9. – 10. Schuljahr

Christoph Hoyer und Raimund Girwidz

Datenausgabe am Arduino

Konkretisierung für einen Ultraschallsensor

Im Basisartikel wurde bereits das EVA-Schema (Eingabe Verarbeitung Ausgabe) für die digitale Datenverarbeitung vorgestellt. In diesem Beitrag werden daran anknüpfend verschiedene Ausgabemöglichkeiten genauer betrachtet. Jede Ausgabeform wirkt unterschiedlich auf den Nutzer und setzt so andere Akzente.
Beim Arduino sind elektronische Ausgabebausteine sehr einfach anzuschließen. Außerdem sind in der Arduino-Software schon verschiedene Ausgabemöglichkeiten vorgesehen.
Exemplarisch werden Daten eines Ultraschallsender- und Empfängermoduls verwendet und weiterverarbeitet. Fachliche Anknüpfungen bestehen zur Kinematik, zu den Themen (Ultra-)Schall und Schallgeschwindigkeit, zur Elektrotechnik bzw. Sensorik sowie zu den Kontexten Fledermaus, Einparkhilfe und akustische Distanzmessung (s.a. das Beispiel im Artikel von Angela Fösel).
Die Ausgabe der Daten erfolgt:
  • über ein LCD-Display,
  • in einer Tabelle über die Arduino-Software
  • in einem Graphen über die Arduino-Software
  • durch eine LED-Farbampel
  • mit einem Lautsprecher.
Alle verwendeten Programmbausteine können von der oben genannten Internetseite heruntergeladen werden.
Materialliste
  • Arduino Uno,
  • USB-Kabel passend zum Arduino für die Energieversorgung und den Datenaustausch (meist im Lieferumfang enthalten),
  • Ultraschall-Entfernungsmesser HC-SR04,
  • Jumperkabel und Steckbrett.
Der Sensor
Der verwendete Ultraschallsensor HC-SR04 mit einem Sende- und einem Empfangsmodul verfügt über vier Pins und wird wie in Abbildung 1 gezeigt beschaltet. Liegt am Trigger-Pin des Sensors für mehr als 10 µs ein „HIGH-Signal an und schaltet sich der Pin anschließend auf den Zustand „LOW, so wird ein Ultraschallpuls emittiert. Gleichzeitig geht der Echo-Pin auf „HIGH. Sobald der Empfänger das akustische Echo empfängt, wird der Echo-Pin wieder auf „LOW gesetzt.
Durch die Messung der Dauer des „HIGH-Zustands am Echo-Pin kann so die Laufzeit des Schallpulses bestimmt werden. Mit der Schallgeschwindigkeit ist daraus dann die Laufstrecke berechenbar. Achtung: Der Schallpuls läuft hin und zurück. Die Laufstrecke des Schallpulses ist also die doppelte Entfernung!
Varianten der Datenausgabe
LCD-Display
Zusätzliche Materialien
  • LCD-Display (z.B JOY-iT 16×2 LCD-Modul mit 16-pol. Stiftleiste)
  • Potentiometer (10 kΩ) für den Displaykontrast
Die wohl intuitivste Herangehensweise an die Ausgabe von Daten ist die Verwendung eines Displays. Dort kann immer der aktuell gemessene Wert angezeigt werden. Die quantitativen Daten werden visuell vermittelt.
Die Beschaltung des Ultraschallsensors aus Abbildung 1 wird beibehalten. Zusätzlich wird noch das Display angeschlossen, sodass sich die Schaltung gemäß Abbildung 2 ergibt. Der verwendete Sketch auf dem Arduino ermittelt jede Sekunde die Entfernung zu einem reflektierenden Hindernis und gibt sie auf dem Display aus.
Programmierung
Für die Ansteuerung des Displays muss in der Arduino-Software die Bibliothek „LiquidCrystal eingebunden werden. Hierfür gibt es im Reiter „Sketch das Menü „Bibliothek einbinden, wo der Unterpunkt „Bibliothek verwalten ausgewählt werden muss. Im dann geöffneten Fenster kann in der Suchleiste nach der Bibliothek „LiquidCrystal gesucht werden. Mit einem Klick auf das Suchergebnis und einem weiteren Klick auf „Installieren wird die Bibliothek installiert.
Der passende Sketch ist auf der o.g. Internetseite zu finden. Dieser muss nun noch mit der Arduino-Software auf den Controller übertragen werden.
Grenzen dieser Ausgabevariante
Möchte man nicht nur den aktuellen Messwert auf dem Display angezeigt haben, sondern auch vorhergehende Messwerte in quantitativer Form visualisieren, empfiehlt sich eine der beiden folgenden Ausgabevarianten.
Tabelle
Messwerte können mit dem Arduino auch in Tabellen dokumentiert werden. Hierzu wird der sog. „serielle Monitor in der Arduino-Software genutzt....

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