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

Welche Farbe hat eine Ampel nicht? (Blau) (!Rot) (!Gelb) (!Grün)

Welcher Widerstand ist nötig, um eine LED vor zu hohem Strom zu schützen? (220 Ohm) (!1 kOhm) (!10 kOhm) (!Ohne Widerstand)

Was ist die Funktion eines Mikrocontrollers in einer Ampelschaltung? (Steuerung der LEDs) (!Stromversorgung) (!Verbindung zum Internet) (!Lichtsensor)

Welches Bein der LED muss mit dem GND-Anschluss des Mikrocontrollers verbunden werden? (Kathode) (!Anode)

Wie viele Hauptfarben hat eine typische Ampel? (3) (!2) (!4) (!5)

Memory

Rot	Stopp
Grün	Gehen
Gelb	Vorbereitung
Mikrocontroller	Programmierung
Widerstand	Strombegrenzung

Kreuzworträtsel

diode	Was leuchtet in der Ampel?
arduino	Welcher Mikrocontroller ist besonders beliebt für DIY-Projekte?
widerstand	Was begrenzt den Strom in einer Schaltung?
programmierung	Was ermöglicht die Steuerung der Ampelphasen?
anode	Welches Bein der LED ist länger?

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.

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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QUIZit

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

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? (Nein nicht unbedingt) (Ja sogar sehr)

Was ist die Aufgabe eines Transistors? (Das Steuern von Spannung und Strom) (!Energie umzuwandeln) (!Eine alternative Stromquelle) (!Fängt nach gewisser Zeit an zu leuchten)

Wie heißt der Modus wenn ein Relais Spannung bekommt? (Blinkmodus) (!Spannmodus) (!Rollmodus) (!Leuchtmodus) (!Kontaktmodus)

Welches ist das wichtigste Teil der Ampelschaltung? (Öffner/Schließer) (!Relais) (!Feinsicherung) (!LED)

Welche Teile werden in meiner Ampelschaltung verwendet?(Es gibt mehrere Antworten) (Feinsicherung) (LED) (Relais) (Öffner/Schließer) (!Transistor) (!Wiederstand) (!Elko) (!Gleichrichter)

Wie hoch ist die Strafe für das Überfahren einer roten Ampel? (90 Euro) (!25 Euro) (!10 Stunden Sozial Arbeit) (!200 Euro)

...

Kreuzworträtsel

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.

Fußgängerampel	Wie heißt die Ampel für Fußgänger?
1868	Wann wurden die ersten Ampelanlagen aufgestellt?
Lichtzeichenanlage	Wie wird eine Ampel in Deutschland noch bezeichnet?
Holz	Welches Material wurde bei meinem Werkstück am meisten verwendet?
Volt	Auf welche Einheit muss bei einer allgemeinen Schaltung geachtet werden?

...

Memory

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

Erstelle ein Zuordnungsspiel

auf LearningApps und füge den Vollbild-Link zwischen <iframe > und </iframe> ein oder
erstelle eine Drag and Drop Aufgabe als Wiki (funktioniert dann nur am PC).

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

...