchlassstrom IFRM = 150 ma Durchlassgleichspannung Ufmax = 2,6 V Lichtstärke bei IF = 10 ma, IV = µcd Sperrgleichspannung UR = 6 V Sperrgleichstrom bei UR = 6 V, IRmax = 100 µa Rastermaß 2,54 mm Ziffernhöhe 12,7 mm Maße (BxHxT): 24,8x20x9,5 mm VQE21 von unten DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 29

30 Anhang: Beschaltung mit Widerständen Dimensionierung Widerstände Die Analogeingänge des ATmega328 haben folgende Eigenschaften: Der interne Pull-Up-Widerstand Rp beträgt kω. Der interne Pull-Up-Widerstand kann durch Beschreiben des Eingangs (!) mit LOW abgeschaltet werden! Der Eingangsstrom ohne Pull-Up beträgt maximal 1 µa. Für schnelle Wandlungen beträgt Ri dynamisch nur 1 kω! Der interne Pull-Up-Widerstand Ru sollte abgeschaltet werden, da er tendenziell die Linearität verändert und durch seine hohe Toleranz einen ungünstigen Einfluss hat. Bei langsamen Messungen sollte der Strom durch den Spannungsteiler ca mal größer sein als der max. Eingangsstrom (Leckstrom). Bei schnellen Wandlungen (Auswertung von Signalen mit der maximalen Wandlungsrate ) sollte der Strom durch den Spannungsteiler wesentlich größer sein und damit der Gesamtwiderstand des Spannungsteiles wesentlich kleiner. Durch den hohen Stromfluss besteht die Gefahr der Erwärmung des Sensors. Evtl ist hier eine aktive Verstärkung notwendig. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 30

31 Spaß an Technik: Software Software Programmierung, Strukturen, Werkzeuge... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 31

32 Zeitmessung mit Echtzeituhren Spaß an Technik: Software Der Arduino besitzt zwei Hardware-Zähler, die von dem Quarz des Prozessors (16MHz) sehr genau getaktet werden. Die Zähler zählen nach Einschalten der Versorgungsspannung hoch bis sie überlaufen und von Null wieder anfangen. Mit der Funktion millis() kann man eine Zahl lesen, die im Millisekunden-Takt hochzählt. Der Counter läuft nach ca. 70 Tagen auf Null über. Mit der Funktion micros() kann man eine Zahl mit der Bedeutung Mikrosekunden lesen. Diese Zahl wird alle 4µs mit dem Wert 4 erhöht. Beispiel: unsigned long time; time = millis(); Beispiel: unsigned long testzeit; testzeit = micros(); Quelle: wikipedia.org DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 32

33 Zeitmessung mit Echtzeituhren Spaß an Technik: Software Ereignis 1 Programmverlauf //Zeit einlesen altzeit = millis(); Auf diese Weise lassen sich Ereignisse ausmessen oder mit Hilfe eines IF-Konstruktes Wartezeiten abwarten ohne über delay() das gesamte Programm zu blockieren. Ereignis 2 //Zeit enlesen aktzeit = millis() messzeit = aktzeit - altzeit; Zeit DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 33

34 Spaß an Technik: Software Funktions-Bibliothek zur Servo-Ansteuerung Initialisierung eines Servo- Programmteils (Objekt) Startwert Position Null Es existieren mehrere Libraries zur Servo-Ansteuerung. Die Standard-Bibliothek kann maximal 12 Servos steuern und erzeugt an den deklarierten Digitalausgängen PWM-Signale (Puls Width Modulated Signals). Servo-Objekt wird mit D9 verbunden Änderung der Position von 0 bis 180 Grad, Schrittweite 1 Grad Schreiben der Position auf den PWM-Ausgang, 15ms warten Änderung der Position von 180 bis 0 Grad, Schrittweite -1 Grad Schreiben der Position auf den PWM-Ausgang, 15ms warten DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 34

35 Spaß an Technik: Software Funktions-Bibliothek zum Einlesen der Analog-Eingänge Arduino kann die verfügbaren Analog-Eingänge einlesen. Die Wandler erwarten eine Spannung zwischen 0 und 5V. Es kann der Wertebereich falls gewünscht von 0...3,3V gelegt werden (externe Verbindung der Pins REF und 3,3V herstellen). DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 35

36 Spaß an Technik: Ferienaufgaben 1. Ultrasonic Scanner Das Ultraschallmodul wird provisorisch auf dem Servo-Hebel befestigt, so dass das Modul sich um 180 Grad schwenken lässt. Das Servo wird in 10-Grad-Schritten mit Pausen dazwischen verfahren. Es soll ständig zwischen den Endwerten hin- und herfahren. In jeder Pause wird eine Messung mit dem Ultraschall- Modul durchgeführt. Das Messergebnis (Laufzeit) wird in cm umgerechnet und in einem Array abgespeichert. Das Array enthält nach einem Scan also alle Abstandswerte, zugeordnet zu den Winkelschritten. Hintergrund: Diese Information lässt sich zur Navigation eines selbstgesteuerten Fahrzeugs durch Hindernisse verwenden. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 36

37 Spaß an Technik: Ferienaufgaben 2. Energie-Sucher Der LDR wird provisorisch auf der 2D-Servo-Konstruktion befestigt, so dass das Modul sich um ca. 120 Grad horizontal und 90 Grad vertikal schwenken lässt (Achtung, mechanische Zerstörung durch Begrenzung!). Die Servos werden in 5-Grad-Schritten mit Pausen dazwischen verfahren. Die Konstruktion soll zwischen den Endwerten hin- und herfahren. In jeder Pause wird eine Messung der Helligkeit durchgeführt. Es soll die hellste Messung herausgefunden werden. Es gibt mehrere Wege für die Suche, es soll eine intelligente Suchstrategie gefunden werden. Wenn die Position mit der größten Helligkeit gefunden wurde, dann verharrt der Servo-Arm dort. Wenn sich nun die Helligkeit ändert, soll ein neuer Suchvorgang ausgelöst werden. Auch hier sollte eine intelligente Suchstrategie von dem aktuellen Punkt aus gefunden werden. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 37

38 Spaß an Technik: Ferienaufgaben 3. Einstellbarer Prozess-Timer Es soll ein Timer von 0 bis 18 Sekunden aufgebaut werden. Die einzustellende Zeit soll über 2 Drucktasten einstellbar sein und auf dem LED-Display dargestellt werden. Bei Druck einer Start-Taste soll der Timer rückwärts laufen bis auf den Wert 0. Dann soll ein akustischer Alarm ausgelöst werden. Die Tasten sollen bei Anwendung entprellt werden. Dazu lässt sich die millis() - Systemuhr verwenden. Bei erstem Tastensignal wird die Uhr einmal gelesen. Bei jedem Programmdurchlauf wird die Uhr nun verglichen, ob bereits 20ms (Entprellzeit) seither vergangen oder überschritten sind. Falls das so ist, wird nun der Tastenwert endgültig eingelesen und für das restliche Programm genutzt. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 38

39 Ende DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 39