Aufgabe Vorschlag B - 3 - Sensoren und Aktoren · Abitur Hessen Technische Informatik LK 2022
Thema: Sensoren und Aktoren · Aus der Prüfung LK (2022)
Aufgabenstellung
Ein Assembler auf einem Mikrocontroller im Rasenmähroboter steuert das Mähwerk, an dem an einer drehenden Scheibe drei kleine Klingen angebracht sind, die die Grashalme schneiden. Für die Rotationsbewegung wird ein Gleichstrommotor verwendet. Solange der Mikrocontroller auf Pin 0 ein HIGH-Signal erhält, ist das Mähwerk eingeschaltet. Im normalen Mähbetrieb wird am Motor der Rechtslauf aktiviert und der Rasenmähroboter fährt vorwärts. Zum Zwecke der Reinigung des Rasenmähroboters von Schnittgut im Mähwerkbereich steht ein Reinigungsmodus zur Verfügung. Um den Reinigungsmodus zu aktivieren, erhält der Assembler auf Pin 6 über einen internen Zähler, der die Betriebsstunden zählt, ein kurzes HIGH-Signal. Ist dies der Fall und das Mähwerk ist noch eingeschaltet, wird der Rechtslauf zunächst ausgeschaltet und der Mikrocontroller wartet 10 Sekunden, bis das Mähwerk zum Stillstand gekommen ist. Danach wird am Motor der Linkslauf aktiviert, um die Verschmutzungen von den Messerklingen zu entfernen. Endet der Reinigungsmodus nach 15 Sekunden, wird der Linkslauf abgeschaltet und der Mikrocontroller wartet 10 Sekunden. Sollte Pin 0 kein HIGH-Signal erhalten, werden sowohl Links- als auch Rechtslauf deaktiviert und das Mähwerk ist ausgeschaltet.
Port 1 des Mikrocontrollers
Pin 7 · Pin 6 · Pin 5 · Pin 4 · Pin 3 · Pin 2 · Pin 1 · Pin 0
· ↑ · · · · ↓ · ↓ · ↑
· Reinigungsmodus · · · · Rechtslauf · Linkslauf · Mähwerk ein
Material 1 – Schaubild Funktion Rasenmähroboter
Um den Rasenmähroboter zukünftig noch „smarter“ zu machen, soll eine intelligente Ladungssteuerung verbaut werden. Aus diesem Grund ist es notwendig zu wissen, ob sich der Rasenmähroboter aktuell auf der Ladestation befindet (Material 1). Dazu soll die Ladestation mit einem zusätzlichen Sensor ausgestattet werden.
3.4.1
Erläutern Sie das generelle Funktionsprinzip eines kapazitiven Sensors. [4 BE]
3.4.2
Entwickeln Sie mit einer Ihnen aus dem Unterricht bekannten Sensortechnik ein Konzept für die genannte Anforderung an den Sensor und skizzieren Sie dieses Konzept. [6 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
3.4.1 Erläutern Sie das generelle Funktionsprinzip eines kapazitiven Sensors.
Lösung: Ein kapazitiver Sensor funktioniert grundsätzlich nach dem Prinzip eines elektrischen Kondensators. Das Konzept basiert darauf, dass zwei Elektroden, eine davon kann die zu messende Oberfläche sein, die „Platten“ eines elektrischen Kondensators bilden. Dessen Kapazität bzw. Kapazitätsänderung wird gemessen. Dabei kann die Kapazitätsänderung auf verschiedene Arten herbeigeführt werden: - Eine Platte wird durch den zu messenden Effekt verschoben. - Die Platte wird verformt, wodurch sich der Plattenabstand und damit die elektrisch messbare Kapazität ändert. - Die Platten sind starr und die Kapazität ändert sich, weil entweder elektrisch leitendes Material oder ein Dielektrikum in die unmittelbare Umgebung gebracht wird (z. B. zwischen die Platten). - Die wirksame Plattenfläche ändert sich, indem die Platten wie bei einem Drehkondensator gegeneinander verschoben werden. - Der zu messende Effekt beeinflusst die Permittivität (Dielektrizitätskonstante) des Dielektrikums. Die Kapazitätsänderung wird dann erfasst und in Relation zur Ausgangsgröße gesetzt. Somit lassen sich Rückschlüsse auf den zu untersuchenden Effekt feststellen.
3.4.2 Entwickeln Sie mit einer Ihnen aus dem Unterricht bekannten Sensortechnik ein Konzept für die genannte Anforderung an den Sensor...
Lösung: Es ist generell möglich, einen kapazitiven Sensor zur Feststellung, ob sich der Rasenmähroboter auf der Ladestation befindet, zu benutzen. Dazu könnte man einen kapazitiven Drucksensor verwenden. Dieser müsste am Boden der Ladestation unter einer beweglichen Platte installiert sein, die beim Befahren durch den Roboter den Druck auf die Membran des kapazitiven Drucksensors erhöht. So würde durch das Gewicht des auffahrenden Rasenmähroboters die Membran, die als eine Kondensatorplatte fungiert, eingedrückt und der Abstand der beiden Elektroden zueinander geändert. Damit ändert sich die Kapazität, welche dann ausgewertet werden könnte.
3.4.2 ...und skizzieren Sie dieses Konzept.
Lösung: Skizze des Konzepts: Rasenmähroboter auf einer beweglichen Platte der Ladestation. Darunter befindet sich der Drucksensor mit Membran (Platte 1) und fester Gegenelektrode (Platte 2). Das Gewicht des Roboters drückt die Membran nach unten und verringert den Abstand.
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