Die Rätselbox - IPN-Kiel
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Die Rätselbox Inhaltsverzeichnis Wozu eine Rätselbox? Stückliste und die benötigte Werkzeuge • Stückliste • Schutzausrüstung • UV-Belichtungsgerät • Ätzbad • Brennspiritus • Säulenbohrmaschine • Lötstation und Lötzinn • Flachzange • Dritte Hand und Kreppband • Pinzetten • Entlötlitze • Seitenschneider • Abisolierer Der Schaltplan • Verpolungsschutz, Spannungsstabilisierung und Batterieüberwachung • Freischaltung der Sensoren • Servo-Ansteuerung • Mikrocontroller Arduino • Warum Arduino? • Die Programmieroberfläche • Die Hauptfunktionen • Beispielsketch Sensoren • Reedschalter • Lichtsensor/Fotowiderstand • Gabellichtschranke • Hall-Sensor • Das Tresorspiel Das Gehäuse Die Rätselbox Die Rätselbox wurde entwickelt, um Schüler/innen die Funktion von Sensoren am praktischen Beispiel näher zu bringen. Sie beinhaltet einen Fotowiderstand, einen Hallsensor, einen Reedschalter, eine Gabellichtschranke, einen Potentiometer und ist in zwei Fächer aufgeteilt. In einem Fach befindet sich die Elektronik. Das zweite Fach ist ein Aufbewahrungsfach für kleine Belohnung, die nach erfolgreichem Ansprechen der Sensoren und das Lösen eines Tresorspieles, mithilfe des Potentiometers, entnommen werden kann. Das Aufbewahrungsfach wird durch einen Servo gesperrt. Die Stückliste und die benötigte Werkzeuge Stückliste Schutzausrüstung Als Erstes auf die persönliche Sicherheit achten! UV-Belichtungsgerät Zuerst wird ein Platinenlayout erstellt und auf durchsichtige Folie gedruckt. Dieser wird mit einen UV-Belichtungsgerät auf eine Platine angebracht. Die nicht geschützte Bereiche der Platine reagieren auf das UV-Licht und können danach in einem Ätzbad weggeätzt werden. Ätzbad Die beleuchtete Bereiche der Platine werden mithilfe eines Ätzbades entfernt. Brennspiritus Mit dem Brennspiritus wird die verbliebene Schutzschicht und von der Platine entfernt. Lötlack Um die freigelegte Leiterbahnen zu Schützen, wird die Platine mit dem Lötlack besprüht. Die Leiterbahnen bleiben weiterhin lötbar. Säulenbohrmaschine Die Platine und das Gehäuse müssen noch gebohrt werden. Dazu werden die richtigen Bohrer gewählt und die Drehgeschwindigkeit eingestellt. Lötstation und Lötzinn Die Grundausstattung für das Einlöten der Bauteile. Bei der Lötstation müssen die Lötspitze und die Leistung ideal an die Bauteile angepasst werden. Lötzinn wird auch entsprechend gewählt. Flachzange Mit der Flachzange werden die Anschlussbeinchen der Bauteile gebogen. Dritte Hand und Kreppband Die dritte Hand und das Kreppband werden eingesetzt, um die Bauteile vor dem Löten zu befestigen, damit man vernünftig mit Lötkolben und Lötzinn hantieren kann. Pinzetten Die Pinzetten dienen als Hilfe beim Bestücken der Platine und Einsetzen oder entfernen der Mikrochips. Entlötlitze Sollte sich ein Lötfehler einschleichen, kann dieser mit der Entlötlitze entfernt werden. Sie saugt beim Erwärmen das unerwünschte Lötzinn ein, und die Bauteile können problemlos entfernt werden. Seitenschneider Um die Leitungen auf die richtige Länge zuzuschneiden, benutzt man einen Seitenschneider. Abisolierer Leitungsenden werden mit einem Abisolierer freigelegt. Um Schäden an der Kupferleitung zu vermeiden, muss der richtige Durchmesser eingestellt werden. Benötigte Länge kann man ebenso einstellen. Der Schaltplan Verpolungsschutz, Spannungsstabilisierung und Batterieüberwachung Verpolungsschutz: Die Diode D1 verhindert eine Beschädigung der Rätselboxelektronik durch eine falsch eingelegte Batterie. Spannungsregelung: Der Spannungsregler LE50A regelt die anliegende Spannung auf 5 Volt herunter. Die parallel zugeschalteten Kondensatoren sorgen für die Stabilität der Ausgangsspannung. Batterieüberwachung: Der Batteriezustand wird mit dem ATMEGA328P-PU ausgewertet. Da die Batteriespannung für diesen zu hoch ist, werden für die Batterieüberwachung zwei gleich große Widerstände in Reihe geschaltet, um anliegende Spannung zu halbieren. Zwischen den Widerständen wird der halbierte Wert abgegriffen und zu dem ATMEGA328P-PU geführt. Freischaltung der Sensoren Die Freischaltung der Sensoren erfolgt mithilfe eines Multiplexers. Die Adressleitungen (A, B, C) des CD4051BE werden mit High– oder LowSignalen angesteuert und schalten damit den entsprechenden, mit Sensorwert belegten Eingang (0-7) zu Ausgang (3) durch. Servo-Ansteuerung Die Spannungsversorgung des Servos wird parallel zu der Energiequelle geschaltet, um Spannungseinbrüche in der restlichen Schaltung zu vermeiden. Für zusätzliche Spannungsstabilisierung sorgt die Zuschaltung von Kondensatoren C5-C8. Die Signalleitung wird an den ATMEGA328 angeschlossen, durch den die Lage des Servos per Pulsweitenmodulation angesteuert wird. Mikrocontroller Der Mikrocontroller wurde entwickelt um Analog- und Logikschaltungen in komplexen Anwendungen zu ersetzen, in denen eine u.a hohe Flexibilität gefordert war. So ist heute oft ausreichend bei Ergänzung einer Anwendung eine Befehlszeile zur Programmierung des Mikrocontrollers hinzufügen, anstatt eine komplexe Schaltung neu aufbauen zu müssen. In der Schaltung wurde der Mikrocontroller ATMEGA328P-PU eingesetzt, der mit einem Arduino-UnoBoard programmiert wurde. Damit übernimmt er Aufgaben, wie Auswertung der Sensorwerte, Ansteuerung der LEDs und LCD-Bildschirmes etc. Getaktet wird der Mikrocontroller durch einen Quarzoszillator. Arduino Warum Arduino? Der Mikrochip ATMEGA328 wird mit der Arduino Software auf einem ArduinoBoard programmiert. Das Arduino-Board ist nichts anderes als ein fertig verschalteter Mikrocontroller, dementsprechend braucht man nur noch die anzusteuernden Bauteile per Steckverbindungen anzuschließen. Hardwareseitlich ist das Board also auch für Hobbyelektroniker leicht einsetzbar. Die Arduino-Programmiersprache ist für Anfänger ein idealer Einstieg in die CProgrammierung, da man mit einer einfachen Programmieroberfläche und vereinfachten, leicht verständlichen Syntax arbeitet. Dadurch ist Arduino auch für Menschen geeignet, die mit Programmieren erst angefangen haben. Die Programmieroberfläche Überprüfen Hochladen Neu Öffnen Speichern Serieller Monitor Info-Fenster Eingabefenster Die Hauptfunktionen Die Programme, die mit Arduino geschrieben werden, nennt man Sketchs. Ein Sketch hat zwei Hauptfunktionen: „Setup“ und „Loop“. In der Funktion „Setup“ werden Einstellungen wie Pinmodus oder die Nutzung einer Bibliothek festgelegt. „Setup“ läuft nur einmal durch. In die „Loop“-Funktion wird das gewünschte Programm reingeschrieben. Diese Funktion wird ständig wiederholt. Beispielsketch Der Rätselbox-Sketch Der Rätselbox-Sketch steht unter folgenden Links als .ino und als .txt Datei zum Download bereit: .ino Datei: http://www.ipn.uni-kiel.de/de/das-ipn/ausbildung/box.ino .txt Datei: http://www.ipn.uni-kiel.de/de/das-ipn/ausbildung/box.txt Um die .ino Datei öffnen zu können, wird die kostenlose Arduino Software benötigt. Sensoren Aufbau: Reedschalter Aufbau: Der Reedschalter besteht aus zwei Kontakten mit einer Eisennickellegierung, die hermetisch in ein Glasröhrchen eingeschmolzen sind. Das Glasröhrchen enthält ein Schutzgas oder Vakuum (hohe Schaltspannungen). Funktion: Die Kontakte werden durch ein von außen einwirkendes magnetisches Feld polarisiert und dadurch geschlossen. In der vorhandenen Schaltung wird durch ein Betätigen des Reedschalters der Lichtsensor freigeschaltet. Funktion: Lichtsensor/ Fotowiderstand Aufbau: Der Fotowiderstand besteht aus zwei, auf einer isolierten Unterlage angebrachten, kammartigen Leiterflächen, zwischen denen sich eine Schicht aus lichtempfindlichem Halbleitermaterial befindet. Funktion: Wird der Fotowiderstand beleuchtet, so kommt es zu einer Senkung des Widerstandswertes. Durch die Lichteinstrahlung werden die Elektronen in dem Halbleitermaterial freigesetzt, welche wiederum einen größeren Stromfluss ermöglichen. Um die Gabellichtschranke freizuschalten, muss der Widerstandswert des Lichtsensors angehoben werden. Gabellichtschranke Aufbau: Eine Gabellichtschranke besteht aus einem Sender (Infrarot-LED, Leucht- oder Laserdiode) und einem Empfänger (Fototransistor oder Fotodiode). Diese Bauteile stehen sich in einem gabelförmigen Gehäuse gegenüber. Funktion: Die Gabellichtschranke wird mit Betriebsspannung versorgt. Ist der Weg von Sender zu Empfänger frei, schaltet der Empfänger durch und gibt einem High-Signal aus. Ein Low-Signal erreicht man durch eine Unterbrechung des Lichtstrahls. Durch eine Unterbrechung des Lichtsignals wird in der Schaltung der Hallsensor freigeschaltet. Hallsensor Aufbau: Äußerlich besitzt der Hallsensor drei Anschlüsse. Zwei für Spannungsversorgung und ein Beinchen für die Ausgangsspannung. Intern ist ein Sensorplättchen mit einem Signalverstärker und Transistoren für jeweils positive und negative Ausgangsspannung verschaltet. Funktion: Der Hallsensor wird durch Stärke und Richtung eines Magnetfeldes gesteuert. In Ruhezustand gibt der Sensor, je nach Aufbau, halbe oder keine Spannung an Signalbeinchen aus. Wird ein Magnetfeld senkrecht zum Sensor angebracht, verändert sich die Ausgangsspannung, entsprechend der Polung des Magnets. Der in der Schaltung eingesetzte Hallsensor ist so beschaltet, dass er nur auf den Nordpol eines Magneten reagiert. Durch die Ansteuerung des Hallsensors wird das Tresorspiel freigeschaltet. Das Tresorspiel Die Programmierung des Mikrocontrollers beinhaltet vorprogrammierte Spannungswerte, die durch die Bedienung des Potentiometers nacheinander erreicht werden müssen. Die an dem Potentiometer anliegende Spannung wird durch den Mikrocontroller ausgewertet. Stimmt der Signalwert mit dem vorprogrammierten Wert überein, kann der nächste gesucht werden. Findet man alle benötigten Potentiometerstellungen, so wird der Servo automatisch angesteuert und entsperrt das Aufbewahrungsfach. Sobald man das Aufbewahrungsfach wieder schließt, wird dieser gesperrt, und das Spiel kann wiederholt werden. Das Gehäuse Für das Gehäuse werden folgende Teile aus einer 1 cm dicker Holzplatte ausgeschnitten: 2x Seitenplatte 1x Bodenplatte 1x Trennplatte 1x Deckel für den Aufbewahrungsfach 1x Seitenplatte für das Platinenfach 1x Seitenplatte für das Aufbewahrungsfach Die Bodenplatte Bohrungsdurchmesser Ø3mm Die Seitenplatte Bohrungsdurchmesser Ø3mm Seitenplatte für das Platinenfach Die Trennplatte Bohrungsdurchmesser Ø3mm Seitenplatte für das Aufbewahrungsfach Deckel für das Aufbewahrungsfach Der Deckel für das Platinenfach wurde aus einer Plexiglasscheibe ausgelasert Autor Dieses Projekt wurde entworfen, gebaut und dokumentiert von Lucia Orth Auszubildende am IPN Kiel
