Ultraschallvorbereitung

Ultraschallvorbereitung

Bauen Sie Ihren eigenen Ultraschall-Entfernungsmesser, der mit Sensoren, die an den micro:bit angeschlossen sind, Objekte erkennt und deren Entfernung misst! Lernen Sie spielerisch die Grundlagen der Programmierung, Elektronik und des Umgangs mit Sensoren – ideal für den Physik- und Informatikunterricht oder für Heimexperimente mit Robotik und Smart Devices.

Beschreibung

Das Ultraschallgerät ist ein Projekt, das die Funktionsweise der Ultraschall-Entfernungsmessung praxisnah demonstriert. Es sendet und empfängt Schallwellen über einen Sensor und berechnet anhand der Zeit, die die Wellen für die Reflexion an einem Hindernis benötigen, die Entfernung – diese kann auf dem Display angezeigt, eine Animation gestartet oder eine LED eingeschaltet werden, wenn ein bestimmter Grenzwert überschritten wird.

Dieses Gerät eignet sich ideal für den Schulunterricht und Heimexperimente und erfordert keine fortgeschrittenen Kenntnisse. Kinder und Erwachsene können damit leicht die Prinzipien des Messens, der Sensorik und der Programmierung erlernen.

Verbindung

Der Ultraschallsensor wird über vier Kabel angeschlossen. Am Sensor befinden sich die Pins VCC (Strom), Trig, Echo und GND (Masse). Den VCC-Pin verbinden wir mit der weißen Stromschiene auf der Platine, die eine Spannung von 3,3 V liefert. Den Trig-Pin verbinden wir mit Pin 8 (P8), den Echo-Pin mit Pin 9 (P9) und erden ihn schließlich, indem wir GND mit der schwarzen Masseschiene verbinden. Weitere Informationen finden Sie in der Montageanleitung.

Ultraschall-Geräteanschluss

Empfehlung

Beim Anschließen muss die Erweiterungskarte ausgeschaltet und der micro:bit von der Stromversorgung getrennt werden.

Programm

Grundprogramm

Das Programm funktioniert, indem es zunächst den LED-Streifen einrichtet. Anschließend wiederholt es einen Teil des Codes, der ständig vergleicht, ob wir beispielsweise unsere Hand zu nahe an den Ultraschall bewegt haben. Die Schaltgrenze ist auf 15 cm eingestellt. Haben wir diese Grenze überschritten, weist der Code den LED-Streifen an, rot zu leuchten.

Lineare Funktion

Das Programm ist etwas komplizierter. Zu Beginn des Codes deklarieren wir Variablen. In die Variable „distance“ schreiben wir die vom Ultraschallsensor gemessene Entfernung des Objekts. Die Konstante NUM_LEDS speichert den Wert der Anzahl der LEDs auf unserem LED-Streifen. In unserem Fall hat der Streifen sechs davon. Wir initialisieren das Streifenobjekt, das unseren LED-Streifen darstellt. Abschließend legen wir die Grenzen unserer Messung fest, d. h. die minimale und maximale Entfernung.

Die erste Schleife führt die eigentliche Messung durch. Mithilfe eines Blocks aus der Sonar-Bibliothek schreiben wir den Messwert in die Variable „distance“. Um die gemessene Distanz in die Anzahl der leuchtenden LEDs umzurechnen, verwenden wir die Map-Funktion aus der Mathematikbibliothek. Diese Funktion arbeitet grundsätzlich als ternäre Funktion. Allerdings müssen wir die resultierende Zahl mit der Funktion „round down“ (Floor) in Ganzzahlen umwandeln. Damit die Anzahl der leuchtenden LEDs mit abnehmender Entfernung des Messobjekts vom Sensor steigt, müssen wir den Wert vom maximal möglichen Wert (Anzahl der LEDs auf dem Streifen) abziehen.

In der zweiten Schleife schalten wir den LED-Streifen ein. Dabei durchlaufen wir jede LED der Reihe nach in der For-Schleife. Ist die Ordnung der gegebenen LED gleich oder kleiner als der aus der ersten Schleife ermittelte LED-Wert, weisen wir der LED eine bestimmte Farbe zu. Ist die Ordnung höher, schalten wir die LED aus („weisen sie der Farbe Schwarz zu“). Wir dürfen die Show-Funktion nicht vergessen, damit die eingegebenen Werte der einzelnen LEDs wiedergegeben werden. Um die Änderungen zu verlangsamen und ein Flackern zu verhindern, fügen wir am Ende der Schleife eine Pause ein.

Aufgaben

Aufgabe 1: Längenmessung

Passen Sie das Programm so an, dass der LED-Streifen je nach Entfernung zum Hindernis schrittweise aufleuchtet. Je näher das Objekt, desto mehr LEDs leuchten.

Aufgabe 2: Hinderniserkennung

Ändern Sie das Programm so, dass zusätzlich zum Aufleuchten des LED-Streifens auch ein Ton aus dem micro:bit-Lautsprecher ertönt, wenn im ausgewählten Umkreis ein Hindernis erkannt wird.