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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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Präsentation zum Thema: "Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 1."—  Präsentation transkript:

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

3 Der Tastsensor WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 2 Lego NXT-SystemLego 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)

4 Der Lichtsensor WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 3 Lego NXT-SystemLego 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 !

5 Der Rotationssensor WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 4 Lego NXT-SystemLego RCX-SystemRotationssensor 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.

6 Das Mikrofon (Schallsensor) WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 5 Lego NXT-SystemBauteil 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.

7 Der Ultraschallsensor WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 6 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)

8 Für das Verständnis der Funktionsweise der Sensoren sind Grundkenntnisse der Elektronik / Elektrotechnik nötig WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 7 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

9 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 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) UOUO URUR I +-+- Die Spannung U O setzt als energetische Antriebsgröße einen Strom I (Strömungsgröße) in Bewegung. I strömt durch alle Teile eines Stromkreises und erzeugt an allen Widerständen R Spannungsabfälle U R. Einfacher Stromkreis / das Ohmsche Gesetz

10 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 9 Wird ein Widerstand von einem Strom durchflossen, so fällt über dem Widerstand ein Spannungsabfall ab. R U I 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: Die Einheit des Widerstands ist das Ohm ( ).

11 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen 10 U ges U R3 U R1 U R2 U R1 U R2 U R3 R3R3 R2R2 R1R1 R3R3 R2R2 R1R1 I ges I3+ I2I3+ I2 I3+ I2+I1I3+ 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. I ges I1I1 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen I3I3 I2I2

12 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) WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen Konstante und veränderbare Widerstände B C E

13 12 Prinzip der Signaländerung Spannungsteiler aus linearem und nichtlinearem Widerstand RARA R A : Arbeitswiderstand RVRV R V : Veränderlicher Widerstand U B : Betriebsspannung UBUB + _ UAUA U A : 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 RVRV U RV U RA I I

14 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 13 Der Lichtsensor Beim LEGO - Lichtsensor handelt es sich um einen Reflexionssensor. Hindernis 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 Empfänger FT Störstrahlung aus der Umgebung. Schaltungsaufbau: Sender Vorwiderstand begrenzt den Flussstrom der LED RVRV LED Empfänger Signal zum NXT RARA Arbeitswiderstand zur Signalerzeugung U A Ausgangsspannung Betriebsspannung + UB Im Empfänger ändert sich je nach Intensität der Strahlung eine Gleichspannung.

15 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 14 Das Mikrofon (Der Schallsensor) Der Schallsensor wandelt akustische Signale in elektrische Signale um. Schaltungsaufbau: Arbeitswiderstand zur Signalerzeugung RARA Signal zum NXT RARA U A Ausgangsspannung Betriebsspannung + UB Mikrofon als veränderlicher Widerstand Verstärker Der NXT empfängt eine der Schallschwingung entsprechende Spannung.

16 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO 15 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 s t = 0,2 s t = 0,3 s t = 0,4 s t = 0,5 s t = 0,6 s


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