Melodien erzeugen mit Arduino. Eine Unterrichtssequenz für die Oberschule

Microcontroller in der Schule


Seminararbeit, 2017

27 Seiten, Note: 1,7


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Sachanalyse
2.1. Mikrocontroller.
2.2. Vorbetrachtungen zur Schallerzeugung
2.3. Vorbetrachtungen zum Photowiderstand:
2.4. Vorbetrachtungen Schaltung:

3. Bedingungsanalyse
3.1. Benötigte Technik
3.2. Schüler.
3.3. fachliche Voraussetzungen beim Schüler.

4. Didaktische Analyse
4.1. Bildungsgehalt und didaktische Reduktion.
4.2. Einordnung in die Bildungsstandards Informatik...
4.3. Einordnung in den Lehrplan.

5. Planung des Lehr-Lern-Arrangements

6. Anhang..
6.1. Quelltext – Melodie spielen mit „tone“.
6.2. Quelltext – Dämmerungsschalter Laterne
6.3. Quelltext – Integrierte Lösung
(Melodie über Dämmerungsschalter).
6.4. Quelltext – EOS Blinken.
6.5. Schaltpläne und Versuchsaufbau

7. Quellenverzeichnis.
7.1. Internetquellen (abgerufen am 11.07.2017)
7.2. Literatur.

1. Einleitung

In der folgenden Arbeit wird eine Sequenz von mehreren Stunden so aufbereitet, dass Planungsvorbereitungen, Fachbetrachtungen, didaktische Hinweise und Materialien für Lehrer und Schüler vorliegen, mit denen das Schülerprojekt „Melodiewecker mit Dämmerungsfunktion“ in einer zehnten Klasse der Realschule realisiert werden kann. Es wurde das Thema Melodie ausgewählt, weil Schüler hier die Möglichkeit haben, das Ergebnis mittels Melodien sehr individuell zu gestalten. Auch sind die zu steckenden Schaltungen nicht kompliziert und verlagern den Schwerpunkt der Arbeit nicht unnötig ins Technische.

2. Sachanalyse

Das Thema des Projekts lautet: “Arduino als Tageslichtwecker ”

Die dazugehörige Aufgabenstellung: Installiere dazu eine Schaltung für den Arduino, die bei Lichteinfall eine Weckmelodie abspielt, und Implementiere einen Sketch, der diese Funktion unterstützt.

Die Technik die zum Einsatz kommt besteht im Wesentlichen aus dem Mikrocontroller und den verwendeten Sensoren und Aktoren. Diese sind ein Lichtsensor und ein Lautsprecher.

2.1. Mikrocontroller

Der Arduino Uno ist ein Mikrocontroller. Hinter dem Begriff verbirgt sich ein kleiner Computer, der einen Prozessor, interne Speicher sowie Eingänge in analoger und digitaler Form und digitale Ausgänge besitzt. Diese Pins sind wichtig, um Sensoren oder Aktoren anzusprechen, welche der Plattform viele unterschiedlichste Einsatzfelder eröffnet.

Programmiert werden kann er über eine serielle USB-Schnittstelle, so dass die Sketches am PC in einer dem C++ ähnlichen Sprache editiert, compiliert und anschließend auf den internen Speicher des Geräts geladen werden können.

Die wichtigsten Funktionen sind Setup, in der alle benötigten Ein- und Ausgänge für das Programm definiert werden und Loop, unter welcher ein Programm immer wieder durchlaufen wird.

Der Arduino Uno wird mit 5 V versorgt und arbeitet mit einer Frequenz von 16 MHz.

2.2. Vorbetrachtungen zur Schallerzeugung

Töne sind Schallwellen, d.h. Schwingungen des Luftdrucks. Ein relativ zur Ausbreitungsrichtung fester Körper unterliegt diesen Luftdruckveränderungen, welche am Trommelfell in schnellem Rhythmus Bewegungen erzeugen. Der Mensch nimmt Frequenzen ab 35 Hz als Ton war. Je höher die Frequenz, desto höher der wahrgenommene Ton.

Im Versuch sollen Töne mittels Lautsprecher erzeugt werden.

Um Schwingungen der Luft zu erzeugen, bewegt der Lautsprecher eine Membran mit hoher Frequenz. Diese Bewegung wird an die Luft weitergegeben, welche sich dann in alle Richtungen ausbreitet.

Angesteuert wird der Lautsprecher durch elektrische Signale, welche in der Spule ein elektromagnetisches Feld auf- und abbauen. Die Membran sitzt auf einem entsprechendem Dauermagneten, welcher je nach Spannung angezogen bzw. Abgestoßen wird.

Mit dem Arduino kann man Frequenzen erzeugen, indem sich ein An- bzw. Aussignal, welches über einen Pin zum Lautsprechereingang führt, in entsprechender Frequenz abwechselt.

Piezoelemente, wie sie häufig vorkommen, bestehen aus einer Keramik und einer Metallscheibe. Digitale Signale liegen meist in Rechteckform vor. Beim Umschalten zwischen positiver Spannung und Masse biegt sich das Piezoelement, was ähnliche Auswirkungen auf den umliegenden Luftdruck hat, wie beim Lautsprecher. Im Unterschied zum Lautsprecher entstehen aber keine sinusartigen Wellen, sondern Rechteckwellen, da das abrupte umstellen zwischen konkav und konvexer Oberfläche dies auch auf den Luftdruck abrupt überträgt. Zum Abspielen von Melodien und Tönen sind diese Schallwellen ungeeignet, weshalb die Wahl auf einen Lautsprecher fiel.

Dieses Programm dient zum Einstieg in die Arduino IDE:

Void setup(){ pinMode(9,OUTPUT); //Pin 9 wird als Ausgang definiert } void loop(){ //Beginn der Schleife digitalWrite(9, HIGH); //Über Pin 9 wird der Lautsprecher

//oder eine LED angesteuert.

//Die Membran wird angezogen.

delay(1); //tausendstel Sekunde halten digitalWrite(9, LOW); //Membran wird losgelassen

delay(1); //tausendstel Sekunde warten }

2.3. Vorbetrachtungen zum Photowiderstand:

Im Projekt ist ein Photowiderstand vorgesehen, der den An- und Ausschalter für die Melodie ersetzen soll.

Der Photowiderstand ist im Bausatz vorhanden und verändert seine elektrische Leitfähigkeit je nach Lichteinfall. Alternative Bauteile, welche jedoch nicht im Arduino Lieferumfang sind, heißen Photodiode und Phototransistor.

LDR Fotowiderstand (Lichtsensor) verändert seinen Widerstand von ca. 300k Ohm im Dunkeln zu 16k Ohm in starker Helligkeit, wie es auf dem Bauteil bei Fritzing.org angegeben wird. Anhand des Widerstandes kann also die Helligkeit abgeleitet werden.

Das Bauteil nutzt an dieser Stelle die Dotierung von Störstellen im Kristallgitter des Cadmiumselenids mit lichtinduzierten Fremdatomen. Damit kann die Leitfähigkeit des Halbleiters deutlich erhöht werden. Dieser physikalische Ablauf unterliegt einer gewissen Trägheit. Insbesondere beim Eintritt von Dunkelheit verbleiben noch Ladungsträger im Material, was bei Anwendungen wie Lichtsensor oder Dämmerungsschaltern keine Beeinträchtigung darstellt.

Der Lichtsensor wird im Sketch als Dämmerungsschalter verwendet, der eine LED ansteuert.

Zum Aufbau gehören eine LED, einen Fotowiderstand und einen 10K Ohm Widerstand, welche als Spannungsteiler installiert werden. Der Fotowiderstand erhält 5V und geht in den analogen Pin A1. Der 10k Ohm Widerstand geht ebenso auf A1 wir und Ground. Damit kann man an A1 die Spannung ablesen, welche durch die Helligkeit am LDR verändert wird.

Im später aufgeführte Sketch wird ein Schwellwert für den Pin A1 angegeben, ab welchem die LED am Pin 9 eingeschalten wird.

2.4. Vorbetrachtungen Schaltung:

Der Lautsprecher wird direkt an einen Pin9 Ausgang angeschlossen, welcher im Programm als Ausgangspin für die Melodie definiert ist.

Das andere Ende gehört an Masse (GND). Theoretisch würde es so schon funktionieren, doch ist der Arduino nicht für diese Stromstärke ausgelegt. Der im Beispiel verwendete Lautsprecher hat 8 Ohm, was zu folgender Gleichung führt:

I = U/R = 5V / 8 Ohm = 650 mA

Um die 650 mA zu verringern, benötigt man einen größeren Widerstand des Lautsprechers, also schaltet man einen entsprechenden Vorwiderstand in Reihe.

I = U/R = 5V / (8 Ohm + 150 Ohm) = 31 mA

Mit 100 Ohm als Vorwiderstand ist die Stromstärke nun angemessen. Laut Nussey (S. 93 in: Nussey, John: Arduino für Dummies. 2015. Ulm.) beträgt die maximale Ausgangsstromstärke an den digitalen Pins des Arduino 40 mA bei 5 Volt.

Der Lichtsensor Liegt einerseits an 5 V, andererseits an Masse (GND). Dieser muss auch mit einem Widerstand in Reihe geschalten werden, damit die Stromstärke bei Lichteinfall nicht zu groß wird. Hier wurden abermals 150 Ohm gewählt.

Die Abhängigkeit der Stromstärke vom Licht ergibt sich aus der Gleichung

I = U / R,

so dass der Strom steigt, wenn der Widerstand bei Lichteinfall geringer wird.

Die Spannung verändert sich entsprechend und wird zwischen Sensor und Widerstand über den analogen Eingang A1 abgegriffen. Sollte dieser Wert eine bestimmte Schwelle überschreiten (z.B. bei Lichteinfall), so beginnt die Melodie.

Das Überprüfen mit einem Spannungsmessgerät ergab einen Spannungsabfall bei Verdunkelung mit dem Finger von 4,1 Volt auf 1,8 Volt.

3. Bedingungsanalyse

3.1. Benötigte Technik

Benötigt werden ein Arduino Uno Allnet Starter Kit pro Bank, d.h. In einem Raum mit 16 PC´s reichen 8 Bausätze aus. Dieses wird ständig weiterentwickelt und kostet derzeit ca. 49 Euro bei diversen Elektronikfachhändlern.

[...]

Ende der Leseprobe aus 27 Seiten

Details

Titel
Melodien erzeugen mit Arduino. Eine Unterrichtssequenz für die Oberschule
Untertitel
Microcontroller in der Schule
Hochschule
Technische Universität Dresden
Veranstaltung
Physical Computing
Note
1,7
Autor
Jahr
2017
Seiten
27
Katalognummer
V414596
ISBN (eBook)
9783668653368
ISBN (Buch)
9783668653375
Dateigröße
880 KB
Sprache
Deutsch
Schlagworte
Arduino, Programmierung, Melodien, Physical Computing, Microcontroller
Arbeit zitieren
Johannes Porsche (Autor), 2017, Melodien erzeugen mit Arduino. Eine Unterrichtssequenz für die Oberschule, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/414596

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