Programmierung

Automatiklicht

clock 45 min
user 7.-9. Klasse
Einfach
In dieser Lektion sollen die Schüler*innen lernen, wie man einen micro:bit zusammen mit einem Lichtsensor und einer Leuchtdiode verwendet, um automatisch das Licht einzuschalten, wenn es dunkel wird.
Schüleraufgabe
Inhalt
Materialumfang:

Motivation

Fächer: Physik, Mathematik, Sozialkunde

Elektrische Schaltungen und Bauelemente sind von großer Relevanz im Physikunterricht. Das Programmieren ist im Prinzip logisches Denken und Mathematik in einem. Und Kenntnisse darüber zu besitzen, wie die Automatisierung von Technik funktioniert und was dazu benötigt wird, gilt heute auch in den Sozialwissenschaften als relevantes Wissen.

In dieser Lektion werden die Schüler*innen erfahren, wie sie einen Schaltkreis bauen, den sie vielleicht von einem gewöhnlichen Nachtlicht her kennen, ohne je darüber nachgedacht zu haben. Dabei kann die Vorstellung, an einem Projekt zu arbeiten, das "im echten Leben" eingesetzt werden kann, sehr motivierend wirken.

Lernziele

Nach erfolgreich abgeschlossener Lektion:
  • Die Schüler*innen wissen, wie man externe Komponenten an den micro:bit anschließt.
  • Die Schüler*innen wissen, was Widerstände sind und wie man sie benutzt.
  • Die Schüler*innen wissen, was ein LDR-Fotowiderstand ist.
  • Die Schüler*innen wissen, wie eine LED funktioniert.
  • Die Schüler*innen können mithilfe eines Programmcodes einen Wert am Pin eines micro:bit auslesen.
  • Die Schüler*innen können mithilfe eines Programmcodes den Wert am Pin eines micro:bit auf hoch oder niedrig setzen.

Unterrichtsverlauf

In den folgenden Abschnitten wird beschrieben, warum und wie die einzelnen Bauelemente verwendet werden. Du kannst deinen Schüler*innen die Bauelemente und Geräte (oder Teile davon) aushändigen oder ihnen den Inhalt im klassischen Unterrichtsstil vermitteln.

Was ist ...

IntroduktionTilMicrobit

... ein micro:bit?

Ein micro:bit ist eine Art Microcontroller . "Micro" bedeutet klein und "Controller" heißt, dass das Gerät etwas steuern kann. Um dem micro:bit mitzuteilen, wie etwas gesteuert werden soll, wird ein Programm mit einem bestimmten Code benötigt.

Im Zusammenhang mit einem Schaltkreis kann der micro:bit dazu verwendet werden, die Schaltung zu steuern. Die Signalübertragung zwischen micro:bit und Schaltkreis erfolgt über die Anschlusspins am micro:bit. Über die Pins kann eine Spannung an den Schaltkreis angelegt werden – oder die im Schaltkreis bereits vorhandene Spannung gemessen werden.

LDR

... ein LDR (oder Fotowiderstand)?

Ein Widerstand ist ein elektronisches Bauelement, das den Fluss von Elektronen erschwert. Wie stark der Elektronenfluss gebremst wird, hängt vom Widerstandswert des einzelnen Widerstands ab. Ein LDR-Fotowiderstand ist ein besonderer Widerstand, dessen Widerstandswert nicht fest, sondern veränderlich ist. Der Widerstandswert richtet sich danach, wie viel Licht auf das Bauelement fällt – daher kommt auch die englische Bezeichnung "light dependent resistor" (lichtabhängiger Widerstand). Je mehr Licht auf das Bauelement trifft, umso geringer der Widerstandswert. Wenn es dunkel ist, ist der Widerstandswert des LDR am größten. Deshalb kann man den Fotowiderstand dazu benutzen, um die Helligkeit zu erkennen und zu messen.

LDR-Fotowiderstände sind vielerorts zu finden und werden zum Beispiel in automatischer Notbeleuchtung oder in Außenleuchten eingesetzt, die sich abends einschalten.

LED

... eine LED (oder Leuchtdiode)?

Bei vielen elektronischen Bauelementen spielt es keine Rolle, ob der Strom in die eine oder andere Richtung durch sie fließt. Einige elektronische Bauelemente können jedoch anders reagieren als beabsichtigt oder sogar kaputt gehen, wenn der Strom nicht aus der richtigen Richtung kommt. Deshalb gibt es besondere Bauelemente, wie zum Beispiel Dioden. Dioden lassen den Strom problemlos in eine Richtung hindurch, aber wenn der Strom von der anderen Seite kommt, wird er blockiert. Auf diese Weise können andere Komponenten geschützt und der Strom kann ausgerichtet werden.

Leuchtdioden nehmen ein spezielle Rolle ein. Wie bei anderen Dioden kann der Strom nur in einer Richtung durchfließen. An der LED ist meistens markiert, in welche Richtung das Bauelement gedreht werden muss, indem das eine Bein länger als das andere ist. Das lange Bein, die Anode, muss immer mit dem Pluspol (+) verbunden sein, wenn Strom durch die LED fließen soll. Das kurze Bein, die Kathode, wird mit dem Minuspol (-) der Schaltung verbunden. Doch im Gegensatz zu anderen Dioden emittieren LEDs Licht, wenn Strom durch sie fließt. Daher kommt auch ihr Name: LED steht für "light emitting diode" und wird auf Deutsch als "Leuchtdiode" oder kurz LED bezeichnet.

Um eine LED nicht zu überlasten, muss in den Stromkreis fast immer ein Widerstand eingebaut werden.

Zu bauende Schaltkreise

Die Schüler*innen sollen einen Schaltkreis aufbauen, wie er auf dem Bild unten dargestellt ist. Das ist eine sehr einfache Schaltung, die nur die LED, den Fotowiderstand und Batterien enthält. Wichtig ist, dass der Stromkreis geschlossen ist, d. h. dass jedes Bauelement vom Pluspol (+) zum Minuspol (-) mit dem nächsten verbunden und die LED richtig herum eingebaut wird. Das lange Bein der LED muss mit dem Pluspol des Schaltkreises verbunden sein. Falls du noch einmal nachsehen möchtest, wie die Verbindungen auf dem Steckbrett angeordnet sind, kannst du den Begriff in unserem Lexikon nachschlagen (siehe Menü).
LDR and LED
Wenn die LED leuchtet, ist die Schaltung richtig aufgebaut. Hält man einen Finger über den LDR, trifft weniger Licht auf den Fotosensor auf, was den Widerstandswert erhöht und weniger fließen lässt. Die LED leuchtet dann schwächer. Leuchtet man den LDR jedoch mit einer Taschenlampe an, verringert sich dessen Widerstand und die LED leuchtet stärker.

Einbinden des micro:bit

Damit die LED anders reagiert, kannst du entweder einen komplexeren Schaltkreis mit deutlich mehr Bauelementen erstellen oder einen Microcontroller hinzufügen. Für diese Lektion haben wir uns für den micro:bit entschieden, den wir so programmieren können, dass das Licht automatisch ein- und ausgeschaltet wird.

LDR-Schaltkreis

Wenn man den LDR-Fotowiderstand so anschließt, wie auf dem Bild gezeigt, kann er dazu verwendet werden um festzustellen, wie viel Licht aktuell in der Umgebung herrscht.
LDR and micro

LED-Schaltkreis

Als nächstes verbinden wir unsere LED mit dem micro:bit. Das lange Bein wird mittels einer Steckbrücke an P2 angeschlossen. Das kurze Bein wird mit einem Widerstand von 56 Ω verbunden, der an den Minuspol (-) angeschlossen wird. Die Schaltung sollte jetzt so aussehen wie auf der nachfolgenden Illustration.
MB LDR and LED

Programmcode

Damit unser micro:bit die Werte aus dem LDR lesen kann, haben wir den Lichtsensor mit P0 verbunden. Jetzt müssen wir den micro:bit programmieren, damit er weiß, was er tun soll.

Öffne den Chrome-Browser, gehe zu MakeCode.com und erstelle ein neues micro:bit-Projekt. Gib deinem Projekt einen passenden Namen.

Um es einfacher zu machen, kann der micro:bit direkt mit der MakeCode-Oberfläche in Chrome verbunden werden. Klicke dazu auf die drei Punkte rechts neben der Schaltfläche "Herunterladen" und wähle die Option "Gerät verbinden". Folge den Anweisungen auf dem Bildschirm, bis dein micro:bit korrekt an den Computer angeschlossen ist.

Wir wollen erreichen, dass das Licht eingeschaltet wird, wenn es "dunkel genug" ist. Dazu kombinieren wir die Programmierblöcke wie im Bild rechts gezeigt. (Der Schwellenwert zum Einschalten des Lichts muss nicht unbedingt 300 betragen. Probiert im Unterricht aus, welcher Wert am besten zu den aktuellen Verhältnissen im Raum passt.)

Um die Werte anzeigen zu können, lädst du den Programmcode in den micro:bit herunter. Der micro:bit bleibt angeschlossen. Danach klickst du auf "Datengerät anzeigen".

automatikllicht-programm-2

Häufige Fehler mit dem micro:bit

Wichtig: Wenn es nach heißem Plastik oder Gummi riecht, bitte sofort die Stromquelle von der Schaltung trennen! Dann ist etwas sehr schief gelaufen und sollte genau untersucht werden, bevor es weitergehen kann.

Diese Fehler treten im Umgang mit dem micro:bit häufig auf:

Stelle sicher, dass der micro:bit eine Stromversorgung hat, entweder über das USB-Kabel oder über Batterien/Akkus.

  • Bei Mac-Computern gibt es oft Schwierigkeiten beim Datenaustausch mit dem micro:bit (bei diesem einfachen Projekt sollte es jedoch keine Probleme geben).
  • Lies die Bedienungsanleitung. Oft können die Fragen der Schüler*innen beantwortet werden, indem du ein paar Zeilen daraus vorliest oder indem du dich an bereits im Unterricht behandelte Abschnitte erinnerst.
  • Falls die Anleitung zum Koppeln von Geräten im Schülermaterial nicht funktioniert, kann das MakeCode-Programm manuell auf dem angeschlossenen micro:bit gespeichert werden. Dazu zieht man die Hex-Datei aus dem Downloads-Ordner auf das MicroBit-Laufwerk – genau wie bei einem USB-Speicherstick.
  • Es kann schwierig sein, Fehler im Programmiercode zu erkennen. Eine gute Methode ist, den Code auf dem Bildschirm laut vorzulesen und gemeinsam mit den betroffenen Schüler*innen in verständliches Deutsch zu übersetzen. Falls es dann immer noch Probleme bei der Programmausführung gibt, vergleiche den aktuellen Programmcode mit dem anderer Schüler*innen, bei denen das Programm sauber abläuft.
  • Ist das USB-Kabel an den Computer angeschlossen? Stelle sicher, dass es richtig eingesteckt ist – sowohl am Computer als auch am micro:bit.
  • Wenn die Stromversorgung über einen Batterie- oder Akku-Pack erfolgt, überprüfe den Sitz der Anschlusskabel und den Ladezustand von Batterie/Akku.
  • Achte darauf, dass alle aufgebauten Schaltkreise auch geschlossen sind. Falls du noch einmal nachsehen möchtest, wie die Verbindungen auf dem Steckbrett angeordnet sind, kannst du den Begriff in unserem Lexikon nachschlagen (siehe Menü).
  • Ist die LED richtig herum eingebaut? Das lange Bein der LED muss mit dem Pluspol des Schaltkreises verbunden sein.