Universeller Experimentieraufbau mit ARDUINO (Logikschaltung

Universeller Experimentieraufbau mit ARDUINO
(Logikschaltung, Temperaturregelung, …)
(W. Heubeck / H. Rauch)
Beschreibung:
Der Experimentieraufbau enthält neben dem ARDUINO-Mikroprozessor-Board:
Motor mit Luftschraube
Heizwiderstände mit Temperatursensor
Leuchtdiode
Potentiometer
2 Taster
Mit der Software „Scratch for Arduino“ (S4A) lassen sich vielfältige Experimente durchführen, angefangen von der UND- bzw. ODER-Schaltung bis zum Thermostaten mit grafischer Darstellung des Temperaturverlaufs.
Schaltung:
Die Taster T-1 und T-2 legen im
gedrückten Zustand den Widerstand R1
bzw. R2 nach Masse.
D. h. im gedrückten Zustand liefern sie
eine logische „0“ und im Ruhezustand
eine logische „1“, was für die
Programmierung wichtig zu wissen ist.
R1
Das Potenziometer ist direkt mit +5V (LK-5) und Masse (LK-1) verbunden.
Der Abgriff führt direkt zum Analog-Eingang A0 .
Somit kann man eine Spannung von 0V – 5V an A0 legen,
was in S4A die Zahlenwerte 0 – 1023 liefert.
Das Ein- bzw. Ausschalten des Motors und der Heizwiderstände mit der LED
erfolgt nicht durch Relais, sondern kontaktlos mittels zweier n-Kanal-LeistungsMOSFETs vom Typ BUZ11.
Ein MOSFET (MetalOxide Semiconductor FieldEffect Transistor) kann praktisch
leistungslos, d.h. rein durch eine Spannung (z.B. durch Berührung des Gates mit
dem Finger) angesteuert werden und hat im durchgeschalteten Zustand einen rel.
geringen Widerstand.
Da MOSFET Bauelemente extrem hochohmig sind, ist die Gefahr der Zerstörung
bei Berührung durch elektrostatisch aufgeladene Personen sehr hoch.
1
LK-12
+5V
M
ARDUINO
Digital-11
100
LK-10
Eine zweite gleiche Schaltung
steuert mittels des Digital-10Ausgangs des Arduinos
an Stelle des Motors (M) die
Heizwiderstände mit der roten
LED.
Da der Motor (Spule) eine
Induktivität darstellt, müsste
bei der Ansteuerung durch
einen Transistor eine sog.
Freilaufdiode eine
Zerstörung beim Abschalten
verhindern. Diese integrierte
Diode reicht aber aus.
Material:
1
1
1
21 cm x 12 cm (Sperrholz 12 mm)
5 cm x 2,5 cm (Sperrholz 12 mm)
12 cm x 2 cm x 1,5 cm (Leiste)
1
1
1
1
Lüsterklemmenleiste
Solarmotor SR 500 (0,3 V – 9 V)
Befestigungsklammer f. Motor
Luftschraube
19.415.0
06.013.0
06.022.0
05.004.0
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1
2
1
2
1
2
Widerstand 75 Ohm
Widerstand 100 Ohm
Widerstand 2,2 kOhm
Widerstand 10 kOhm
Trimmpoti m. Steckachse 10 kOhm
Minitaster
Schaltdraht (versch. Farben)
18.085.0
18.085.0
18.085.0
18.085.0
18.282.0
19.183.0
19.042.1/3/5
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2
2
1
1
1
3
1
2
1
Stiftleiste, 36pol, abgew., RM2,54
BUZ 11
LM 35 DZ (0 - 100 °C)
LED, rot, 5mm, 2mA
Kondensator 1uF
Distanzhülsen 5mm
ARDUINO - UNO
USB-Kabel
Schrumpfschlauch d=2,4 mm
SL 1X36W 2,54
BUZ 11
LM 35 DZ
LED 5MM 2MA RT
MKS-2 1,0u
DK 5MM
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8
Spax 3 mm x 10 mm, Rundkopf
SDB 2,4 TR
Ponal Express
Lötkolben
Heißklebepistole
2
Bauanleitung:
Holzteile mit Ponal-Express
auf die Grundplatte kleben
LK-12
2cm
Motorklammer zentriert auf die
kleine Platte schrauben,
Lüsterklemmenleiste wie im
Bild bündig mit unterem
Grundplattenrand mit 2
Schrauben befestigen
10,5 cm
8cm
LK-1
[ Abb. 1 ]
Die Lüsterklemmen werden im Folgenden mit LK abgekürzt
Anschlüsse der Taster waagrecht
aufbiegen und das Trimmpoti sowie die 2
Taster am unteren Rand der Grundplatte
mit Heißkleber befestigen
Vorsicht: Achse muss drehbar bleiben!!!
siehe auch Abb. 3
(rot)LK-5
(gelb)LK-4
(gelb)LK-3
Rand der
Grundplatte
(gelb)LK-2
0,5cm
T-2
T-1
Trimmpoti
[ Abb.2 ]
verbinden
(schwarz) LK-1
Unter- oder oberhalb der Taster die Beschriftung T-1 bzw. T-2 auf der Grundplatte
anbringen.
3
A
100 
B
2,5 cm
rote LED
6,5 cm
[ Abb. 3 (noch ohne Entstörkondensator) ]
Je einen Widerstand 10 kOhm zwischen LK-2 <-> LK-4 sowie LK-3 <-> LK-4 klemmen.
Farbcode der Widerstände:
75
100
2,2
10
Ohm
Ohm
kOhm
kOhm
violett
braun
rot
braun
grün
schwarz
rot
schwarz
schwarz
braun
rot
orange
Konstruktion der „Heizung“ mit Temperatursensor:
Zwei 100 Ohm Widerstände parallel geschaltet zusammenlöten und an ein Ende 3,5 cm
Schaltdraht (rot), folgendermaßen anlöten:
1cm
[ Abb. 4 ]
Dieses Gebilde zu einem  biegen
und mit 2 Spax-Schrauben auf der
Grundplatte befestigen
(siehe Abb. 3)
[ Abb. 5 ]
4
Den kurzen ( = Kathode ) Anschlussdraht der LED auf 1,5 cm kürzen und den 2,2 kOhmWiderstand, von dem ein Anschlussdraht auf 1cm gekürzt worden ist anlöten.
Diese Kombination LED-Widerstand mit entsprechend gekürzten Anschlüssen an die
„Heizung“ knapp oberhalb der Spax-Schrauben anlöten. (Siehe Abb. 3)
An die Anschlussbeine des Temperatursensors LM 35 jeweils Schaltdraht anlöten:
(rot, 2cm)  +Vs , (gelb, 2cm)  VOUT , (schwarz, 5cm)  GND
Temperatursensor LM 35 DZ, Draufsicht auf die
Anschlussbeine
Vs = Spannungsversorgung, + 5 V
VOUT = Sensorsignal, 10 mV pro °C
GND = Masse
Die Drähte anschließend in die Lüsterklemmenleiste schrauben:
(rot)  LK-5 , (gelb)  LK-6 , (Schwarz)  LK-1
Den Temperatursensor jetzt mit den Anschlussdrähten so hinbiegen, dass sein Plastikgehäuse mit der flachen Seite an den zwei 100 Ohm Widerständen anliegt.
Den Sensor jetzt mit möglichst wenig Pattex dicht an die Widerstände kleben und bis
zum Aushärten mit Bindedraht etc. fixieren.
Temperatursensor LM 35 DZ
an die Widerstände
geklebt
Schraube -A (grün)  LK-8
Schraube-B (rot)  LK-5
[ Abb. 7 ]
Verdrahtung des Motors:
(rot, 13cm) an Anschluss A des Motors (siehe Abb. 3) löten und in LK-12 klemmen.
(grün, 10cm) an Anschluss B des Motors löten und in LK-11 klemmen.
Anschluss der MOSFETs:
Die beiden Leistungs- MOSFETs vom Typ BUZ 11 haben folgende Anschlussbelegung:
Die Source- und Drain-Anschlüsse jeweils 90° nach unten
biegen und wie in Abb. 8 gezeigt
in die Lüsterklemmenleiste
schrauben.
5
Gate-Anschlüsse
um 90° Richtung
Arduino biegen
LK-7
MOSFET-2
MOSFET-1
[ Abb. 8 ]
Anschluss des ARDUINOs:
Den Arduino mittels 3 Distanzrollen auf die Grundplatte schrauben.
Die Stiftleisten vorsichtig auf zwei mal 8 pins und einmal 13 pins kürzen.
Empfehlenswert ist dabei, die Stiftleiste knapp an der Bruchstelle mit der Flachzange zu
halten und sie dann abzubrechen.
Die Verdrahtung mit der LK-Leiste erfolgt folgendermaßen:
(rot, +5V) - LK-5;
(gelb, A0) - LK-4;
(schwarz, Masse (Gnd)) - LK-11;
(gelb, A1) - LK-6;
[ Abb. 9 (gestaucht) ]
(gelb, Digital-2)  LK-2;
(gelb, Digital-3)  LK-3;
(grün, Digital-10)  100 Ohm Widerstand  Gate-MOSFET-1 [ löten ]
(grün, Digital-11)  100 Ohm Widerstand  Gate-MOSFET-2 [ löten ]
vorher 3cm Schrumpfschlauch über den Widerstand schieben! (siehe Abb. 3)
USB-Kabel für Stromversorgung:
abisolieren und rote Ader  LK-12;
schwarze Ader  LK-11
Zugentlastung mittels Heißkleber herstellen (siehe Abb. 3)
Zusätzliche Brücken:
(schwarz) LK-7  LK-9;
(schwarz) LK-1  LK-11;
(schwarz) LK-9  LK-11;
(rot) LK-5  LK-12;
Entstörung des Analog-Eingangs:
LK-6
LK-11
An einen Anschluss des 1 FFolien-Kondensators den 75
Ohm-Widerstand löten, an den
anderen 7,5 cm (schwarz)
6