Programmierung

Blumenbewässerung

clock 60 min
user 7.-9. Klasse
Fortgeschritten
In dieser Lektion lernst du, wie du einen micro:bit zusammen mit einem Bodenfeuchtemessgerät und einer Pumpe benutzt, um eine automatische Bewässerungsanlage für deinen Blumentopf zu bauen.
Materialliste
Das brauchst du:

Einführung

Wenn du mit der Lektion fertig bist, wirst du dies können:
  • Einen Bodenfeuchtesensor und eine Wasserpumpe an einen micro:bit anschließen
  • Wissen, wie ein Gleichstrommotor funktioniert
  • Wissen, was Transistoren sind und wozu man sie braucht
  • Verstehen, warum der elektrische Widerstand von trockener Erde höher ist
  • Einen externen Schaltkreis an einen micro:bit anschließen
  • Mithilfe eines Programmcodes einen Wert am Pin eines micro:bit lesen
  • Mithilfe eines Programmcodes den Wert am Pin eines micro:bit auf hoch oder niedrig setzen.

Was ist ein micro:bit?

Hvad er en micro:bit?

Ein micro:bit ist ein so genannter Mikrocontroller. "Mikro" bedeutet klein und "Controller" heißt, dass das Gerät etwas steuern kann. Um dem micro:bit mitzuteilen, wie etwas gesteuert werden soll, wird ein Programm benötigt. Wenn du einen Schaltkreis baust, kannst du ihn mit dem micro:bit steuern. Um die Steuersignale an den Schaltkreis zu übertragen, verwendest du die Anschlusspins am micro:bit. Über die Pins kann eine Spannung an den Schaltkreis angelegt werden – oder die im Schaltkreis vorhandene Spannung gemessen werden.

Was ist ein Bodenfeuchtesensor?

Der gabelförmige Bodenfeuchtesensor hat zwei Leiter, die als variabler Widerstand fungieren.

Der Widerstand variiert je nach Feuchtigkeit im Boden.

  • Je mehr Wasser im Boden ist, desto besser ist die Leitfähigkeit und desto geringer ist der Widerstand.
  • Je weniger Wasser im Boden ist, desto schlechter ist die Leitfähigkeit und daraus resultiert ein höherer Widerstand.

Der Bodenfeuchtesensor erfasst den Wassergehalt der Erde im Blumentopf und gibt dafür einen Zahlenwert an den micro:bit zurück. Je feuchter die Erde, umso höher ist die Zahl, die wir am micro:bit ablesen können.

Sehr trockener Boden ergibt einen Wert von etwa 600, während sehr nasser Boden einen Wert von etwa 1000 ergibt.

ACHTUNG: Weil der Sensor in feuchter Umgebung mit Strom versorgt wird, ist er der Korrosion ausgesetzt. Je länger er in feuchtem Boden unter Strom steht, umso schneller geht er kaputt. Deshalb sollte der Sensor immer nur für einen kurzen Messvorgang eingeschaltet und dann wieder ausgeschaltet werden.

Blomstervanding – Fritzing 1
blumen-sensorprogramm

Was ist eine Wasserpumpe? Und was ist ein Gleichstrommotor?

Ein Gleichstrommotor kann sich in beide Richtungen drehen, und genau solch ein Motor sitzt in unserer Wasserpumpe.

Die Wasserpumpe ist also zugleich eine Art Gleichstrommotor.

Bei Gleichstrommotoren ist es am einfachsten, sie nur in eine Richtung drehen zu lassen, und genau das werden wir in diesem Projekt tun.

Weil ein Gleichstrommotor aber mehr Strom benötigt, als die normalen Pins am micro:bit ihm liefern können, muss er an den speziellen 3V-Pin (+) angeschlossen werden.

Der 3V-Pin des micro:bit liefert stets Strom – eine Versorgungsspannung – und kann nicht programmiert werden.

Wenn der Gleichstrommotor an die Versorgungsspannung angeschlossen wird, ohne dass im Schaltkreis andere Elemente vorhanden sind, wird er dauerhaft eingeschaltet sein und laufen.

dc only

Um den Motor anzuhalten, brauchen wir einen Schalter. Das Einfügen eines Schalters in unseren Schaltkreis geht schnell und einfach.

Wenn wir den Schalter zum Beispiel zwischen dem Gleichstrommotor und GND (-) einfügen, kann kein Strom vom 3V-Pin (+) zum Gleichstrommotor und weiter zu GND (-) fließen – es sei denn, der Schalter wird eingeschaltet.

dc only with switch

Wenn der Schalter ein Druckknopf ist, läuft der Motor also nur dann, wenn wir den Knopf drücken. Leider kann man so einen Knopf nicht programmieren.

Dafür gibt es glücklicherweise eine andere Lösung: Es gibt nämlich "digitale Schalter", die wir programmieren können. Sie werden Transistoren genannt.

Was ist ein Transistor?

Ein Transistor ist eine Art "digitaler Schalter", der programmierbar ist.

Einen normalen Schalter müssen wir von Hand ein- und ausschalten, aber bei einem Transistor kann der micro:bit den "Schalter" (Transistor) für uns drücken.

Der Transistor, den wir brauchen, heißt MOSFET-Transistor.

Ein MOSFET-Transistor hat drei Beine:

  • Gate: Der Gate-Anschluss heißt auf Deutsch "Steuerelektrode". Er übernimmt die Rolle unseres Fingers auf dem Druckschalter.
    • 0 V: Wenn die Spannung am Gate-Anschluss 0 V beträgt, verhält sich der Transistor wie ein Schalter, der ausgeschaltet ist.
    • 3 V: Wenn die Spannung am Gate-Anschluss 3 V beträgt, verhält sich der Transistor wie ein Schalter, der eingeschaltet ist.
  • Drain: Der Drain-Anschluss heißt auf Deutsch "Abfluss". Er entspricht demjenigen Anschluss unseres Schalters, der mit dem Gleichstrommotor verbunden wird.
  • Source: Der Source-Anschluss heißt auf Deutsch "Quelle". Er entspricht demjenigen Anschluss unseres Schalters, der mit dem GND-Pin (-) des micro:bit verbunden wird.

Wenn die Spannung am Gate-Anschluss 0 V beträgt, kann kein Strom vom 3V-Pin (+) zum Gleichstrommotor und weiter zum GND-Pin (-) fließen.

Wenn die Spannung am Gate-Anschluss 3 V beträgt, fließt Strom vom 3V-Pin (+) zum Gleichstrommotor und weiter zum GND-Pin (-).

MOSFET (NPN)
Blomstervanding – Fritzing 2
blumen-pin0

Bauen eines Schaltkreises mit micro:bit, Bodenfeuchtesensor und Pumpe

Baue jetzt den auf dem Bild dargestellten Schaltkreis auf.

Auf den Illustrationen siehst du, wie der Schaltkreis aussehen muss.

Blomstervanding – Fritzing 3

Programmieren des Bodenfeuchtesensors und der Wasserpumpe in MakeCode

Schreibe ein Programm, das Folgendes kann:

  • Einschalten des Bodenfeuchtesensors, Auslesen und Speichern des Messwerts in einer Variablen, Ausschalten des Bodenfeuchtesensors
  • Einschalten der Wasserpumpe (Gleichstrommotor), wenn der Boden zu trocken ist
  • Für 5 Sekunden pausieren.

blumen-sensorprogramm-lang

Bauen einer automatischen Bewässerungsanlage

Setze den Bodenfeuchtesensor in die zu überwachsende Topfpflanze ein.

Setze die Pumpe mit dem Ansaug-Ende (oder Ansaugschlauch) in den Wasserbehälter ein. Hänge den Bewässerungsschlauch in den Blumentopf und befestige ihn so, dass kein Wasser vorbeiläuft.

Mache einen Testlauf!

Funktioniert die automatische Bewässerung? Sitzt der Schlauch richtig? Muss am Programmcode etwas verändert werden?

blomsterVand

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