Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik...

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Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 1

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Die (neuen) Sensoren des

Lego Mindstorms NXT Systems

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – HeinTAEM – Sensoren bei LEGO 1

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Der Tastsensor

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Lego NXT-System Lego RCX-System Bauteil der Elektronik

Der Tastsensor kennt zwei (bzw. drei) Zustände:-drücken-loslassen-stoßen

(Kombination aus erst gedrückt und dann wieder losgelassen (nicht gedrückt) – wird von der Software ermittelt)

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Der Lichtsensor

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Lego NXT-System Lego RCX-System Bauteil der Elektronik

Der Lichtsensor ist in der Lage: - die Helligkeit bzw. die Beleuchtungsstärke zu messen Der gemessene Wert einer reflektierten Strahlung ist abhängig von:

- der Farbe- der Form- der Oberfläche- der Entfernung

des Gegenstandes.

Achtung: ein weit entfernter heller Gegenstand kann den gleichen Messwert aufweisen wie ein naher dunkler Gegenstand !

Die gemessenen Werte liegen zwischen 0 und 100 und sind nicht einer Einheit – z.B. der Lichtstärke E in lux oder der Wellenlänge in nm für die Farbe – zuzuordnen !

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Der Rotationssensor

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Lego NXT-System Lego RCX-System Rotationssensor „Maus“

Im Lego NXT-Motor ist ein Rotationssensor mit eingebaut. Beim RCX-System war dies noch ein einzelner Sensor, der mit dem Motor verbunden werden musste.

Der Sensor ist in der Lage, auf einen Grad genau die Rotation zu messen. (zum Vergleich: der RCX-Sensor unterteilte eine volle Umdrehung in 16 Schritte, also jeweils 22,5 Grad)

Durch den eingebauten Rotationssensor kann der Motor so angesteuert werden, dass er sich z.B. genau dreimal bzw. um 1080 Grad drehen soll.

Bei „abgestelltem“ Motor kann der Rotationssensor als reiner Sensor fungieren.

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Das Mikrofon (Schallsensor)

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Lego NXT-System Bauteil der Elektronik

Das vom Mikrofon erzeugte elektrische Signal bildet- die Lautstärke (Amplitude) und- die Tonlage (Frequenz)

des gemessenen Geräusches ab.

Die gemessenen Werte können wieder einen Wert zwischen 0 und 100 annehmen. Wie auch beim Lichtsensor können diese nicht einer physikalischen Einheit (wie z.B. dB für die Amplitude oder Hz für die Frequenz für die Tonlage) zugeordnet werden.

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Der Ultraschallsensor

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Der Ultraschallsensor des NXT-Systems kann Entfernungen messen:- im Bereich von etwa 7cm bis 280cm- mit der Genauigkeit von 1 cm

Lego NXT-System

Ultraschallsensor mit Entfernungsangabe durch LEDs

Oberseite

Unterseite

Ultraschallsensor (kleine Ausführung)

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• Für das Verständnis der Funktionsweise der Sensoren sind Grundkenntnisse der Elektronik / Elektrotechnik nötig

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• Daher sollten folgende wichtige Begriffe und Grundlagen als bekannt vorausgesetzt werden:

– Einfacher Stromkreis / das Ohmsche Gesetz

– Reihen- und Parallelschaltung

– Konstante und veränderbare Widerstände

Prinzip der Signaländerung

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Der einfache Stromkreis besteht aus folgenden drei Elementen:

1.Spannungsquelle (z.B. Batterie, Netzteil, Generator)

2.Widerstand (z.B. Glühlampe, Elektromotor, ohmscher Widerstand)

3.Elektrische Verbindungen (z.B. Kabel, Leiterbahn einer Platine)

UO UR

I

+

-

Die Spannung UO setzt als energetische Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in Bewegung.

I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle UR.

Einfacher Stromkreis / das Ohmsche Gesetz

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Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab. R

UI

Einfacher Stromkreis / das Ohmsche Gesetz

Die Spannung und die Stromstärke verhalten sich an elektrischen Widerständen proportional zueinander. Diesen Zusammenhang hat Ohm entdeckt. Deshalb nennt man ihn „Ohmsches Gesetz“.

U I

Dabei ist der Widerstand R der Proportionalitätsfaktor und das Gesetz lautet in der üblichen Schreibweise:

I

UR

Die Einheit des Widerstands ist das Ohm ().

11

1][

A

VR

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UgesUges UR3

UR1UR2

UR1UR2UR3

R3 R2 R1

R3 R2 R1

IgesI3+ I2

321 IIII ges

321 RRRges UUUU

321 RRRRges

321 RIRIRIU ges

321 RRRges UUUU

321 R

U

R

U

R

UI gesgesgesges

321 IIII ges

321

1111

RRRRges

I3+ I2+I1

Bei Reihenschaltung verhalten sich die Widerstände wie die Spannungsabfälle.

Warum ist die Stromstärke bei Reihen-schaltung in jedem Punkt gleich?

Für die elektrische Ladung gilt der Erhaltungssatz!

Warum ist die Spannung bei Parallel-schaltung an allen Widerständen gleich?

Sie sind direkt miteinander verbunden! Der Leitungswiderstand wird vernachlässigt.

Iges

I1

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

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In der Elektronik lassen sich konstante und veränderbare Widerstände unterscheiden:

1.konstante Widerständen sind ohmsche Widerstände. Ihr elektrischer Widerstand ist stets gleich groß.

2.bei veränderbaren Widerständen ist der Widerstandswert abhängig von :

- der Temperatur (Thermistor)

- der Lichtstärke (Fotowiderstand)

- der angelegten Basisspannung (Transistor)

- der Frequenz (Spule und Kondensator)

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Konstante und veränderbare Widerstände

BC

E

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Prinzip der Signaländerung Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand

RA

RA: Arbeitswiderstand

RV

RV: Veränderlicher Widerstand

UB: Betriebsspannung

UB

+

_

UA

UA: Ausgangsspannung

Größe X, die den Wider-standswert ändert

Der nichtlineare Widerstand hat eine negative Charakteristik wie z.B. Thermistoren, Fotowiderstände und – dioden, Transistoren aber auch Kondensatoren (bei C ist die Schaltung mit Wechselspannung zu betreiben)

R

X

X RV

URV

URA

I

I

RVRAB UUU

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Der LichtsensorBeim LEGO - Lichtsensor handelt es sich um einen Reflexionssensor.

Hin

de

rnis

Die Intensität der reflektierten Strahlung ist abhängig von:

• der Entfernung,• der Farbe des Hindernisses und

Die LED strahlt rotes Licht aus.

Der Fototransistor empfängt reflektiertes rotes Licht und Strahlung aus der Umgebung.

Sender

LED

EmpfängerFT • Störstrahlung aus der Umgebung.

Schaltungsaufbau:

Sender

Vorwiderstand begrenzt den Flussstrom der LED

RV

LED

Empfänger

Signal zum NXT

RAArbeitswiderstand zur Signalerzeugung

UA Ausgangsspannung

Betriebsspannung + UB

Im Empfänger ändert sich je nach Intensität der Strahlung eine Gleichspannung.

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Das Mikrofon (Der Schallsensor)

Der Schallsensor wandelt akustische Signale in elektrische Signale um.

Schaltungsaufbau:

Arbeitswiderstand zur Signalerzeugung RA

Signal zum NXT

RA

UA Ausgangsspannung

Betriebsspannung + UB

Mikrofon als veränderlicher Widerstand

Verstärker

Der NXT empfängt eine der Schallschwingung entsprechende Spannung.

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Ultraschallsensor ( Abstandsmessung)

Prinzip:

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen ist von der Temperatur des Ausbreitungsmediums abhängig.Luft: = 0°C v = 331,5 ms-1

= 15°C v = 340 ms-1

Glas: v > 5500 ms-1

Wasser: v 1460 ms-1

Ein Ultraschallsender strahlt akustische Impulse aus.

S Ein Hindernis reflektiert einen Teil der Impulse.E

Ein Empfänger nimmt die reflektierten Wellen auf.

AE

Die Auswerteelektronik (AE) steuert den Prozess und berechnet aus der Laufzeit der Impulse den Abstand zum Hindernis.

Für das obige Beispiel ergibt sich für den Abstand mit der Formel: s = v ∙ t

s = 340 ms-1 ∙ 0,6 s = 204 m

t = 0,1 st = 0,2 s

t = 0,3 st = 0,4 st = 0,5 s

t = 0,6 s