(5) Ein Arduino LilyPad verkabeln

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) lernen die Komponenten zu verbinden und ein funktionstüchtiges, interaktives System zu schaffen.

infoÜbersicht

Nachdem die SuS bereits die Verkabelung von Batteriehalter und Aktuatoren (4) kennengelernt haben, beginnen sie ein interaktive System zu verkabeln. Dabei entdecken die SuS, dass die Sensoren ebenfalls mit Strom versorgt werden müssen. Nach der Einheit können sie ein System zusammensetzten, dass aus mehreren Komponenten besteht.

earthKontext MINT-Fächer: Die gestaltungsorientierte Auseinandersetzung mit Smarten Textilen eröffnen neue Zugangsweisen zur Technik und Programmierung für weniger technik-affine SuS und ermöglicht eine individuelle, interessenbezogene Förderung der Lernenden.

notepadMaterialien: Batterien, Krokodielklemmen

downloadArbeitsblatt: Verkabelung

configurationLilyPad Komponenten: je SuS-Team ein Batteriehalter, ein Sensor, ein Aktuator und ein vorprogrammiertes LilyPad-Mainboard

user-womanPraktische Aktivität

Zur Wiederholung des Erlernten über die Komponenten, demonstriert die Lehrkraft wie man einen Sensor und einen Batteriehalter mit Krokodilklemmen verbindet. Mit dem Erfahrungen aus der Einheit “(4) Lass es leuchten”  sagen die SuS vorher, was beim Einschalten des Schalters am Batteriehalter geschehen wird:

comment„Nichts wird passieren, weil wir einen Sensor anschließen. Ein Sensor kann seine Aktivität nicht ausdrücken (zum Beispiel durch ein Lichtsignal oder ein Tonsignal). Ein Sensor misst einen Wert der Umwelt und sendet ab einem bestimmten Grenzwert ein elektrisches Signal aus.“

Mit den SuS kann die Lehrkraft aufbauend auf der letzten Einheit “(4) Lass es leuchten” eine Methode entwickelt werden um erfolgreiche Verbindung von Sensor und Batterie sichtbar zu machen. Dafür ist ein Aktuator (LED, Lautsprecher, Vibrationsmotor) oder ein Voltmeter notwendig. Der “Output” Anschluss des Sensors ist dann mit Strom versorgt, wenn der Sensor eine bestimmte Umweltbedingung registriert. Wird nun an Aktuator zwischen den “Output” Anschluss vom Sensor angeschlossen, wird der Strom am Anschluss sichtbar gemacht.

lesson5_sensor_sichtbar_machen

Nun experimentieren Teams aus SuS mit Sensoren. Sie erhalten die Aufgabe die Sensoren so zu verkabeln, dass man erkennen kann, ob sie einen Reiz empfangen oder nicht. Dazu erhalten sie einen Batterienhalter, einen Sensor und einen Aktuator. Die SuS verändern die Umwelt (Licht an/ aus, Temperatur variieren, Sensor bewegen) und beobachten die elektrischen Signale mit dem Aktuator im interaktiven System.

Bevor den SuS Batterien ausgeteilt werden, sollten die Verbindungen überprüft werden um Frustration zu vermeiden. Dabei gilt es folgendes zu beachten:

  • Anschlüse fest mit den Klemmen verbunden und nicht verrutscht?
  • Die richtige Polung beachtet?
  • Batteriehalter eingeschaltet?

commentZum Beispiel erhält ein Team einen Lichtsensor und einen Lautsprecher. Sie verbinden den Batteriehalter mit Krokodilklemmen mit dem Lichtsensor und den Output Ausgang des Sensors mit dem Lautsprecher und dann mit dem Pluspol der Batterie. Dann leuchten sie mit einer Lampe auf den Sensor und entdecken dabei, wie viel Licht notwendig ist um den Lautsprecher zum piepsen zu bringen.

Auftretende Probleme sollten gesammelt werden, damit sie in der Einheit “Finde den Fehler!” behandelt werden können. Dazu zählen unter anderem:

  • auf dem Output Ausgang des Sensors ist nie Strom /immer Strom
  • die LED am Batteriehalter leuchtet nicht
  • das Verhalten des Aktuators wird unterbrochen (zum Beispiel flackert das Licht)

Wenn die erfolgreiche Verbindung von Aktuatoren und Sensoren an die Batterie funktioniert, können die SuS ebenfalls ein vorprogrammiertes LilyPad-Mainboard anschließen um das Programm vorzuführen. Zunächst wird das LilyPad-Mainboard an die Batterie angeschlossen, indem es mit Krokodilklemmen mit dem Plus-und Minuspol verbunden wird. Dann werden Aktuatoren und Sensoren auch an die Batterie angeschlossen, anschließend ans Mainboard. Dann wird die Stromversorgung des Aktuators mit der Batterie wieder aufgelöst und an den programmierten Anschluss des LilyPads angeschlossen.

Sämtliche LilyPad-Mainboards müssen also vor der Unterrichtseinheit so programmiert werden, dass ein Programm auf zwei bestimmten Ausgängen definiert worden ist.

commentZum Beispiel:„Falls Anschluss (Pin) a2 ein Input eines Lichtsensors über 200 erhält, dann sollte sich mit dem Anschluss (Pin) 8 eine LED einschalten“

lesson5_beispielprogram

Beispielprogramm in amici

Eine Anleitung für die Programmierung der LilyPad-Mainboards findet man im Tutorial SmartTextiledownload. Während der Programmierung müssen die Systeme bereits so verkabelt sein, wie sie auch im Unterricht verbunden werden sollen. Die Verbindung während der Vorbereitung mit Krokodilklemmen erlaubt das schnelle Austauschen der Komponenten, wenn mit Amici programmiert wird.  So können alle Mainboards (jeweils eins je Team) in kurzer Zeit vorprogrammiert werden.

commentZum Beispiel lautet das Programm: “Wenn Pin a2 ein Signal erhält, dann aktiviert Pin 8 eine LED.“

Arbeitschritte der SuS:

  1. Verbinde das LilyPad mit der Batterie, wie in der Abbildung als grüner Stromkreis gezeigt.
  2. Verbinde den Lichtsensor mit der Batterie. In der Abbildung ist das der rote Stromkreis.
  3. Verbinde die LED mit der Batterie. Löse dann den Minuspol wieder ab und verbinde ihn mit dem programmierten Anschluss des Mainboards. Das ist der blaue Stromkreis in der Abbildung.
  4. Verbinde den Output Pin des Sensort mit dem Mainboard. Das ist die orangfarbene Verbindung.

lesson5

Verkabelung des Systems

alertHinweise:

  • Möglicherweise lohnt es sich eine Schritt-für-Schritt-Erklärung für die Verbindung von Mainboard, Sensoren und Aktuatoren mit den SuS zu erarbeiten.

usersMöglichkeiten zur Binnendifferenzierung:

  • vergrößerte Kopien der Komponenten zur Vorbereitung zunächst mit Krokodilklemmen verbinden, erst im Anschluss auf die Komponenten übertragen.


 

christiane

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