Ampelanlage
Ampelanlage
Einleitung
In diesem aiMOOC lernen wir, wie man eine einfache Ampelanalage als elektronische Schaltung baut und programmiert. Ampelanlagen sind ein wesentlicher Bestandteil der Verkehrsregelung und tragen zur Sicherheit auf den Straßen bei. Sie steuern den Verkehrsfluss, indem sie den Fahrzeugen und Fußgängern signalisieren, wann sie gehen, stehenbleiben oder fahren sollen. Der Bau einer eigenen Ampel ist nicht nur ein spannendes Projekt, das technisches Verständnis vermittelt, sondern auch ein praktischer Einstieg in die Welt der Elektronik und Programmierung.
Grundlagen der Elektronik und Programmierung
Einführung in elektronische Bauteile
Elektronische Schaltungen bestehen aus verschiedenen Bauteilen, die miteinander verbunden sind, um eine bestimmte Funktion auszuführen. Für den Bau einer Ampel benötigen wir folgende Komponenten:
- Widerstände: Begrenzen den Stromfluss und schützen die LEDs vor zu hohem Strom.
- LEDs (Leuchtdioden): Agieren als Lichtquellen für die Ampel. Wir benötigen rote, gelbe und grüne LEDs.
- Mikrocontroller: Ein kleiner Computer, der programmiert werden kann, um die LEDs entsprechend zu steuern. Beliebt sind z.B. der Arduino oder Raspberry Pi.
- Steckplatine (Breadboard): Eine wiederverwendbare Basis zum Aufbau und Testen der Schaltung, ohne Löten zu müssen.
- Jumper-Kabel: Kabel zum Verbinden der Komponenten auf der Steckplatine.
Grundlagen der Programmierung
Die Steuerung der Ampel erfolgt durch ein Programm, das auf dem Mikrocontroller läuft. Grundlegende Konzepte der Programmierung, die wir nutzen werden, sind:
- Variablen: Zum Speichern von Informationen wie dem Zustand der Ampel (rot, gelb, grün).
- Kontrollstrukturen (z.B. if-Anweisungen und Schleifen): Um zu entscheiden, welche Ampelfarbe basierend auf dem aktuellen Zustand aktiviert werden soll.
- Funktionen: Codeblöcke, die eine spezifische Aufgabe ausführen, z.B. das Einschalten einer LED.
Bau der Ampel
Materialien und Werkzeuge
Um deine eigene Ampel zu bauen, benötigst du folgende Materialien und Werkzeuge:
- LEDs (rot, gelb, grün)
- Widerstände für jede LED
- 1 Mikrocontroller (z.B. Arduino)
- 1 Steckplatine
- Jumper-Kabel
- Computer, auf dem die Entwicklungsumgebung des Mikrocontrollers installiert ist
- USB-Kabel zur Verbindung des Mikrocontrollers mit dem Computer
Schritt-für-Schritt-Anleitung
Verbinde die LEDs mit der Steckplatine. Achte darauf, die Anode (längeres Bein) der LED über einen Widerstand mit dem Mikrocontroller zu verbinden und die Kathode (kürzeres Bein) mit dem GND-Anschluss des Mikrocontrollers zu verknüpfen.
Verbinde den Mikrocontroller mit dem Computer über das USB-Kabel.
Öffne die Entwicklungsumgebung auf deinem Computer und schreibe ein Programm, das die LEDs in der Reihenfolge Rot, Gelb, Grün und wieder zurück leuchten lässt. Berücksichtige dabei Verzögerungen, damit die Lichter sichtbar wechseln.
Lade das Programm auf den Mikrocontroller hoch und teste deine Ampel.
Interaktive Aufgaben
Quiz: Teste Dein Wissen
Wie viele Hauptfarben hat eine typische Ampel?
Welcher Widerstand ist nötig, um eine LED vor zu hohem Strom zu schützen?
Was ist die Funktion eines Mikrocontrollers in einer Ampelschaltung?
Welches Bein der LED muss mit dem GND-Anschluss des Mikrocontrollers verbunden werden?
Welche Farbe hat eine Ampel nicht?
Memory
GrünGelbMikrocontrollerStrombegrenzungGehenVorbereitungRotProgrammierungStoppWiderstand
Kreuzworträtsel
| Waagrecht → | Senkrecht ↓ |
|---|---|
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LearningApps
Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Entwirf ein Papiermodell einer Ampel. Überlege dir, wie die Lichter angeordnet sein sollten und welche Farben sie haben.
- Recherchiere, wie Ampeln in deiner Stadt gesteuert werden. Finden dort manuelle Eingriffe statt oder sind sie voll automatisiert?
Standard
- Baue eine einfache Ampelschaltung auf einem Breadboard. Verwende LEDs und programmiere einen Mikrocontroller so, dass er die Ampelphasen steuert.
- Erstelle eine Präsentation über die Geschichte der Ampeln und wie sie sich im Lauf der Zeit verändert haben.
Schwer
- Entwickle eine Ampelschaltung, die auch Fußgänger berücksichtigt. Füge einen Knopf hinzu, den Fußgänger drücken können, um die Ampel zu aktivieren.
- Erstelle eine erweiterte Ampelschaltung, die Sensoren zur Verkehrsflussmessung verwendet, um die Lichtphasen dynamisch anzupassen.
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Lernkontrolle
- Erkläre den Unterschied zwischen der Anode und Kathode einer LED und warum dieser Unterschied wichtig ist, wenn du eine LED in einer Schaltung verwendest.
- Beschreibe, wie du einen Mikrocontroller programmieren würdest, um eine Ampelschaltung zu steuern. Welche Grundelemente der Programmierung würdest du verwenden?
- Entwirf eine Schaltung, die die Ampelphasen automatisch ändert, aber auch manuell über einen Schalter gesteuert werden kann. Wie würdest du das realisieren?
- Diskutiere die Vorteile der Verwendung von Mikrocontrollern in Ampelschaltungen gegenüber traditionellen mechanischen Systemen.
- Überlege dir, wie man die Sicherheit von Ampelschaltungen verbessern könnte. Welche zusätzlichen Features oder Sensoren könntest du einbauen?
OERs zum Thema
Links
Elektronik und Programmierung |
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Mach mit. MOOCit. Beschreibe hier, um welchen MOOC es sich handelt.
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Ich erkläre und informiere euch über mein Schulprojekt:Alarmanlage
Dies ist sowohl mein Handout als auch gleichzeitig meine Dokumentationsmappe.
Video
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Füge hier ein passendes Video aus Vimeo, YouTube oder Dailymotion ein.
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QUIZit
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Erstelle interaktive Aufgaben, wie z.B. Multiple-Choice-Fragen (ohne Programmierkenntnisse). Du musst beim Bearbeiten einfach nur die Fragen und Antworten anpassen. Unter "Interaktive Aufgaben" findest Du noch weitere Aufgabentypen und eine ausführliche Anleitung für MOOCwiki-Aufgaben und zusätzliche LearningApps. |
Multiple-Choice
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Stelle Multiple-Choice-Fragen. Trage in der Klammer für "RICHTIG" die richtige Antwort ein und für "FALSCH" jeweils eine falsche Antwort. Alle mit "!" gekennzeichneten Antworten sind FALSCH. |
Probiere dich einfach aus und sei nicht verzweifelt falls du nicht alles wissen solltest. :)
Ist ein Transistor für eine Ampelschaltung wichtig?
Was ist die Aufgabe eines Transistors?
Wie heißt der Modus wenn ein Relais Spannung bekommt?
Welches ist das wichtigste Teil der Ampelschaltung?
Welche Teile werden in meiner Ampelschaltung verwendet?
Wie hoch ist die Strafe für das Überfahren einer roten Ampel?
...
Kreuzworträtsel
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Erstelle ein Kreuzworträtsel. Trage für "Frage" eine Aufgabe und für "Lösung" die Antwort ein. |
Um das Kreuzworträtsel zu füllen, drückst du mit der Maus auf ein Feld mit einer Zahl, dann erscheint ein Eingabedialog mit der Frage und der Eingabemöglichkeit.
| Waagrecht → | Senkrecht ↓ |
|---|---|
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...
Memory
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Erstelle ein Memory. Ersetze einfach die vorgegebenen Elemente. |
Fine die passenden Fachwörter für die entsprechenden Bilder
Finde die Paare.
| Relais | Wird über einen Steuerstromkreis aktiviert |
| Diode(LED) | Die Lichter der Ampel |
| Öffner/Schließer | Bestimmt wann und wo der Strom fließen darf/soll |
...
Lückentext
MOOC it: Lückentext (Möglicher Ablauf einer Ampelschaltung)
Beispiel: "Als allererstes wird der Schaltung Strom hinzugegeben. Dies geschieht durch eine sogenannte Stromquelle . Eine mögliche Stromquelle könnte z.B: eine Batterie sein. Nachdem der Strom hineingeflossen ist, verläuft dieser durch eine Sicherung und von der aus zum ersten Relais . Dieser erhält Spannung und es kommt zu einem Blinkmodus. Wenn dann das Relais Spannung bekommt, zieht sich je nach Schaltung entweder ein Schließer zusammen oder ein Öffner. der denn den Weg öffnet. Nach einer gewissen Zeit ändert sich das Programm des Relais und die Kontakte werden verändert. So entsteht ein ständiger Wechsel der dafür sorgt, dass die LED´s immer wieder an und aus geschaltet werden."
...
Drag and Drop
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Erstelle ein Zuordnungsspiel
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| Ordne die richtigen Begriffe zu. | Dein Thema |
|---|---|
| Strom wird hinzugegeben | Schritt 1 |
| Relais bekommt Spannung | Schritt 2 |
| Der Blinkmodus wird aktiviert | Schritt 3 |
| Schließer/Öffner wird angezogen/geschloßen | Schritt 4 |
| LED leuchtet | Schritt 5 |
...
Suchen und Finden
|
Erstelle ein "Suchen und Finden" Spiel. |
- Finde die Wörter! (Waagrecht, senkrecht und schräg)
- Um ein gefundenes Wort zu markieren, ziehe mit der Maus über das Wort und markiere es dadurch.
- Aufgabe: Es wurden die Worte: Ampelschaltung, Fussgaenger, Relais, FIP und Werkstueck versteckt.
| Ampelschaltung |
| Fussgeänger |
| Relais |
| Fip |
| Werkstueck |
...
Offene Aufgaben & Projekte
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Stelle offene Aufgaben, welche das Thema betreffen (aber nicht nur Wissen abfragen).
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Children for a better world >> Förderung der AI Fair-Image Challenge
Für unsere deutschlandweite AI Fair-Image Challenge werden wir von CHILDREN JUGEND HILFT! gefördert. Alle Infos zur Challenge hier >>. Wenn auch Ihr Euch ehrenamtlich engagiert und noch finanzielle Unterstützung für Eurer Projekt braucht, dann stellt gerne einen Antrag bei JUGEND HILFT.
