Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, M-Niveau

NWT9 - Ein Sensorsystem entwickeln

Einleitung

Ein Sensorsystem nimmt eine Größe aus seiner Umgebung auf, verarbeitet einen Messwert und erzeugt daraus eine verständliche Ausgabe oder Reaktion. In diesem aiMOOC entwickelst Du für NwT in Klasse 9 eine sichere Raumklima-Sensorbox auf Basis eines Mikrocontrollers. Du arbeitest nach dem EVA-Prinzip: Eingabe – Verarbeitung – Ausgabe. Als Eingaben eignen sich beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit oder Helligkeit; die Verarbeitung übernimmt ein Arduino-kompatibler Mikrocontroller; als Ausgaben dienen LEDs, ein Display und der serielle Monitor.

Die Sensorbox ist als schulisches Lernsystem gedacht: Sie beobachtet und warnt, sie schaltet aber keine Netzspannung, Heizgeräte oder andere leistungsstarke Verbraucher. Dadurch bleiben Aufbau, Fehlersuche und Erprobung überschaubar. Du kannst das Projekt schrittweise erweitern und auf Deinem Lernniveau bearbeiten.

Niveau	Zielprodukt	Schwerpunkt
G – grundlegendes Niveau	Lichtwarnung mit LDR und LEDs	sicheren Stromkreis aufbauen, Sensorwert lesen, Schwellenwert verwenden, EVA erklären
M – mittleres Niveau	Temperaturanzeige mit Sensor, serieller Ausgabe und Ampel-LEDs	Messwerte umrechnen, Bedingungen programmieren, Messreihe auswerten, Schaltung begründen
E – erweitertes Niveau	Raumklima-Sensorbox mit Temperatur/Luftfeuchte, Display, Hysterese und dokumentiertem Test	Systementwurf, robuste Programmierung, Kalibrierung, Fehlerbehandlung, Bewertung von Messdaten

Leitfrage: Wie entwickelst Du aus einer technischen Anforderung ein funktionierendes, sicheres und nachvollziehbar dokumentiertes Sensorsystem?

Lernziele

Nach der Bearbeitung kannst Du die Funktionen von Sensor, Mikrocontroller und Aktor beziehungsweise Anzeige unterscheiden, das EVA-Prinzip auf ein technisches System übertragen, eine einfache Schaltung auf dem Steckbrett aufbauen, Sensorwerte im Programm verarbeiten, LEDs und Displays ansteuern, Grenzwerte begründet wählen, Messwerte als Tabelle oder Diagramm darstellen und Deinen Prototyp mit Testfällen überprüfen.

Du lernst außerdem, dass ein technisches System nicht nur funktionieren, sondern auch sicher, prüfbar und dokumentiert sein muss. Genau diese Verbindung aus Naturwissenschaft, Informatik und Technik ist typisch für NwT.

Vom Problem zum Sensorsystem

Ein guter Entwicklungsprozess startet nicht mit Kabeln, sondern mit einer Anforderung. Für die Raumklima-Sensorbox kann sie lauten: „Das System soll eine Umweltgröße erfassen, den Messwert nachvollziehbar verarbeiten und den Zustand deutlich anzeigen. Es soll im Schulbetrieb ausschließlich mit ungefährlicher Kleinspannung betrieben werden.“

Eine mögliche Funktionsstruktur sieht so aus:

Umweltgröße
    ↓
[SENSOR]  →  Messwert  →  [MIKROCONTROLLER]  →  Entscheidung  →  [LED / DISPLAY / SERIELL]
 Eingabe                         Verarbeitung                         Ausgabe

Das Blockbild hilft Dir, Funktionen zu trennen. Wenn später etwas nicht funktioniert, prüfst Du nacheinander: Liefert der Sensor einen plausiblen Eingang? Rechnet das Programm richtig? Wird die Ausgabe korrekt angesteuert?

Das EVA-Prinzip am Beispiel

EVA-Schritt	Raumklima-Sensorbox	Prüffrage
Eingabe	LDR, Temperatursensor oder DHT11 erfassen eine Umweltgröße	Verändert sich der Rohwert, wenn Du die Umweltgröße gezielt änderst?
Verarbeitung	Der Mikrocontroller liest den Wert, rechnet ihn bei Bedarf um und vergleicht ihn mit Grenzwerten	Ist die Entscheidung im Programm logisch und für andere nachvollziehbar?
Ausgabe	LED, OLED/LCD oder serieller Monitor zeigen Messwert oder Warnzustand	Passt die Ausgabe zum gemessenen Zustand?

Bauteile und ihre Aufgaben

Mikrocontroller als Verarbeitungseinheit

Ein Arduino Uno ist eine gut geeignete Lernplattform für einfache Sensorsysteme. Er besitzt digitale Ein- und Ausgänge sowie analoge Eingänge. Bei einem Arduino Uno liefert analogRead() für den üblichen 10-Bit-Analog-Digital-Wandler Werte von 0 bis 1023. Ein solcher Rohwert ist noch keine Temperatur oder Helligkeit in einer physikalischen Einheit; erst durch eine passende Umrechnung, Kalibrierung oder Interpretation erhält er Bedeutung.

Beim Aufbau ist der Mikrocontroller die Verarbeitung. Er liest Eingänge, führt Programmschritte aus und setzt Ausgänge. Für das Lernen ist wichtig, zwischen einem Pin als elektrischem Anschluss und einer Variablen im Programm zu unterscheiden.

Sensoren als Eingabe

Ein Sensor wandelt eine physikalische oder chemische Größe in ein elektrisches Signal beziehungsweise in digitale Daten um. Für dieses Projekt sind drei Varianten besonders geeignet.

Sensor	Erfasste Größe	Typisches Signal	Geeignet für
LDR/Fotowiderstand	Helligkeit	analoger Spannungswert über einen Spannungsteiler	G, M
TMP36 oder vergleichbarer analoger Temperatursensor	Temperatur	analoge Spannung	M, Simulation
DHT11	Temperatur und relative Luftfeuchte	digitales Datensignal	E, realer Aufbau

Ein Fotowiderstand ändert seinen elektrischen Widerstand mit der Beleuchtung. Damit ein Arduino daraus eine Spannung messen kann, wird der LDR zusammen mit einem Festwiderstand als Spannungsteiler verwendet. Je nach Anordnung des LDR kann ein größerer Analogwert „heller“ oder „dunkler“ bedeuten. Deshalb sollst Du die reale Schaltung messen und kalibrieren, statt eine Richtung nur auswendig zu lernen.

Der DHT11 stellt Temperatur- und Luftfeuchtedaten digital bereit. Er ist für Lernprojekte geeignet, aber kein Präzisionsmessgerät. Messwerte sollten deshalb nicht als exakte Laborwerte behandelt werden.

LEDs und Displays als Ausgabe

Eine LED ist eine einfache optische Ausgabe. Sie benötigt in einer üblichen Arduino-Schaltung einen passenden Vorwiderstand, damit der Strom begrenzt wird. Für eine Ampelanzeige kannst Du drei LEDs verwenden: Grün für unkritisch, Gelb für Aufmerksamkeit und Rot für Warnung. Die Farben sind eine Konvention; die eigentliche Bedeutung muss in Deiner Dokumentation eindeutig festgelegt werden.

Ein Display kann zusätzlich den Messwert und eine Einheit anzeigen. In Lernprojekten kommen beispielsweise Zeichen-LCDs oder kleine OLED-Displays zum Einsatz. Die Verdrahtung und Programmbibliothek hängen vom konkreten Displaytyp ab.

Das Referenzprojekt: Raumklima-Sensorbox

Das Referenzprojekt wird modular aufgebaut. Dadurch kann dieselbe Grundidee auf G-, M- und E-Niveau bearbeitet werden. Alle Varianten folgen demselben Entwicklungszyklus: Anforderung → Entwurf → Aufbau oder Simulation → Programmierung → Test → Auswertung → Verbesserung → Dokumentation.

Sicherheitskonzept für den Schulbetrieb

Die folgenden Regeln gehören zum technischen Entwurf und sind nicht nur „Zusatzregeln“:

Kleinspannung: Verwende ausschließlich die von Schule oder Hersteller vorgesehenen ungefährlichen Spannungsquellen für das Mikrocontroller-System, zum Beispiel USB oder eine geeignete Niederspannungsversorgung. Keine Netzspannung am Steckbrett.
Kurzschluss: Schalte die Versorgung aus beziehungsweise trenne USB, bevor Du Leitungen umsteckst. Kontrolliere 5 V beziehungsweise 3,3 V und GND besonders sorgfältig.
LED: Betreibe einzelne Standard-LEDs nur mit einem passenden Vorwiderstand beziehungsweise nach Vorgabe des verwendeten Moduls.
Flüssigkeit: Bei Feuchtemessungen dürfen Wasser und nasse Proben nicht an Mikrocontroller, Steckbrett oder offene Kontakte gelangen. Bodenfeuchte-Sonden werden nur entsprechend der schulischen Anleitung eingesetzt.
Bauteilschutz: Beschädige Sensoren nicht mechanisch und beachte Datenblatt, Kennzeichnung und schulische Entsorgungsregeln.
Schulversuch: Lasse den Aufbau vor dem Einschalten durch eine Partnerperson oder Lehrkraft gegenprüfen. Verwende keine Motoren, Heizungen, Relais an Netzspannung oder andere leistungsstarke Verbraucher in diesem Grundprojekt.

Die Sensorbox warnt nur. Eine rote LED darf also beispielsweise „Temperatur oberhalb des gewählten Lern-Grenzwerts“ bedeuten, nicht „Gefahr“. Die Aussage des Systems muss fachlich zur Messaufgabe passen.

G – Lichtwarnung

Auf G-Niveau baust Du einen LDR als Spannungsteiler auf und lässt eine LED abhängig vom Lichtzustand schalten. Du dokumentierst drei Dinge besonders deutlich: den Sensor als Eingabe, den Vergleich mit einem Schwellenwert als Verarbeitung und die LED als Ausgabe.

Funktion	Beispiel
Eingabe	analoger LDR-Rohwert an A0
Verarbeitung	Vergleich `sensorWert < dunkelGrenze`
Ausgabe	rote Warn-LED bei dunkel, grüne LED bei ausreichend hell

Wichtig: Bestimme Deinen Grenzwert mit Messwerten aus der realen Umgebung. Notiere beispielsweise einen Wert bei abgedecktem Sensor, bei normaler Raumbeleuchtung und bei heller Beleuchtung. Wähle den Grenzwert zwischen zwei gut unterscheidbaren Bereichen.

Temperaturanzeige mit Ampellogik

Auf M-Niveau ergänzt Du einen Temperatursensor. In einer Simulation kann ein TMP36 oder ein anderer verfügbarer analoger Temperatursensor verwendet werden. Der Mikrocontroller rechnet den Rohwert in eine Temperatur um und ordnet den Messwert einem Zustand zu. Zusätzlich gibst Du den Wert im seriellen Monitor aus.

Beispiel für eine Lern-Ampel: Grün bedeutet „unterer Bereich“, Gelb „Übergangsbereich“, Rot „oberer Bereich“. Die konkreten Grenzen legst Du für die Aufgabe fest und begründest sie. Für echte Raumklima-Aussagen wären fachliche Quellen, Messunsicherheit und Standort des Sensors zu berücksichtigen.

E – Raumklima-Sensorbox mit DHT11, OLED und Hysterese

Auf E-Niveau erfasst Du Temperatur und relative Luftfeuchte digital. Das Display zeigt Messwerte, während LEDs den Systemzustand signalisieren. Du ergänzt eine Hysterese: Die Warnung schaltet bei einem oberen Grenzwert ein und erst bei einem etwas niedrigeren Grenzwert wieder aus. So vermeidest Du hektisches Ein- und Ausschalten, wenn der Messwert genau um einen Grenzwert schwankt.

Schaltung planen

Funktionsplan vor dem Verdrahten

Erstelle zuerst einen Funktionsplan. Eine mögliche E-Variante ist:

DHT11 ───────────────┐
                     │
LDR-Spannungsteiler ─┼─> Arduino Uno ──> OLED
                     │               ├─> grüne LED
                     │               ├─> gelbe LED
                     │               └─> rote LED
USB-Kleinspannung ───┘

Für die G- oder M-Variante lässt Du nicht benötigte Komponenten weg. Weniger Bauteile bedeuten häufig bessere Fehlersuche.

Beispielhafte Pinplanung

Die folgende Pinplanung ist ein Beispiel und muss zu Deiner realen Schaltung sowie zu den verwendeten Bibliotheken passen.

Funktion	Beispiel-Pin	Richtung
LDR-Spannungsteiler	A0	Eingabe
DHT11-Datensignal	D2	Eingabe
grüne LED	D8	Ausgabe
gelbe LED	D9	Ausgabe
rote LED	D10	Ausgabe
I²C-OLED	SDA/SCL	Datenaustausch

Die I²C-Pins sind vom konkreten Board abhängig. Nutze deshalb die Beschriftung des Boards beziehungsweise dessen Dokumentation und übernimm keine Pinbelegung blind.

Programmieren: vom Rohwert zur Entscheidung

G/M: LDR lesen und Ampel schalten

Dieses Beispiel setzt voraus, dass der LDR so im Spannungsteiler sitzt, dass bei mehr Licht der Analogwert steigt. Prüfe das zuerst im seriellen Monitor. Die Grenzwerte sind Startwerte für einen Test und sollen durch eigene Messungen angepasst werden.

const int ldrPin = A0;
const int ledGruen = 8;
const int ledGelb = 9;
const int ledRot = 10;

int grenzeDunkel = 300;
int grenzeHell = 650;

void setup() {
  pinMode(ledGruen, OUTPUT);
  pinMode(ledGelb, OUTPUT);
  pinMode(ledRot, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int sensorWert = analogRead(ldrPin);
  Serial.println(sensorWert);

  digitalWrite(ledGruen, LOW);
  digitalWrite(ledGelb, LOW);
  digitalWrite(ledRot, LOW);

  if (sensorWert < grenzeDunkel) {
    digitalWrite(ledRot, HIGH);
  } else if (sensorWert < grenzeHell) {
    digitalWrite(ledGelb, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(ledGruen, HIGH);
  }

  delay(200);
}

Analyse des Programms: analogRead() erzeugt die Eingabe. Die if- und else if-Bedingungen verarbeiten den Messwert. digitalWrite() erzeugt die Ausgabe. Damit ist das EVA-Prinzip direkt im Quellcode wiederzufinden.

Temperatur aus einer Analogspannung bestimmen

Bei einem analogen Temperatursensor musst Du dessen Kennlinie aus dem Datenblatt verwenden. Für einen TMP36 wird in vielen Lernaufbauten näherungsweise mit einer Ausgangsspannung von 0,5 V bei 0 °C und 10 mV pro °C gerechnet. Bei angenommener 5-V-Referenzspannung ergibt sich für den Arduino Uno beispielsweise:

int roh = analogRead(A1);
float spannung = roh * (5.0 / 1023.0);
float temperaturC = (spannung - 0.5) * 100.0;

Serial.print("Temperatur: ");
Serial.print(temperaturC, 1);
Serial.println(" C");

Diese Rechnung ist nur so gut wie Deine Annahmen. Die tatsächliche Referenzspannung, die Sensorstreuung und die Messumgebung beeinflussen das Ergebnis. Auf M-Niveau genügt es nicht, nur Code zu kopieren: Du sollst erklären, warum aus einem Rohwert eine Spannung und daraus eine Temperatur wird.

E: DHT11, OLED und Hysterese

Für diese Variante werden passende Bibliotheken benötigt, zum Beispiel eine DHT-Bibliothek sowie Bibliotheken für ein SSD1306-OLED. Prüfe in Deiner Entwicklungsumgebung, welche Bibliotheken an der Schule installiert und freigegeben sind.

#include <DHT.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define DHTPIN 2
#define DHTTYPE DHT11

DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire, -1);

const int ledGruen = 8;
const int ledRot = 10;

const float warnEin = 27.0;
const float warnAus = 26.0;
bool warnung = false;

void setup() {
  pinMode(ledGruen, OUTPUT);
  pinMode(ledRot, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);

  dht.begin();

  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C)) {
    while (true) {
      // Aufbau prüfen, wenn das Display nicht initialisiert werden kann.
    }
  }
}

void loop() {
  float luftfeuchte = dht.readHumidity();
  float temperatur = dht.readTemperature();

  if (isnan(luftfeuchte) || isnan(temperatur)) {
    Serial.println("Sensorwert ungueltig");
    delay(2000);
    return;
  }

  if (!warnung && temperatur >= warnEin) {
    warnung = true;
  }
  if (warnung && temperatur <= warnAus) {
    warnung = false;
  }

  digitalWrite(ledRot, warnung ? HIGH : LOW);
  digitalWrite(ledGruen, warnung ? LOW : HIGH);

  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 0);
  display.print("T: ");
  display.print(temperatur, 1);
  display.println(" C");
  display.print("rF: ");
  display.print(luftfeuchte, 0);
  display.println(" %");
  display.print(warnung ? "STATUS: WARNUNG" : "STATUS: OK");
  display.display();

  delay(2000);
}

Die beiden Grenzen warnEin und warnAus bilden eine Hysterese. Wenn die Warnung bei 27 °C einschaltet, muss die Temperatur im Beispiel erst wieder auf 26 °C oder tiefer sinken, bevor sie ausgeschaltet wird. Die Zahlen sind didaktische Beispielwerte und keine allgemeingültigen Grenzwerte für Gesundheit oder Raumklima.

Simulation vor dem realen Aufbau

Eine Simulation ist ein digitales Modell der Schaltung. Sie ersetzt nicht jeden Realtest, hilft aber beim Lernen und bei der Fehlersuche. In Tinkercad Circuits kannst Du beispielsweise Arduino, LED, Widerstände, LDR und einen simulierten Temperatursensor kombinieren. Je nach verfügbarer Bauteilbibliothek kann die simulierte Schaltung vom späteren Realaufbau abweichen.

Ein sinnvoller Simulationsablauf ist: zuerst eine LED testen, dann den Sensorwert im seriellen Monitor beobachten, danach genau eine Bedingung ergänzen und erst zum Schluss mehrere Ausgaben kombinieren. So kannst Du Fehler einer Entwicklungsstufe zuordnen.

Tinkercad Circuits eignet sich für die virtuelle Erprobung vieler Arduino-Grundschaltungen. Dokumentiere in Deiner Abgabe einen Screenshot der Simulation, den verwendeten Code und mindestens drei Testfälle.

Messen, kalibrieren und Grenzwerte festlegen

Ein Sensorsystem wird erst durch Messdaten überprüfbar. „Es funktioniert“ ist keine ausreichende technische Dokumentation. Du brauchst Bedingungen, Messwerte und erwartete Ausgaben.

Messreihe für einen LDR

Testbedingung	Analogwert	Erwartete Ausgabe	Tatsächliche Ausgabe	Bewertung
Sensor abgedeckt	einzutragen	Rot	einzutragen	bestanden / nicht bestanden
normale Raumbeleuchtung	einzutragen	Gelb	einzutragen	bestanden / nicht bestanden
helle Beleuchtung	einzutragen	Grün	einzutragen	bestanden / nicht bestanden

Die Werte sind abhängig von Bauteil, Spannungsteiler, Raum, Abstand und Lichtquelle. Deshalb ist Kalibrierung ein Teil der Entwicklung.

Messreihe als Diagramm

Übertrage mehrere Messpunkte in ein Diagramm. Auf der x-Achse kann beispielsweise die Testbedingung oder – bei kontrolliertem Versuch – ein Abstand zur Lichtquelle stehen, auf der y-Achse der Sensor-Rohwert. Ein Diagramm macht Trends sichtbar und hilft Dir, einen sinnvollen Schwellenwert zu begründen.

Auf E-Niveau ergänzt Du eine Aussage zur Messunsicherheit: Welche Größen konntest Du kontrollieren? Welche nicht? Welche Wiederholungsmessung wäre sinnvoll?

Testen und Fehlersuche

Technische Entwicklung verläuft selten ohne Fehler. Gute Fehlersuche bedeutet, das System in Teilfunktionen zu zerlegen.

Beobachtung	Mögliche Ursache	Systematischer Test
keine LED leuchtet	Versorgung, GND, LED-Polung oder Programm	Versorgung prüfen, eine LED mit Minimalprogramm testen
Sensorwert bleibt konstant	falscher Pin, Verdrahtung oder ungeeignete Teständerung	Rohwert seriell ausgeben und Sensor gezielt verändern
Werte springen stark	Kontaktproblem, instabile Umgebung oder Messrauschen	Leitungen prüfen, mehrere Messungen vergleichen, Mittelwert erwägen
Warn-LED flackert am Grenzwert	Grenzwert wird ständig über- und unterschritten	Hysterese oder geeignete Mittelung einsetzen
Display bleibt leer	Versorgung, I²C-Verbindung, Adresse oder Bibliothek	Display zuerst mit einem Minimalbeispiel testen

Debugging-Regel: Ändere immer nur eine Sache gleichzeitig. Sonst weißt Du nicht, welche Änderung den Fehler behoben oder neu erzeugt hat.

Produktionsformen und Dokumentation

Ein NwT-Projekt zeigt seine Qualität nicht nur im fertigen Gerät. Nutze verschiedene Produktionsformen, um Deinen Entwicklungsprozess sichtbar zu machen.

Produktionsform	Was Du dokumentierst	Geeignetes Niveau
Funktionsdiagramm	EVA-Blöcke, Datenfluss, Ein- und Ausgänge	G/M/E
Schaltplan oder Breadboard-Plan	Anschlüsse, Widerstände, Pinbelegung, Versorgung	G/M/E
Programmcode	Variablen, Bedingungen, Kommentare, Bibliotheken	G/M/E
Simulation	Screenshot, Testbedingungen, erwartetes Ergebnis	G/M/E
Messprotokoll	Messreihe mit Einheiten, Rohwerten und Zuständen	M/E
Diagramm	Messwerte grafisch, Achsenbeschriftung, Interpretation	M/E
Prototyp-Foto	übersichtlicher Aufbau, erkennbare Komponenten	G/M/E
Erklärvideo	EVA-Prinzip, Funktionstest, Fehler und Verbesserung	M/E
Technischer Kurzbericht	Problem, Entwurf, Realisierung, Test, Bewertung	E

Eine gute Dokumentation erlaubt einer anderen Person, Dein System nachzuvollziehen, ohne dass Du danebenstehen musst.

Differenzierung G/M/E

G – grundlegendes Niveau

Auf G-Niveau zeigst Du eine sichere Grundfunktion. Du kannst die Bauteile benennen, einen vorgegebenen Schaltungsplan umsetzen, den LDR-Wert auslesen, einen selbst gemessenen Schwellenwert einsetzen und die LED-Ausgabe erklären. In Deiner Dokumentation müssen Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe eindeutig gekennzeichnet sein.

Mindestprodukt G: funktionierende Lichtwarnung, kommentierter kurzer Code, drei Messwerte, ein EVA-Blockbild und ein kurzer Sicherheitshinweis.

mittleres Niveau

Auf M-Niveau entwickelst Du Teile des Systems eigenständiger. Du rechnest einen Messwert in eine sinnvolle Größe um, setzt mindestens zwei Zustandsbereiche um, erstellst eine Messreihe, visualisierst Daten in einem Diagramm und begründest Deine Grenzwerte. Du analysierst mindestens einen Fehler systematisch.

Mindestprodukt M: Temperatur- oder Lichtsystem mit mindestens drei Zuständen, serieller Messwertausgabe, Messdiagramm, Testtabelle und begründeter Verbesserung.

E – erweitertes Niveau

Auf E-Niveau entwickelst Du ein robusteres Sensorsystem mit mindestens zwei Eingabegrößen oder mit einer anspruchsvolleren Auswertung. Geeignet sind beispielsweise DHT11 plus LDR, OLED plus LEDs, Hysterese, Plausibilitätsprüfung oder Mittelwertbildung. Du trennst im Programm Messwerterfassung, Verarbeitung und Ausgabe möglichst in eigene Funktionen und bewertest Grenzen Deines Systems.

Mindestprodukt E: modularer Prototyp, Displayausgabe, robuste Grenzwertlogik, dokumentierte Testfälle einschließlich Fehlerfall, Messunsicherheitsbetrachtung und begründete Weiterentwicklung.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche drei Funktionsschritte beschreibt das EVA-Prinzip? (Eingabe Verarbeitung Ausgabe) (!Energie Verbrauch Arbeit) (!Einbau Verdrahtung Abschalten) (!Erkennen Vergleichen Ablesen)

Welche Aufgabe übernimmt ein Sensor im Sensorsystem? (Eine Umweltgröße erfassen und in ein nutzbares Signal überführen) (!Den Programmcode dauerhaft ersetzen) (!Die Versorgungsspannung erhöhen) (!Jede Warnung automatisch beheben)

Welche Komponente übernimmt im Referenzsystem hauptsächlich die Verarbeitung? (Der Mikrocontroller) (!Der LDR) (!Die rote LED) (!Das Steckbrett)

Warum wird bei einer einzelnen Standard-LED meist ein Vorwiderstand verwendet? (Um den Strom durch die LED zu begrenzen) (!Um den Mikrocontroller schneller zu programmieren) (!Um aus einer LED einen Sensor zu machen) (!Um den Analogwert auf 1023 festzuhalten)

Was ist ein sinnvoller erster Schritt bei der Wahl eines LDR-Schwellenwerts? (Messwerte unter verschiedenen Lichtbedingungen aufnehmen) (!Einen beliebigen Wert aus dem Internet übernehmen) (!Alle LEDs gleichzeitig einschalten) (!Den Sensor ohne Widerstand direkt kurzschließen)

Wozu dient der serielle Monitor beim Entwickeln? (Zum Beobachten von Messwerten und Programmausgaben) (!Zum Ersetzen aller elektrischen Leitungen) (!Zum Messen der Raumtemperatur ohne Sensor) (!Zum Vergrößern der Versorgungsspannung)

Was bewirkt eine Hysterese an einem Grenzwert? (Sie verhindert häufiges Umschalten bei kleinen Schwankungen um den Grenzwert) (!Sie macht jeden Sensor automatisch genauer) (!Sie entfernt die Notwendigkeit eines Programms) (!Sie verwandelt einen digitalen Sensor in einen analogen)

Warum ist eine Simulation vor dem Realaufbau nützlich? (Sie erlaubt das schrittweise Prüfen von Schaltung und Logik) (!Sie garantiert ohne Realtest die exakte Messgenauigkeit) (!Sie ersetzt grundsätzlich jedes Datenblatt) (!Sie macht Sicherheitsregeln überflüssig)

Was gehört zu einem guten Testfall? (Testbedingung erwartetes Ergebnis und beobachtetes Ergebnis) (!Nur ein Foto ohne Beschreibung) (!Nur der fertige Quellcode) (!Nur die Farbe der Anschlusskabel)

Welche Aussage passt zu einem sicheren schulischen Grundprojekt? (Es arbeitet mit geeigneter Kleinspannung und schaltet keine Netzverbraucher) (!Es wird direkt mit Netzspannung auf dem Steckbrett betrieben) (!Leitungen werden grundsätzlich bei eingeschalteter Versorgung umgesteckt) (!Wasser darf über offene Kontakte gegossen werden)

Memory

Sensor	Eingabe
Mikrocontroller	Verarbeitung
Leuchtdiode	Ausgabe
Fotowiderstand	Helligkeit
DHT11	Luftfeuchte
Hysterese	Schaltberuhigung
Steckbrett	Prototyping
Kalibrierung	Abgleich

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
LDR	Eingabe
Arduino	Verarbeitung
OLED	Ausgabe
Hysterese	Grenzwertlogik
Tinkercad	Simulation

Kreuzworträtsel

Arduino	Welche Mikrocontroller-Lernplattform wird im Referenzprojekt verwendet?
Sensor	Wie heißt ein Bauteil, das eine Umweltgröße erfasst?
Display	Wie heißt eine Anzeige für Messwerte?
Schwellenwert	Wie heißt ein Grenzwert, an dem eine Programmentscheidung getroffen werden kann?
Simulation	Wie heißt die virtuelle Erprobung einer Schaltung?
Spannungsteiler	Wie heißt die Schaltung aus zwei Widerständen, mit der beim LDR eine messbare Teilspannung erzeugt wird?

LearningApps

Lückentext

Ein Sensorsystem beginnt mit einer

aus der Umwelt.

Die logische Auswertung des Messwerts ist die

.

LED und Display gehören zur

.

Ein lichtabhängiger Widerstand wird häufig als

bezeichnet.

Der Mikrocontroller kann einen analogen Eingang mit

einlesen.

Ein Grenzwert für eine Programmentscheidung heißt

.

Zwei unterschiedliche Ein- und Ausschaltgrenzen bilden eine

.

Vor dem realen Aufbau kann eine virtuelle

Fehler sichtbar machen.

Eine Messreihe sollte in einer technischen

nachvollziehbar festgehalten werden.

Beim schulischen Grundaufbau wird ausschließlich geeignete

verwendet.

Offene Aufgaben

Leicht

EVA-Prinzip: Zeichne für die Lichtwarnung ein Blockdiagramm mit Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe und beschrifte jeden Block mit einem konkreten Bauteil.
Sensor: Untersuche einen LDR mit drei deutlich unterschiedlichen Lichtbedingungen, notiere die Rohwerte und beschreibe den beobachteten Zusammenhang.
Leuchtdiode: Baue oder simuliere eine LED mit Vorwiderstand, dokumentiere die Polung und erkläre, warum ein Vorwiderstand verwendet wird.
Fehlersuche: Erstelle eine Checkliste mit fünf Punkten, die Du vor dem ersten Einschalten eines Steckbrett-Aufbaus kontrollierst.

Standard

Arduino: Entwickle eine Lichtampel mit drei LEDs und bestimme die beiden Schwellenwerte aus einer eigenen Messreihe statt durch Raten.
Temperatursensor: Simuliere eine Temperaturanzeige, erfasse mindestens sechs Messpunkte und stelle sie in einem Diagramm dar.
Testfall: Formuliere für Dein Sensorsystem mindestens fünf Testfälle mit Testbedingung, erwarteter Ausgabe, tatsächlicher Ausgabe und Bewertung.
Erklärvideo: Produziere ein höchstens dreiminütiges Lernvideo, in dem Du den Aufbau, das EVA-Prinzip, einen Test und einen Fehler mit seiner Lösung erklärst.

Schwer

Hysterese: Erweitere eine Warnlogik um getrennte Ein- und Ausschaltgrenzen und weise mit einer Testreihe nach, dass die Ausgabe am Grenzbereich ruhiger wird.
Messunsicherheit: Vergleiche Deinen Temperatursensor mit einem zweiten Messgerät, diskutiere Abweichungen und nenne mindestens drei mögliche Ursachen.
Modularisierung: Strukturiere Dein Programm in Funktionen für Sensorlesen, Verarbeiten und Ausgeben und begründe, wie diese Struktur Wartung und Fehlersuche verbessert.
Produktentwicklung: Entwirf eine zweite Version der Sensorbox mit Gehäuseidee, Bedienkonzept, Sicherheitsbetrachtung und begründeter Auswahl von Sensor und Anzeige.

Lernkontrolle

Systemanalyse: Eine Sensorbox zeigt dauerhaft Rot, obwohl der Raumzustand verändert wird. Entwickle einen Diagnoseplan, der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe getrennt überprüft, und begründe die Reihenfolge Deiner Tests.
Grenzwertentscheidung: Du hast LDR-Rohwerte von 180, 210, 230 bei „dunkel“ und 610, 650, 680 bei „hell“ gemessen. Schlage einen Schwellenwert vor, erkläre Deine Wahl und beschreibe, welche zusätzlichen Messungen Deine Entscheidung verbessern würden.
Transfer: Übertrage das EVA-Prinzip auf ein automatisches Gewächshaus-Monitoring, ohne Netzverbraucher zu schalten. Bestimme geeignete Eingaben, Verarbeitungsschritte und sichere Ausgaben.
Hysterese: Erkläre an einem selbst gewählten Zahlenbeispiel, warum zwei Schaltgrenzen ein flackerndes Warnsignal verhindern können. Zeichne dazu den Zustandswechsel.
Simulation und Realität: Nenne mindestens drei Gründe, warum eine simulierte Schaltung funktionieren kann, während der reale Aufbau Probleme zeigt. Entwickle zu jedem Grund einen passenden Test.
Bewertung: Vergleiche eine reine LED-Warnung mit einer Displayanzeige. Beurteile beide Lösungen hinsichtlich Verständlichkeit, Aufwand, Fehlersuche und Eignung für unterschiedliche Nutzergruppen.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du nicht nur ein funktionierendes Ergebnis zeigst, sondern den Entwicklungsweg nachvollziehbar belegst.

Anforderung: klare Beschreibung, was das Sensorsystem erfassen und anzeigen soll
EVA-Prinzip: eindeutige Zuordnung von Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe
Sicherheit: dokumentierte Kleinspannungsversorgung, Vorwiderstände und sichere Arbeitsweise
Schaltung: nachvollziehbarer Schalt- oder Breadboard-Plan mit Pinbelegung
Programmcode: lauffähiger, verständlich kommentierter Code passend zur eigenen Schaltung
Messdaten: eigene Messreihe mit Bedingungen, Einheiten beziehungsweise Rohwerten und Ausgaben
Diagramm: passende Visualisierung der Messdaten auf M- und E-Niveau
Test: mehrere Testfälle einschließlich mindestens eines Fehler- oder Grenzfalls
Reflexion: Benennung von Grenzen, Fehlerquellen und mindestens einer sinnvollen Verbesserung
Differenzierung: Erfüllung der vereinbarten G-, M- oder E-Anforderungen

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