Die (neuen) Sensoren des Lego Mindstorms NXT Systems

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

2. 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

3. 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 ! WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

4. 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

5. 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

6. 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

7. 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

8. 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. WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

9. 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 (). WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

10. 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. WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

11. 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 WWU - Institut für Technik und ihre Didaktik - Hein Elektronik/Elektrotechnik - 1. Einführung und allgemeine Grundlagen

12. 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

13. 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

14. 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. WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO

15. 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 WWU – Institut für Technik und ihre Didaktik – Hein TAEM – Sensoren bei LEGO