Für Lehrer - Die Hardware

In diesem Bereich sollen die verschiedenen Hardwarekomponenten, die Software und natürlich auch Unterrichtsmaterial vorgestellt werden. Nachdem die Einleitung (hoffentlich) einen guten Überblick verschaffen konnte, wird es nun konkret.

Sie brauchen dieses Wissen nur, wenn Sie selbst Unterricht durchführen wollen bzw. Interesse an der Technik haben. Wir kommen auch vorbei und führen den Unterricht durch.


Die Box

Zuerst soll die Box vorgestellt werden. Dabei geht es natürlich erst einmal um die Anschlüsse, aber auch Interna sollen dargelegt werden. Denn im Inneren werkelt ein Arduino und der kann natürlich auch mit eigenen Programmen bestückt werden.


Aufbau

Die Box enthält Anschlüsse für maximal vier Sensoren und vier Aktoren. Die Aktoren können in zwei Fällen auch Servo-Motoren sein. Die Stromversorgung erfolgt bei geringer Belastung über die USB-Schnittstelle. Alternativ kann ein Steckernetzteil (7-12V) angeschlossen werden. Bei der Verwendung von Servo-Motoren ist dies zu empfehlen.

Die Eingänge messen Widerstände. In der Box ist für jeden Eingang ein Spannungsteiler mit 4,7k eingebaut. Somit lassen sich veränderbare Widerstände in dieser Größenordnung einfach anschließen.

Die Ausgänge sind “analog”, sie lassen also Werte von 0 bis 255 (im Programm SimpleProg auf 0 bis 100 skaliert) zu. Die maximale Ausgangsspannung ist 5V.

Alle Ein- und Ausgänge sind mit klassischen 2,6mm-Zwergenbuchsen realisiert.

Man kann die Box auf zwei Arten ansteuern. Zum einen ist die Verbindung über USB möglich. Empfohlen ist dies, wenn ein Laptop oder Computer zur Verfügung steht. Weiterhin kann die Kommunikation bei Verwendung eines Tablets bzw. Handys auch über Bluetooth erfolgen. Die Namen sind ABOX1 usw. In diesem Falle ist für die Stromversorgung aber das Steckernetzteil notwendig.

Für die Zusammenarbeit mit unserer Software ist eine Firmware notwendig, die Sie im Download-Bereich finden. Leihen Sie die Sets vom LBZ aus, ist die Firmware natürlich schon installiert.


Details

In der Box ist ein klassischer Arduino-Uno verbaut. Die Eingänge liegen an A0 bis A3. Die Ausgänge sind PWM-Signale, und zwar D3, D5, D6 und D9.

D0 und D1 werden für die seriellen Kommunikation mit dem Computer benötigt. TX und RX des Bluetooth-Moduls liegen an D11 und D12. Die Übertragungsrate beträgt in beiden Fällen 115200 Baud.

Obwohl die beiden rechten Anschlüsse für Motoren gedacht sind, können Sie natürlich auch andere Aktoren anschließen. Der Ausgang des Arduinos liegt dann lediglich an der gelben und nicht an der roten Buchse. Die rote Buchse liegt bei den Motoren immer an 5V.


Sensoren und Aktoren

Spannend ist natürlich die Frage, was man anschließen kann. Wir stellen die aktuellen Sensoren und Aktoren vor. Achtung, nicht jeder vorgestellte Baustein ist im Set des LBZ.

Die Sensoren und Aktoren sind im Allgemeinen in die Duplo-Steine integriert. So lassen sie sich leicht verbauen. Alle haben (bis auf die Motoren) zwei Anschlüsse.

Für die Aktoren gilt: Rot ist 5V (also plus), blau ist 0V (also minus). Die Steuerleitung der Motoren ist gelb.

Bei den Sensoren sind die Anschlüsse gelb und grün. Intern ist dies so realisiert, dass grün am Minuspol liegt. Im Gegensatz zu den Aktoren sind die Anschlüsse der meisten Sensoren jedoch vertauschbar. Den Schülern braucht man das aber nicht zu sagen.

Typische Aktoren sind LEDs, Lautsprecher und Motoren. Sensoren sind LDRs (also Lichtempfindliche Widerstände), Taster, Potis (also regelbare Widerstände) oder NTCs (temperaturempfindliche Widerstände). Auf den nächsten Seiten findet man die Details.


Aktoren

Der einfachste Aktor ist ein LED-Baustein. Er enthält nur die LED selbst und einen Vorwiderstand. Steine mit LEDs verschiedener Farben liegen dem Set bei.

Natürlich kann man auch zwei LEDs in einen Stein bauen. Hier ist es eine rote und eine, so dass man eine einfache Ampel bauen kann. Der Stein hat dann drei Anschlüsse, weil man den Minuspol nur einmal benötigt. Größere Ampeln könnte man bauen, dann sollte man aber Steine doppelter Höhe verwenden. Die sind selten.

Ein kleiner einfacher Lautsprecher lässt sich ebenfalls anschließen. Ausgeben kann man aber nur Töne unterschiedlicher Frequenzen und Klangwunder darf man auch nicht erwarten. Für einen Signalton oder eine Sirene reicht es aber.

Da alle Ausgänge PWM-Signale sind, lassen sich natürlich auch Servos antseuern. Da diese ein zusätzliches Steuersignal benötigen, ist man auf die letzten beiden Aschlüsse beschränkt. Verwenden lassen sich sowohl klassische Stellservos als auch “durchdrehende” Servos. In jedem Falle empfehlen wir aber (auch wenn es in 99% der Fälle klappt), ein zusätzliches Steckernetzteil zu verwenden und sich nicht allein auf die USB-Schnittstelle zu verlassen.

Servos verbindet man am besten mit beweglichen Teilen (Schranke, Tür) mit klassischen Bastel- (Klingel-) Draht. Den Servo selbst haben wir mit einem Kabelbinder auf einem abgeschliffenen 2x4-Stein gebunden.


Sensoren

Der einfachste Sensor ist ein Taster. Sein Widerstand schwankt zwischen 0 Ohm und “unendlich viel”, liefert also nur zwei Werte. Hinweis: Wenn man am Taster wackelt, kommen schon mal andere Werte. Für Schüler ist das manchmal verwirrend.

Mit einem einfachen LDR lässt sich ein Lichtsensor bauen. Nicht immer muss man wie bei einer Lichtschranke eine gegenüber liegende LED haben, oft reicht das Umgebungslicht aus.

Ein Poti zum Einstellen lässt sich auch gut verwenden. Z.B. könnte man damit eine (einfache!) Helligkeitsregelung bauen.

Mit einem simplen NTC im Stein hat man schon einen Temperatursensor. Hier darf man aber keine Wunder erwarten. Im Gegensatz zum Lichtsensor reagiert dieser sehr langsam. Auch schwanken die Werte nur geringfügig.

Wir haben auch Versuche mit Magnetschaltern unternommen. Dann könnte ein einfacher Magnet z.B. ein Ausweis sein, mit dem man Türen öffnet oder Lichtschranken deaktiviert. Einfache Magnetschalter sind jedoch sehr empfindlich und zerbrechen leicht. Deshalb haben wir davon wieder Abstand genommen.


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