Informatik Enlightened Station 4

Informatik Enlightened
Station 4 - Farbthermometer
Temperatur zum Leuchten bringen
Ihr habt euch also für ein Projekt aus der Kategorie „Die Welt
ein bisschen besser machen“ entschieden. Warum dieses
Projekt die Welt besser macht? Wie viele Menschen haben sich
schon die Finger verbrannt, weil die Herdplatte noch heiß war?
Oder haben angewidert das Gesicht verzogen, weil der Tee
schon kalt war? Das alles passiert nur weil der Mensch
Temperatur nicht sehen kann. Das könnt ihr jetzt ändern!
Eure Aufgabe heute ist es, ein Thermometer zu konstruieren,
das mittels verschiedener Farben anzeigt welche Temperatur
gerade herrscht.
Abb. 1: Einige LEDs
Farbmischung
Aufbau der Schaltung
Eure Schaltung beinhaltet folgende Elemente:




Abb. 2: Ein Brunnen mit LEDs verbaut
3x 220 Ω Widerstand
Abb. 3: Widerstand,
Temperaturfühler
1x Temperaturfühler LM35
und RGB-LED
1x RGB-LED
4 gelbe lange, je 1 blaues und rotes kurzes und langes Kabel
RGB-LEDs
RGB-LEDs sehen zwar aus wie normale LEDs (die ihr ja aus dem Einstiegsprojekt kennt), aber in
Wirklichkeit verstecken sich darin drei verschiedene LEDs! Nämlich eine Rote, eine Grüne und
eine Blaue LED, daher auch der Name RGB-LED. Das wirft natürlich die Frage auf, warum sie
keine sechs Beinchen, sondern nur vier
haben. Das liegt daran, dass der Hersteller
die Minus-Pole schon im Gehäuse
verbunden hat.
Hier muss das längste Beinchen mit dem
Minuspol verbunden werden. Legt ihr die
LED so vor euch, dass das längste Beinchen
an dritter Stelle liegt, könnt ihr im Bild
ablesen, welches Beinchen zum Plus-Pol
welcher Farbe gehört.
Diese drei Farben reichen um alle sichtbaren Abb. 4: RGB-LED
Farben darzustellen. Doch dazu später mehr.
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Eure ToDo’s:
1. Als erstes verbindet ihr die Plus- und Minus-Leiste des Steckbretts mit 5V bzw. GND auf
dem Arduino, so wie ihr es aus dem Einstiegsprojekt kennt.
2. Steckt die RGB-LED jetzt so in das Steckbrett, dass der Minus-Pin in der Minus-Leiste des
Steckbretts steckt. Die anderen Pins kommen jeweils in eine eigene Reihe des
Steckbretts.Anschließend werden die Reihen jeweils mit einem Widerstand mit der
anderen Seite des Steckbretts verbunden. Dort könnt ihr auch schon drei gelbe
Steckkabel einstecken, das obere Ende hängt aber erstmal in der Luft.
3. Nachdem ihr den Arduino mit dem Computer verbunden habt, könnt ihr auch
schon loslegen!
Verbindet die Steckkabel jeweils mit der Plus-Leiste und notiert auf der
nächsten Seite eure Beobachtungen!
Abb. 5: Komplette Schaltung
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Verbundenes Kabel
Farbe der LED
Links
Mitte
Rechts
Links & Mitte
Links & Rechts
Mitte & Rechts
Links & Mitte & Rechts
Wie kann es sein, dass das Ergebnis überhaupt nichts mit dem zu tun hat, was ihr im
Kunstunterricht über Farbmischung gelernt habt?
Additive Farbmischung
Aus dem Kunstunterricht kennt ihr ja den guten alten Malkasten.
Wenn ihr dort die Farben Blau und Gelb mischt und erhaltet ihr Grün.
Das funktioniert, weil sich das weiße Licht aus allen Farben zusammensetzt. Die Farben aus dem
Malkasten filtern bestimmte Anteile aus dem Licht, so dass bei Mischung mehrere Anteile
wegfallen. Mischt man alle Farben, so wird jeder Anteil gefiltert, das Resultat ist schwarz.
Im Gegensatz zu diesem sogenannten subtraktiven Farbmodell nehmt ihr
bei RGB-LEDs kein Licht weg, sondern mischt neues dazu. Mischt man alle
Anteile, so erhält man hier weißes Licht. Die Grundfarben
hier sind Rot, Grün und Blau. Mit diesen lassen sich alle
Farben des sichtbaren Lichts erzeugen.
Dieses Prinzip machen sich auch Fernseher und Monitore
Abb. 7: Monitorbild
zu nutze. Betrachtet ihr den Bildschirm aus der Nähe, so
Abb. 6:
Farbmischung
seht ihr, dass auch dieser sich aus winzigen roten, grünen und blauen
Bildpunkten zusammen.
Natürlich macht es Sinn, die RGB-LED mit dem Arduino zu steuern, statt immer Kabel umstecken
zu müssen. Verbindet also die Kabel jetzt nicht mit der Plus-Leiste, sondern mit den digitalen
Pins 9 (Blau), 10 (Grün) und 11 (Rot) am Arduino.
9,10 und 11 sind SpezialPins, zu erkennen an der
kleinen Schlange ~
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Jetzt geht es daran, mit eurem Vorwissen aus dem Einstiegsprojekt
die drei LEDs ein- und auszuschalten!
Legt dazu einen neuen Sketch an, erstellt das Grundgerüst und speichert alles unter einem
sinnvollen Namen!
Eure ToDo’s:
Hier nochmal eine Checkliste:
1. Ihr müsst für 3 LEDs auch 3 Variablen im Bereich Einstellungen benennen. Der Typ ist
.
2. Die LEDs sind an Ausgängen angeschlossen (
).
3. Schaltet die LEDs nacheinander und in Kombinationen an und aus (
).
4. Benutzt
zwischen den Schaltvorgängen,
um die Unterschiede zu sehen.
5. Speichern und ausprobieren ;-)
Abb. 8: Verschiedenfarbige LEDs und eine RGB-LED
Mehr als nur drei Farben
Wie ihr ja bereits an der Tabelle auf Seite 2 gesehen
habt, können RGB-LEDs noch mehr als nur drei Farben darstellen. Dazu müsst ihr einfach 2 oder
auch 3 der eingebauten LEDs gemeinsam anschalten.
Eure ToDo’s:
1. Speichert euren bisherigen Sketch unter einem neuen Namen ab.
2. Verändert ihn nun so, dass eure RGB-LEB ein Farbenspiel aus
rot, grün, blau, gelb, pink, türkis und weiß
aufführt.
3. Testest euer Programm und das Speichern nicht vergessen.
All diese Farben könnt ihr später nutzen, um verschiedene Temperaturen darzustellen. So sieht
selbst eure kleine Schwester auf den ersten Blick den Unterschied zwischen warm und kalt!
Die Temperatur
Es gibt viele verschiedene elektronische Bauteile, die Temperaturen messen können. Der LM35
ist eines davon. Auch wenn er nicht danach aussieht, beherbergt er eine komplexe Schaltung,
die euch die Arbeit deutlich erleichtert.
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LM35
Der LM35 hat drei Beinchen. Die komplexe Schaltung im
Inneren muss mit Strom versorgt werden, hierfür dienen die
beiden äußeren Beinchen. Zeigt die flache Seite zu euch, so
muss das linke Beinchen mit dem 5V-Anschluss (also der
Plus-Leiste) verbunden werden, das rechte Beinchen
verbindet ihr mit GND (also der Minus-Leiste).
Abb. 9:
LM35
Wenn der LM35 furchtbar heiß wird, habt ihr ihn falsch herum verbaut.
Zieht dann zügig den Stecker (nicht den LM35, sonst verbrennt
ihr euch die Finger!) und korrigiert das.
Abb. 10: Schaltung mit
LM35
Der mittlere Pin erfüllt die eigentliche Funktion des Temperaturmessers:
Pro 1 °C liegt hier eine Spannung von 10 mV an. Bei 20 °C liegen also 200
mV an.
Verbunden wird der mittlere Pin des LM35 mit einem analogen Eingang auf dem Arduino.
Notiert hier welchen ihr gewählt habt:
A__
Eure ToDo’s:
1. Damit ihr jetzt direkt mit dem Programmieren anfangen könnt, legt ihr einen neuen Sketch (mit
Grundgerüst) an und speichert ihn unter einem sinnvollen Namen.
2. Kopiert die Variablen für die RGB-LED aus dem vorherigen Sketch. Weist ihnen auch hier
in
den richtigen Typ zu.
3. Legt eine weitere
-Variable für den Pin des Temperatursensors an. Die analogen
Eingänge des Arduino werden mit der Funktion
ausgelesen. Diese Funktion liefert Werte zwischen 0 und 1023. 0 bedeutet, dass keine
Spannung anliegt; bei 1023 liegen volle 5 Volt an.
4. Bevor es weitergeht, speichert ihr den Sensorwert am besten in einer weiteren
Variablen. Der Sensor liefert nur ganze Zahlen, also braucht ihr eine Variable vom Typ
. Weist dieser in
den Sensorwert zu.
Euch stehen also folgende Fakten zur Verfügung:
 Ein Sensorwert zwischen 0 und 1023
 Eine Skala der Spannung von 0 bis 5 V
 Ein Sensor, der 10 mV, also 0,01V pro °C liefert
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Ihr ahnt es vielleicht schon: Da steht eine Menge umrechnen an! Aber keine Sorge, das
wird jetzt Schritt für Schritt erledigt.
Neben den Variablen für die Pins und dem Sensorwert braucht ihr noch zwei weitere
Variablen. Diese sollen die Spannung und die Temperatur speichern. Um die Temperatur
zu errechnen, müsst ihr wissen, wieviel Spannung am Sensor anliegt. Dafür müsst ihr den
Sensorwert (der ja zwischen 0 und 1023 liegt) in die Spannung (diese geht von 0V bis 5V)
umrechnen. Dies gelingt euch mit folgender Formel:
∙
5.0 statt 5 sagt dem Arduino,
dass er mit Kommazahlen
rechnen soll
5. Da das Ergebnis einer Division häufig eine Kommazahlen ist, braucht ihr einen neuen Typ
für diese Variablen: Dieser heißt float. Ihr erstellt diese Variablen also im Bereich
Einstellungen mit den Zeilen
6. Speichert mit Hilfe der Formel die anliegende Spannung in der entsprechenden
Variablen.
Der Sensor liefert 0,01 Volt pro °C, und da ihr jetzt die Spannung kennt, könnt ihr diese
durch den Umrechnungsfaktor 0,01 teilen und habt die Temperatur.
Wer in Mathe gut aufgepasst hat, der weiß, dass geteilt durch 0,01 das gleiche ist wie mal
100, daher sieht die Formel jetzt folgendermaßen aus:
∙
7. Übertragt auch diese Umrechnung in euren Sketch.
Den ∙ sucht ihr auf eurer
Tastatur vergeblich!
Programmier-sprachen nutzen
den * als Mal.
Wenn ihr die Temperatur berechnet, habt ihr nichts davon, solange sie nicht ausgegeben
wird. Zur Ausgabe habt ihr im Einstiegsprojekt ein Werkzeug kennengelernt: Den
Seriellen Monitor.
Zur Erinnerung die wichtigsten Befehle:
8. Startet den Seriellen Monitor in
Spannung und auch die Temperatur aus.
und gebt in
den Sensorwert, die
Also, das war doch jetzt ziemlich viel auf einmal. Schaut mal auf die Checkliste auf der nächsten
Seite, ob ihr auch an alles gedacht habt!
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Eure Checkliste
1. Habt ihr euren Sketch gespeichert?
2. Habt ihr im Bereich Einstellungen alle Variablen eingefügt und den richtigen Typ
angegeben?
[Hinweis: int-Variablen für die drei LED-Pins, den analogen Pin und den Sensorwert, float
für Temperatur & Spannung]
3. Haben die Pin-Variablen den richtigen Wert?
4. Nun zu
:
a. Der pinMode muss für analoge Eingänge nicht festgelegt werden, für die LED-Pins
aber schon.
b. Habt ihr den Seriellen Monitor gestartet?
5. In
:
a. Wird der Wert des analogen Eingangs gelesen?
b. Habt ihr die Formeln für Spannung und Temperatur richtig übertragen?
c. Werden die Ergebnisse auf dem Seriellen Monitor ausgegeben?
Abschließend sagt ihr dem Arduino noch mit
Temperatur einmal pro Sekunde überprüft.
(1000), dass es euch reicht, wenn er die
Es ist an der Zeit, den Sketch zu testen! Schließt den Arduino über den USB-Anschluss an den
Laptop an und startet die Übertragung. Schaut euch auf dem Seriellen Monitor die Werte an und
vervollständigt diese Tabelle:
Temperatur
Spannung
Sensorwert
Raumluft
Finger
Die letzten beiden Zeilen könnt ihr nutzen, wenn ihr einen Fön oder einen Lüfter zur
Verfügung habt.
Das Farbthermometer
Funktioniert alles? Gut, jetzt habt ihr schon alles beisammen, um Temperaturen zu messen! Und
ihr habt eine RGB-LED, mit der ihr mehrere Farben darstellen könnt. Ihr habt also alles, um die
Temperatur anzuzeigen.
Was haltet ihr davon, die LED bei Raumtemperatur blau leuchten zu lassen? Wenn es wärmer
wird vielleicht über gelb nach rot zu wechseln? Nutzt die folgende Tabelle, um zu notieren, bei
welcher Temperatur ihr welche Farbe anzeigen wollt! Und natürlich auch welche der drei LEDs
dazu leuchten muss.
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Temperatur
Farbe
R(ot)
G(rün)
B(lau)
Klingt nach einem Plan! Allerdings muss euer Sketch dafür noch ein wenig erweitert werden.
if-Anweisungen mit Bedingungen für Fortgeschrittene
Eine Bedingung muss nicht immer prüfen, ob zwei Dinge den gleichen Wert haben (zur
Erinnerung: == ), sondern auch ein Vergleich ob etwas kleiner (<), größer (>) oder
kleiner/größer gleich (<= bzw. >=) ist.
Mit „ “ könnt ihr auch mehr als eine Bedingung gleichzeitig abfragen. Verknüpft diese
Bedingungen dazu mit einem „&&“. Dabei müsst ihr aber um die einzelnen Bedingungen
Klammern schreiben. So wird die Anweisung nur ausgeführt, wenn beide Bedingungen
zutreffen.
Eure ToDo’s:
1. Erstellt für jeden Temperaturbereich eine -Anweisung. Dabei braucht der unterste und
der oberste Bereich jeweils nur eine Bedingung, alle Bereiche dazwischen jedoch zwei.
2. Lasst je nach Bereich die richtigen LEDs leuchten. Hinweis: Vergesst nicht die jeweils
anderen LEDs dabei wieder auszuschalten.
Wenn alles geklappt hat, sollte es bei euch etwa wie in den beiden Bildern funktionieren!
Wenn nicht, checkt noch mal eure if-Bedingungen und ob ihr jeweils die richtigen
LEDs ein- und ausgeschaltet habt!
Auf der nächsten Seite könnt ihr sehen, wie so eine komplette Schaltung aussehen könnte!
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Abb. 11 und 12: Komplette Schaltungen
Alles klappt? Herzlichen Glückwunsch! Wem das noch nicht genug
ist, der kann sich noch an die Bonus-Aufgaben herantrauen. Fragt
einfach die Betreuer nach dem Bonus-Blatt.
Quellenverzeichnis:
Abb. 1 –
Abb. 2 –
Abb: 3, 9 – Quelle: Screenshots der Fritzing-Software (http://fritzing.org)
Abb. 4, 5, 8, 10, 11, 12 – Quelle: InoSphere
Abb. 6 –
Abb. 7 – Quelle: Wikipedia.org, Author: E. Schütte
Alle weiteren Grafiken/Icons – Quelle: InfoSphere
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