Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 2.1 · Abitur Hessen Elektrotechnik LK 2021

Eine Lehrmittelfirma entwickelt einen Versuchsaufbau, mit dem im Physikunterricht die gleichmäßig beschleunigte Bewegung auf einer schiefen Ebene untersucht werden soll. Die schiefe Ebene ist in Material 4 dargestellt.

Wird der Elektromagnet stromlos geschaltet, so beginnt der Wagen zu rollen und unterbricht nach einer bestimmten Zeit die Lichtschranke. Alle Sensoren und Aktoren sind mit einem Mikrocontroller verbunden, eine entsprechende Schaltung zeigt Material 5. Wird der Taster (Pin 8) betätigt, so erhält der Elektromagnet (Pin 10) ein LOW-Signal und wird damit stromlos geschaltet. Die Lichtschranke (Pin 7) liefert bei Unterbrechung ein LOW- und ansonsten ein HIGH-Signal.

Für die Ausgabe von Informationen und Messwerten wird ein LCD-Baustein verwendet, welcher in Material 6 dargestellt ist. Die konkrete Verbindung des Bausteins mit dem Mikrocontroller ist in Material 5 nicht dargestellt, sie spielt für die Lösung der folgenden Aufgaben keine Rolle. Für den LCD-Baustein muss eine zusätzliche Bibliothek verwendet werden. Entsprechende Hinweise enthält Material 7.

Material 4: Schiefe Ebene mit Wagen, Lichtschranke und Elektromagnet

Material 5: Mikrocontroller mit Sensoren und Aktoren

Material 6: LCD-Baustein

Material 7: Informationen zur Bibliothek des LCD-Bausteins

Bibliothek LiquidCrystal in das Programm einbinden

#include <LiquidCrystal.h> Wichtige Funktionen

LiquidCrystal lcd()

Objekt lcd der Klasse LiquidCrystal erzeugen und Anschlusspins übergeben. Beispiel:

LiquidCrystal lcd(2,3,4,5,6,7);

lcd.begin()

Die Anzahl der Zeichen und der Zeilen wird festgelegt. Beispiel: 16 Zeichen pro Zeile, 2 Zeilen.

lcd.begin(16, 2);

lcd.clear()

Löscht alle Zeichen auf dem Display und positioniert den Cursor auf den Anfang der 1. Zeile.

lcd.print()

Schreibt Daten auf das Display. Beispiel: Die folgenden Codezeilen schreiben den Text "Anzahl: 5" auf das Display.

int anz = 5;

lcd.print("Anzahl: ");

lcd.print(anz);

Material 8: Elektromagnet mit Status-LED als Blockschaltbild

Material 9: Programmcode

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2);

#define elektromagnet 10

#define lichtschranke 7

#define taster 8

long fahrzeit = 0;

void setup()

{

lcd.begin(16, 2);

pinMode(elektromagnet, OUTPUT);

pinMode(lichtschranke, INPUT);

pinMode(taster, INPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite(elektromagnet, HIGH);

lcd.print("bereit");

do

{

delayMicroseconds(1); // Programm wird für 1μs angehalten.

}

while(digitalRead(taster) == HIGH);

lcd.clear();

lcd.print("Messung laeuft");

fahrzeit = messenFahrzeit();

ausgeben();

}

long messenFahrzeit()

{

long startzeit = 0;

digitalWrite(elektromagnet, LOW);

startzeit = millis();

do

{

delayMicroseconds(1);

}

while(digitalRead(lichtschranke) == HIGH);

return millis() - startzeit;

}

void ausgeben()

{

lcd.clear();

lcd.print("Zeit in ms: ");

lcd.print(fahrzeit);

delay(5000);

lcd.clear();

}

Material 10: Lösungsansatz (unvollständiger Programmcode)

#include <LiquidCrystal.h>

LiquidCrystal lcd(12,11,5,4,3,2);

#define elektromagnet 10

#define lichtschranke 7

#define taster 8

const double wagenlaenge = 0.1;

double momentangeschwindigkeit;

void setup()

{

lcd.begin(16, 2);

pinMode(elektromagnet, OUTPUT);

pinMode(lichtschranke, INPUT);

pinMode(taster, INPUT);

}

void loop()

{

digitalWrite(elektromagnet, HIGH);

lcd.print("bereit");

do

{

delayMicroseconds(1);

}

while(digitalRead(taster) == HIGH);

lcd.clear();

lcd.print("Wagen rollt");

momentangeschwindigkeit = messenMomentangeschwindigkeit();

ausgeben();

}

// ab hier fehlt der Code

2.1 Der Elektromagnet ist in Material 8 als Blockschaltbild dargestellt. Es handelt sich dabei um eine Baugruppe, welche neben einer Spule (mit Eisenkern) noch weitere Bauelemente enthält. Solange am Signaleingang ein HIGH-Signal anliegt, üblich sind hier etwa 5 Volt, soll Strom in der Spule fließen und die Status-LED leuchten. Weil diese Spule nicht direkt vom Mikrocontroller angesteuert werden kann, muss der Elektromagnet eine Transistorstufe als Schaltverstärker enthalten.

Entwickeln und zeichnen Sie die vollständige Schaltung des Elektromagneten mit der notwendigen Freilaufdiode.

[8 BE]