Modul 1: Selbstbau Lichtsensor

Das nachfolgende Modul wird sich mit Lichtsensorik beschäftigen. Du wirst lernen was Lichtsensoren sind, wo sie eingesetzt werden und wie man einen eigenen Lichtsensor baut. Daraus werden wir ein Gartenlicht bauen, welches automatisch angeht, wenn es dunkel wird und zum anderen über das Internet zurückmeldet, wie hell es gerade ist (beispielsweise, ob genug Sonne für unsere Pflanzen scheint).

Wenn du Interesse am Modul hast, schaue dir das folgende Video an, damit du siehst, was wir in diesem Modul bauen werden. Solltest du danach weiter machen wollen, klicke auf Lichtsensoren im Alltag und beginne den Weg zum eigenen Lichtsensor.

Das Sonnenglas

Bitte beachten Sie: Sobald Sie sich das Video ansehen, werden Informationen darüber an Youtube/Google übermittelt. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Google Privacy.

Der Weg zum eigenen Lichtsensor

Lichtsensoren im Alltag

Was ist ein Lichtsensor und woher kennen wir ihn?

Sensoren sind technische Komponenten, die ein nichtelektrisches Eingangssignal in eine elektrische Ausgangsgröße wandeln. Obwohl wir es manchmal nicht bemerken, begenen uns Sensoren im Alltag ständig. Beispiele für Sensoren sind Rauch- und Bewegungsmelder, Mikrofone und auch Lichtsensoren. Den Lichtsensor kennst du vielleicht aus dem Auto oder von Straßenlichtern, wo automatisch das Licht angeht, wenn es dunkel wird. Es gibt aber noch viele weitere Einsatzgebiete von Lichtsensoren.

Weitere Beispiele für Lichtsensoren im Alltag

Das Licht im Auto kann oft so eingestellt werden, dass es automatisch angeht sobald es dunkel wird. Auch hier kommt ein Lichtsensor zum Einsatz.
Das Smartphone-Display reagiert auf die Helligkeit und schaltet den "Dark Mode" an.
Der TV passt die Lichtstimmung an das Fernsehbild an.

Was werden wir bauen?

Die Schaltung angeschlossen am analogen Eingang des Octopus. Achte darauf, dass das Kabel nur mit dem Clip nach oben am Octopus befestigt werden kann.

Wir wollen uns intensiv mit dem Lichtsensor auseinander setzen. Wie du bereits im Video zu Beginn des Moduls entdecken konntest, werden wir dafür ein eigenes Sonnenglas bauen. Es wir automatisch angehen, sobald es dunkel wird. Weiter soll das Sonnenglas den erfassten Wert in die Cloud hochladen. So können wir auch von unterwegs erkennen, ob unser Sonnenglas im Dunklen steht und leuchtet oder aus ist. Steht das Sonnenglas im Garten, könnte man so tagsüber sehen, ob unsere Pflanzen genügend Licht abbekommen.

Da wir hier kein Gehäuse für unser Sonnenglas bauen werden, wird unser Endprodukt etwas anders als im obigen Video ausschauen. Wenn wir fertig sind, wird jedoch die Technik im Inneren des Sonnenglases funktionsfähig sein, die wie in der Abbildung rechts aussieht. Wenn du sehen möchtest, wie der Aufbau in Aktion aussieht, kannst du dir Video 1 in der rechten Seiteleiste anschauen.

Damit wir all dies erreichen können, müssen wir jedoch ein paar Dinge vorbereiten. Klick auf das nächste Element im Lernpfad, um den Bau des Sonnenglases zu beginnen.

Einen Lichtsensor selber bauen

Welche Bauteile benötigen wir?

Es gibt verschiedene Formen von Lichtsensoren (Wenn du etwas über diese erfahren möchtest, kannst du mehr dazu im Abschnitt "Du möchtest mehr erfahren?" finden). In unserem Fall werden wir uns mit dem LDR (Light Dependent Resistor) beschäftigen, einem lichtempfindlichen Widerstand. Ein LDR kostet nur wenige Cent, sodass der Bau unseres Sonnenglases sehr günstig realisiert werden kann.

Weiter benötigen wir zum Bau des Sonnenglases folgende Gegenstände:

 

 

Die Bauteile

Ein LDR in der Nahansicht.
Einen Groove-Stecker zum Verbinden mit dem Octopus.
Ein Steckbrett (Breadboard) für die Schaltung des Lichtsensors.
Ein gewöhnlicher Widerstand in der Nahansicht.

Den richtigen Widerstand finden

Du wirst eine Widerstand finden müssen, der im Normalfall zwischen 2 und 10 Kilo Ohm liegt (abhängig vom LDR). Damit du einen solchen Widerstand in der Widerstandskiste richtig erkennen kannst, sind auf den Widerständen kleine Markierungen angebracht. Wie man diese lesen kann, erklärt dir das Bild rechts.

In der Abbildung sind zwei Beispiele:

  1. oben für einen Widerstand mit 523 Ohm, also 523*10^0 Ohm
  2. unten für einen Widerstand mit 4,7 Kilo-Ohm, also 47*10^2 Ohm

Schaltung aufbauen

Nimm dir nun alle Bauteile und baue die rechts auf dem Bild dargestellte Schaltung nach.
Auch wenn hier Strom fließt, brauchst du keine Angst zu haben, denn die Ströme sind so gering, dass du sie nicht merkst . Zudem kann dadurch kein Bauteil kaputt gehen, wenn die Schaltung nicht korrekt aufgebaut ist. Achte bei der Benutzung des Schaltbretts auf die Ausrichtung. In den Spalten a bis e und f bis j des Schaltbretts, fließt der Strom wie in der Abbildung grün markiert, zwischen den Spalten hin und her. In den Spalten + und - fließt der Strom nur in der jeweiligen Spalte.

Die ersten Ardublock-Programme erstellen

Den Octopus und Ardublock starten

Wie du den Octopus an deinem Rechner anschließst und die Entwicklungsumgebung startest, um ein Ardublock-Programm zu schreiben, sollte dir an dieser Stelle schon bekannt sein. Falls du jedoch Hilfe benötigst, kannst du gerne noch einmal zum Schnellstart-Modul zurückspringen.

Ardublock-Programm zur Überprüfung der Messwerte

Ardublock-Programm zur Überprüfung der Sensordaten.

Als erste Aufgabe möchten wir überprüfen, wie die Werte aussehen, die wir mit dem gelben Kabel zwischen LDR und dem gewöhnlichen Widerstand abgreifen. Dafür schreiben wir das Ardublock-Programm, dass du auf der rechten Seite siehst und führen es aus.

Überprüfung der Messwerte

Ausgabe der Messwerte auf dem seriellen Monitor. Die Werte bewegen sich in einem Bereich zwischen 0 (dunkel) und 1023 (sehr hell).

Um auf die Messwerte reagieren zu können und die Farbe der LED entsprechend zu ändern, müssen wir wissen, welche Daten unser Sensor aufnimmt. Dies hilft uns auch bei Überprüfung, ob das Licht im Raum an oder aus ist. Sofern du das Programm aus dem vorherigen Abschnitt auf den Ocotpus hochgeladen hast, kannst du den Seriellen Monitor öffnen und dir die Werte anschauen. Decke dabei auch den LDR mit dem Finger ab, um eine Änderung der Werte herbeizuführen.

Dir sollte auffallen, dass die Messwerte keine Verbindung zu den Werten haben, die wir vorhin mit dem Multimeter gemessen haben. Zudem steht auch keine Einheit an den Messwerten. Was messen wir denn nun hier? Wenn dich diese Frage interessiert, solltest du dir nach der Bearbeitung des Moduls den optionale Abschnitt ansehen. Hier wirst du mehr Informationen zur Analog-Digital-Wandlung finden.

Die Lampe in Abhängigkeit vom Licht anschalten

Ardublock-Programm zur Anteuerung des Lichts ab einer festgelegte Helligkeit.

Als nächstes erstellen wir ein Ardublock-Programm, dass auf den Messwert reagiert. Hierfür legen wir selbst eine Grenze fest, ab der das Licht angehen soll. Im Beispiel rechts wurde dafür 500 gewählt. Weiter benötigen wir ein Falls/sonst-Bauteil und das "kleiner"-Bauteil aus der Schublade "Log. Operatoren". Hiermit verbinden wir das zuvor verwendete Bauteil "analogRead" um so das Licht anzumachen, wenn der Messwert kleiner als 500 ist und es auszumachen, wenn der Messwert größer als 500 ist.

Unser eigenes Sonnenglas fertigstellen

Octopus mit der Cloud verbinden

Thingspeak-Fenster zur Anzeige, wie hell es draußen ist.

Auch hier sollte dir bekannt sein, wie du die Cloud einrichtest, um mit dem Octopus zu verbinden. Wenn du dir noch einmal ins Gedächtnis rufen möchtest, wie dies funktioniert hat, schau dir das Modul Was macht die Cloud? noch einmal genauer an.

Am Ende solltest du einen Cloud-Kanal erstellt haben, der vergleichbar mit der Abbildung rechts ist. Vergiss nicht, den API-Key zu kopieren. Den benötigst du später im Programm.

Das fertige Programm

Das fertige Programm für das Sonnenglas mit Anbindung zum Internet und zu Thingspeak.

Für das fertige Programm benötigen wir im Setup die Verbindung mit dem WLAN. Danach verwenden wir das zuvor bereits geschriebene Programm aus dem Abschnitt "Die Lampe in Abhängigkeit vom Licht anschalten". Weiter benötigen wir das Bauteil "Send Thingspeak" aus der "IoT: HTTP-Protokoll"-Schublade. Du musst hier daran denken, die richtige URL des Thingspeak Servers und den API-Schlüssel aus deinem Thingspeak-Kanal zu verwenden. Denk auch daran, den Messwert in das richtige Feld einzufügen.

Du möchtest mehr erfahren? (optional)

Was gibt es sonst noch zu wissen?

In den nachfolgenden Abschnitten kannst du noch mehr zu Sensoren, die auf Widerständen basieren, erfahren. Der Lichtsensor ist dabei nur einer von vielen, wie dir die nachfolgenden Bilder zeigen werden. Zusätzlich kannst du auch erfahren, welche physikalischen Regeln hinter dem Lichtsensor stecken.

Andere Formen von Lichtsensoren

Neben dem vorgestellten LDR, gibt es noch weitere Lichtsensoren, wie zum Beispiel Photodioden, Phototransistoren und Photowiderstände (Photo: Bestimmungswort in Zusammensetzungen mit der Bedeutung Licht- (Duden)). Sie alle können dafür verwendet werden, die Stärke des Lichts zu ermitteln. Der Unterschied besteht in ihrem inneren Aufbau und dem Grund, warum die Sensoren auf Licht reagieren. Wenn du mehr erfahren möchtest, kannst du auch hier nachschauen.

Andere Sensoren, die Widerstände nutzen

Ein Temperatur-Sensor basierend auf Widerständen. Das daneben liegende Kabel enthält einen solchen Widerstand. Du kannst es zum Beispiel in Kühlschränken finden.
Eine Lichtschranke, deren Widerstand sich beim Durchlaufen der Lichtbarriere verändert.
Beim Gas-Sensor ändert sich der Widerstand in Abhängigkeit von den Molekülen des Gases. Diese legen sich auf den Widerstand und verändern diesen dadurch.
Das Drehpotentiometer kennst du vielleicht von Musikverstärkern oder Gitarren. Durch Drehung verändert sich der Widerstand innerhalb des "Potis".
Beim Bodenfeuchtigkeitssensor fließt ein leichter Strom zwischen den beiden Zacken des Sensors, sobald dieser im Boden steckt. Ist der Boden nass, so fließt der Strom besser. Der Widerstand ist damit geringer.

Wie bestimmt man den zusätzlichen Widerstand?

Wie du oben gesehen hast, benötigen wir zusätzlich zum LDR auch einen gewöhnlichen Widerstand für unser Sonnenglas. Dieser Widerstand darf aber weder zu groß, noch zu klein sein, damit unsere Schaltung funktioniert. Aus diesem Grund müssen wir den Widerstand mit Hilfe eines Multimeters bestimmen. In den nachfolgenden Bildern bekommst du gezeigt, wie du den Widerstand bestimmst.

Durchmessen des LDRs

Stell das Multimeter so ein, dass du WIderstände messen kannst. Drehe das Rad dafür auf das Ohm-Symbol (griechischer Buchstabe Omega).
Klemme den LDR an das Multimeter an und miss den Widerstand ohne den LDR zu bedecken. Merke dir den Messwert und achte auf die Einheit!
Bedecke den LDR mit einem Finger und merke dir erneut den Messwert.
Gehe nun zur Widerstandskiste und nimm dir einen Widerstand, der zwischen den von dir gemerkten Messwerten liegt. Deine Wahl ist abhängig davon, wie hell es in deinem Raum ist und welchen LDR du verwendest.

Was ist ein Spannungsteiler und wofür verwendet man ihn?

Die Schaltung die wir für unser Sonnenglas gebaut haben, bezeichnet man als Spannungsteiler, denn durch den LDR und den Widerstand, bauen wir eine Reihenschaltung auf. In einer Reihenschaltung teilt sich die Spannung in Abhänigkeit von den Widerständen auf (siehe Abbildung auf der rechten Seite).

Mittels des Spannungsteilers lässt sich die Widerstandsänderung des LDR in eine Spannungsänderung transformieren und diese dann über den analogen Eingang (ADC, A0) messen. Somit ist es auch möglich die bisher gemessenen Werte in einen Spannungswert umzurechnen.

Du kannst die Spannungsänderung auch erkennen, wenn du das Multimeter an die Schaltung vor und nach dem LDR anhängst!

Wie rechnet man die Messwerte in Spannungswerte um?

Wir wollen uns nun genauer ansehen, wie man die Messwerte in einen Spannungswert umwandelt. Dafür müssen wir uns kurz mit Reihenschaltungen beschäftigen:

Schalten wir zwei Widerstände in Reihe an einer Spannungsquelle U, so addiert sich der Gesamtwiderstand Rges = R1+R2 zur Summe der beiden Einzelwiderstände. Der Gesamtstrom I = U/Rges = U/(R1+R2) fließt gleichermaßen durch beide Widerstände. Gemäß dem Ohmschen Gesetz läßt sich die Spannung am Widerstand R1 durch U1=R1*I beschreiben. Setzen wir für I die obige Formel ein, so erhalten wir die Grundgleichung des Spannungsteilers U1=R1/(R1+R2)*U. 

In unserer Schaltung liegt eine Spannung von 3,3 Volt an. Der analoge Eingang des Octopus hat eine Auflösung von 10-Bit, d.h je nach Eingangsspannung messen wir einen Zahlenwert zwischen 0 und 210-1 (0...1023).  Daraus ergibt sich das Programm, dass du in der rechten Abbildung sehen kannst. Der Vorgang der Umrechnung einer Eingangsspannung in einen Zahlenwert im Rechner wird auch als Analog-Digital-Wandlung bezeichnet.

Du findest die Analog-Digital-Wandlung z.B. auch bei der Mikrofonaufnahme in denem Handy. Dort wird die vom Mikrofon (= Sensor für Töne) kommende Spannung in einen Zahlenwert gewandelt und gespeichert bzw. über das Internet übertragen.

Link zur Evaluation

Unter folgendem Link können Sie einen (sehr kurzen) Fragebogen zum Modul "Selbstbau Lichtsensor" ausfüllen, der uns bei der Verbesserung unserer Module hilft. Wir danken Ihnen für Ihre Teilnahme.

https://forms.gle/u8e9HEk7DZFFWDpv7

Video 1: Das Innere des Sonnenglases

Bitte beachten Sie: Sobald Sie sich das Video ansehen, werden Informationen darüber an Youtube/Google übermittelt. Weitere Informationen dazu finden Sie unter Google Privacy.

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