Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 2.2–2.3 · 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

Aufgabe 2.2

Für den Mikrocontroller wurde bereits ein Programm entwickelt (Material 9). Wird der Taster betätigt, so beginnt der Wagen zu rollen. Der programmierte Mikrocontroller misst die Fahrzeit des Wagens bis zur Unterbrechung der Lichtschranke und gibt diese auf dem LCD-Baustein aus.

2.2.1

Häufig enthält ein Programm mehrere Unterprogramme, dabei wird zwischen Prozeduren und Funktionen unterschieden.

Nennen Sie zwei prinzipielle Vorteile, welche sich durch die Verwendung von Unterprogrammen ergeben. Erläutern Sie den Unterschied zwischen Prozeduren und Funktionen. (4 BE)

2.2.2

Erläutern Sie den Unterschied zwischen globalen und lokalen Variablen.

Hinweis: Beziehen Sie sich dabei auf je ein konkretes Beispiel im gegebenen Code (Material 9). (4 BE)

2.2.3

Erklären Sie die innerhalb der Prozeduren/Funktionen setup, loop und messenFahrzeit stattfindenden Abläufe.

Hinweis: Die Erläuterungen sind jeweils getrennt für die einzelnen Prozeduren/Funktionen vorzunehmen. (12 BE)

Aufgabe 2.3

Bei unveränderter Hardware soll ein Programm für den Mikrocontroller entwickelt werden, mit dem die Momentangeschwindigkeit des Wagens beim Durchlaufen der Lichtschranke ermittelt und ausgegeben werden kann. Dafür ist die Zeit zu messen, in welcher die Lichtschranke durch den rollenden Wagen unterbrochen ist. Dividiert man anschließend die Länge des Wagens durch die gemessene Zeit, so erhält man die Momentangeschwindigkeit des Wagens für den Ort, an dem sich die Lichtschranke befindet. In Material 10 ist ein Lösungsansatz für das Programm vorgegeben. Im Lösungsansatz ist erkennbar, dass die Länge des Wagens als Konstante wagenlaenge definiert ist. Für die Speicherung der ermittelten Momentangeschwindigkeit ist die bereits definierte Variable momentangeschwindigkeit zu verwenden. Am Ende des Hauptprogramms loop werden die Funktion messenMomentangeschwindigkeit und die Prozedur ausgeben aufgerufen.

2.3.1

Implementieren Sie die Funktion messenMomentangeschwindigkeit, welche die Momentangeschwindigkeit des Wagens am Ort der Lichtschranke ermittelt und zurückgibt. (10 BE)

2.3.2

Implementieren Sie die Prozedur ausgeben, welche die Momentangeschwindigkeit inkl. deren Maßeinheit [m/s] auf dem LCD-Baustein ausgibt, fünf Sekunden nach der Ausgabe das Display löscht und sich beendet. (3 BE)