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Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems

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Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems - PowerPoint PPT Presentation


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Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems. Der Tastsensor. Bauteil der Elektronik. Lego NXT-System. Lego RCX-System. Der Tastsensor kennt zwei ( bzw. drei ) Zustände: drücken loslassen stoßen

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Presentation Transcript
slide1

Die (neuen) Sensoren des

Lego Mindstorms NXT Systems

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein

TAEM – Sensoren bei LEGO

slide2

Der Tastsensor

Bauteil der Elektronik

Lego NXT-System

Lego RCX-System

  • 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)

WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein

TAEM – Sensoren bei LEGO

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Der Lichtsensor

Bauteil der Elektronik

Lego NXT-System

Lego RCX-System

  • 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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TAEM – Sensoren bei LEGO

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Der Rotationssensor

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)

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

Oberseite

Lego NXT-System

Unterseite

Ultraschallsensor mit Entfernungsangabe durch LEDs

Ultraschallsensor (kleine Ausführung)

Der Ultraschallsensor des NXT-Systems kann Entfernungen messen:

- im Bereich von etwa 7cm bis 280cm

- mit der Genauigkeit von 1 cm

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TAEM – Sensoren bei LEGO

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

  • 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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TAEM – Sensoren bei LEGO

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I

+

-

UR

UO

  • Einfacher Stromkreis / das Ohmsche Gesetz
  • Der einfache Stromkreis besteht aus folgenden drei Elementen:
  • Spannungsquelle (z.B. Batterie, Netzteil, Generator)
  • Widerstand (z.B. Glühlampe, Elektromotor, ohmscher Widerstand)
  • Elektrische Verbindungen (z.B. Kabel, Leiterbahn einer Platine)

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.

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Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

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U

I

R

  • Einfacher Stromkreis / das Ohmsche Gesetz

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

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:

Die Einheit des Widerstands ist das Ohm ().

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Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

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I3

Iges

UR3

UR2

UR1

I2

I1

R3

R2

R1

Uges

R3

R1

UR2

R2

UR1

UR3

Uges

Iges

Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

I3+I2

I3+I2+I1

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

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

Sie sind direkt miteinander verbunden! Der Leitungswiderstand wird vernachlässigt.

Für die elektrische Ladung gilt der Erhaltungssatz!

Bei Reihenschaltung verhalten sich die Widerstände wie die Spannungsabfälle.

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Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

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Konstante und veränderbare Widerstände

  • In der Elektronik lassen sich konstante und veränderbare Widerstände unterscheiden:
  • konstante Widerständen sind ohmsche Widerstände. Ihr elektrischer Widerstand ist stets gleich groß.
  • bei veränderbaren Widerständen ist der Widerstandswert abhängig von :
  • - der Temperatur (Thermistor)
  • - der Lichtstärke (Fotowiderstand)
  • - der angelegten Basisspannung (Transistor)
  • - der Frequenz (Spule und Kondensator)

C

B

E

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Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

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I

+

RA: Arbeitswiderstand

RA

RV: Veränderlicher Widerstand

UB: Betriebsspannung

Größe X, die den Wider-standswert ändert

UB

UA: Ausgangsspannung

UA

RV

_

R

X

I

X

Prinzip der Signaländerung

Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand

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)

URA

RV

URV

slide13

Sender

LED

Empfänger

FT

RA

Signal zum NXT

RV

LED

UA Ausgangsspannung

Der Lichtsensor

Beim LEGO - Lichtsensor handelt es sich um einen Reflexionssensor.

Die LED strahlt rotes Licht aus.

Die Intensität der reflektierten Strahlung ist abhängig von:

  • der Entfernung,

Hindernis

  • der Farbe des Hindernisses und
  • Störstrahlung aus der Umgebung.

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

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

Schaltungsaufbau:

Sender

Empfänger

Betriebsspannung + UB

Vorwiderstand begrenzt den Flussstrom der LED

Arbeitswiderstand zur

Signalerzeugung

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RA

RA

Signal zum NXT

UA Ausgangsspannung

Das Mikrofon (Der Schallsensor)

Der Schallsensor wandelt akustische Signale in elektrische Signale um.

Schaltungsaufbau:

Betriebsspannung + UB

Verstärker

Arbeitswiderstand zur Signalerzeugung

Mikrofon als veränderlicher Widerstand

Der NXT empfängt eine der Schallschwingung entsprechende Spannung.

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Ein Ultraschallsender strahlt akustische Impulse aus.

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

S

Ein Hindernis reflektiert einen Teil der Impulse.

AE

E

Ein Empfänger

nimmt die reflektierten Wellen auf.

Ultraschallsensor ( Abstandsmessung)

Prinzip:

t = 0,1 s

t = 0,2 s

t = 0,3 s

t = 0,4 s

t = 0,5 s

t = 0,6 s

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

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

s = 340 ms-1 ∙0,6 s = 204 m

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TAEM – Sensoren bei LEGO