Projektlabor Robotik MINTgrün

Eine Variable ist im Allgemeinen ein Speicherort für eine Information, wie zum Beispiel eine Zahl oder ein Wort. Dem Compiler wird mitgeteilt, von welchem Typ die Variable ist und somit auch, wie viel Speicherplatz für die Variable reserviert werden muss. Es kann dann auf die Variable zugegriffen werden indem man sie ausliest, oder indem man neue Informationen in sie reinschreibt. Variablen können zum Beispiel dafür verwendet werden, eine ausgelesene Spannung zu speichern, um diese später weiterzuverarbeiten.

Der Datentyp einer Variable bestimmt, was in ihr abgespeichert wird und wie viel Speicherplatz sie benötigt.

int, long - ganze Zahlen
float, double - Gleitkommazahlen
char - Zeichen
String - Zeichenfolge
boolean - wahr/falsch

Um eine Variable einzuführen, muss sie deklariert oder initialisiert werden.

int beispiel1; //deklarieren
beispiel1 = 1; //Zuweisen eines Wertes
 
float beispiel2 = 1; //initialisieren
beispiel2 = 2; //ändern des Wertes

Bei der Deklaration werden der Datentyp und der Name der Variable festgelegt, es wird ihr jedoch kein Wert zugewiesen. Bei der Initialisierung werden sowohl Datentyp und Name als auch der Wert festgelegt. Die Werte der Variablen können dann beliebig verändert werden.

Innerhalb des Sichtbarkeitsbereiches einer Variable kann auf die Variable zugegriffen werden, sie ist also sichtbar. Außerhalb dieses Bereiches existiert die Variable nicht. Sogenannte globale Variablen sind im gesamten Programm sichtbar, während lokale Variablen nur in einem Teil des Programms sichtbar sind. Die Sichtbarkeit einer Variable wird durch die sie umgebenden geschweiften Klammern begrenzt. Es ist außerdem möglich eine Variable zu verdecken, also eine lokale Variable einzuführen, die den gleichen Namen hat wie eine globale Variable. Die neu eingeführte lokale Variable überdeckt dann die globale Variable in ihrem Sichtbarkeitsbereich. Ich werde das Konzept an einem Beispiel verdeutlichen:

int var1; //globale Variable
 
void setup(){
int var2; //lokale Variable, nur im Setup sichtbar
}
 
void loop(){
int var3; //lokale Variable, nur in loop sichtbar
 
int var1; //lokale Variable var1, überdeckt globale Variable var1 in der loop
 
if(1 == 1){
int var4; //lokale Variable, nur in if-Bedingung sichtbar
}
}

int varA = 0; //globale Variable
int varB = 1; //globale Variable
int varC = 2; //globale Variable
 
void setup() {
  Serial.begin(9600);
 
  varA = 5; //ändern des Wertes der globalen Variable varA
  int varB = 2; //lokale Variable varB, die die globale Variable varB verdeckt
  int varD = 3; //lokale variable
  Serial.println(varA); //es wird 5 ausgegeben, da der Wert von varA im Setup verändert wurde
  Serial.println(varB); //es wird 2 ausgegeben, da hier die lokale Variable varB sichtbar ist und nicht die globale
  Serial.println(varC); //es wird 2 ausgegeben
  Serial.println(varD); //es wird 3 ausgegeben
}
 
void loop() {
  int varE = 4; //lokale Variable
  if (varA == 5) { //Bedingung erfüllt, die globale Variable varC hat nun den Wert 6
    varC = 6;
  }
  if (varB == 2) { //Bedingung nicht erfüllt, da hier wieder die globale Variable varB mit dem Wert 1 sichtbar ist
    varE = 7;
  }
  if (varC == 6) { //Bedingung erfüllt
    int varD = 8; //lokale Variable, nur sichtbar in der if-Bedingung
  }
  Serial.println(varA); //es wird 5 ausgegeben
  Serial.println(varB); //es wird 1 ausgegeben, da hier die globale Variable varB sichtbar ist
  Serial.println(varC); //es wird 6 ausgegeben
  Serial.println(varD); //es kommt zu einem Fehler, da die beiden lokalen Variablen varD hier nicht sichtbar sind
  Serial.println(varE); //es wird 4 ausgegeben
}

If Bedingungen werden gebraucht um bestimmte Fälle zu unterscheiden und in jedem der Fälle verschiedene Codeabschnitte auszuführen. Die Syntax bei c++ sowie Java lautet Allgemein:

if(<BEDINGUNG>){
<CODE>
}

Konkret könnten wir zum Beispiel ein Programm haben welches die Lüfter von einem Computer steuert und eine Warnung ausgeben soll wenn die Temperatur 80 Grad überschreitet. Hierbei müsste es eine Variable geben welche wir temp nennen wo das Programm die aktuelle Temperatur speichert. Nun benutzen wir eine if-Bedingung um unsere Warnung auszugeben:

float temp;

...

If(temp > 80){
   Serial.println("Temperatur zu Hoch!"); 
}

Es Gibt folgende Vergleichsoperatoren:

* == / != (Gleich / Ungleich)
* > / < (Größer / Kleiner)
* >= / <= (Größer-Gleich / Kleiner-Gleich)

Achtet darauf, dass ihr zum Vergleichen nicht = verwendet sondern immer ==. Passt außerdem auf, dass ihr nur vergleichbare variablen vergleicht (Wenn ihr zum Beispiel einen String mit einem int vergleicht weiss der Computer nicht weiter).

Schall ist eine Schwingung von Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium und breitet sich in Form einer Longitudinalwelle aus. Wenn ein Ton entsteht, wird also zum Beispiel Luft komprimiert. Diese Komprimierung breitet sich in der umliegenden Luft aus, was dafür sorgt, dass der Ton sich ausbreitet. Die Komprimierung der Luft kann zum Beispiel durch die Membran eines Lautsprechers stattfinden.

Der im Set enthaltene Piezolautsprecher erzeugt Töne indem die Membran des Lautsprechers durch ein Piezoelement bewegt wird. Ein Piezoelement führt beim Anlegen einer Spannung eine mechanische Bewegung aus. Wenn an diesen Lautsprecher eine Wechselspannung angelegt wird, bewegt das Piezolelement die Membran mit einer bestimmtenFrequenz. Abhängig von der Frequenz, also der Anzahl der Bewegungen pro Sekunde, erzeugt die Membran dann Töne von verschiedener Höhe. Der Arduino kann keine Wechselspannung erzeugen, deshalb muss mit Hilfe der delay-Funktion eine Gleichspannung in bestimmten Zeitabständen an den Lautsprecher angelegt werden.

Die delay-Funktion sorgt dafür, dass das Programm für einen bestimmte Zeit angehalten wird. Nachdem das Programm diese Zeit abgewartet hat, läuft es ganz normal weiter.

int var = 5;
delay(1000); //warte 1000 Millisekunden, bzw. eine Sekunde
var = 6;
delayMicroseconds(1); // warte eine Mikrosekunde
var = 7;

####################################################ALT########################################################### Themen:

• Was ist Strom/Widerstand/Spannung
• Ohmsches Gesetz
• Reihen und Parallelschaltungen
• Was ist Leistung
• Wie messe ich Strom/Widerstand/Spannung (Multimeter Einführung)

Elektrischer Strom ist per Definition bewegte Ladung. Sobald sich also ein geladenes Teilchen in Bewegung setzt haben wir Strom. Das Formelzeichen von Strom ist I und die Einheit Ampere [A].

Spannung beschreibt einen Potentialunterschied. Darunter kann man sich vorstellen, dass man zwei Reservoirs (A und B) hat in dem einen befinden sich sehr viele sich abstossende Teilchen (A) in dem anderen nichts (B). In dem Reservoir mit den vielen sich abstossenden Ladungsträgern haben wir ein hohes Potential und in dem anderen eines von 0. Die Spannung beschreibt nun den Potentialunterschied also Pot(A)-Pot(B) = U. Wenn wir diese Idee weiterentwickeln so kommt man zu dem Schluss, dass eine Spannung (wenn die beiden Pole/Reservoirs verbunden werden) einen Strom erzeugt, da die sich abstossenden Teilchen versuchen sich Gleichmäßig zu verteilen. Das Formelzeichen der Spannung ist U und die Einheit [V] Volt.

Der Widerstand ist eine Eigenschaft des verwendeten leitenden Materials. Er „bremst“ den Strom quasi aus. So zeichnen sich zB. Isolatoren dadurch aus, einen sehr hohen elektrischen Widerstand zu haben und zwar so hoch, dass kein Strom mehr fliessen kann.

Das Ohmsche Gesetz postuliert einen linearen Zusammenhang zwischen Spannung und Strom, wobei die Konstante der Widerstand ist. Das bedeutet, dass man in einem Stromkreis, wenn man die Spannung und den Strom misst berechnen kann wie groß der Widerstand ist. Bzw. allgemeiner wenn man zwei der drei Größen kennt, kennt man auch die dritte.
Als Gleichung fromuliert U = R * I.
Achtung! Dieses Gesetz gilt nicht immer, so gibt es (auch bei uns im Labor) Bauteile die sich nicht so einfach beschreiben lassen.

Eine Reihenschaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbraucher hintereinander geschaltet sind (vgl. Abbildung 1). In so einer Konfiguration verhalten sich die drei Größen U,R und I wie folgt.
Die Spannung U teilt sich auf die Bauteile R1 und R2 auf. Anders ausgedrückt an jedem der Bauteile fällt eine Spannung ab. Oder in eine Formel gefasst:

 U = U1 + U2

Der Strom durch alle Bauteile (R1 und R2) ist identisch.

 I0 = I1 = I2 

Der Gesamtwiderstand ergibt sich als Summe der Einzelwiderstände:

 R = R1 + R2 

Hierbei werden die Verbraucher in separaten Stromkreisen an die gleiche Spannungsquelle angeschlossen (vgl. Abbildung 2).
Die Spannung die an jeder der Lasten R1 und R2 anliegt enspricht der Spannung U der Spannungsquelle.

 U = U1 = U2 

Der Strom teilt sich an der Gabelung (Knoten Nr. 2) auf in zwei Ströme I1 und I2 wobei gilt:

 I0 = I1 + I2 

Der Gesamtwiederstand, den man an Knoten 2 und 5 (oder 1 und 4) messen würde ist durch

 1/R = 1/R1 + 1/R2 

gegeben.

Die Leistung P beschreibt allgemein die Energie, welche in einer bestimmten Zeit umgesetzt (geleistet) wurde. Die Einheit der Leistung ist Watt. Allgemein als Formel dargestellt:

 P = ΔE/Δt

Die elektrische Leistung (bei Gleichstrom!) ist gegeben durch folgenden Zusammenhang:

 P = U * I

Damit kann man zB. abschätzen wieviel Leistung an einem Widerstand abfällt und dann daraus zB. vorhersagen ob besagter Widerstand durchbrennt oder nicht. zB: Könnten wir eine einfache Schaltung mit einer Spannungsquelle (U) und einem Verbraucher (R1) haben. Wir kennen die Spannung U bereits, da wir sie selbst angelegt haben. Normalerweise kennt man die Stärke des fliessenden Stroms noch nicht. Wir können ihn allerdings, wenn wir den Widerstand R1 kennen, mit dem Ohmschen Gesetz wie folgt berechnen.

U = R1 * I | Umformen
I = U/R1

Das setzten wir nun in die Gleichung für die Leistung ein und erhalten:

P = U^2/R1

Ist nun unser Wert für P größer als die Angabe auf unserem Widerstand (üblicherweise 1/4W) so müssen wir einen Widerstand mit höherer Leistung oder einen mit einem höheren Widerstand R1 einbauen um innerhalb der Leistungsgrenzen zu bleiben.

Ein Multimeter ist zunächst eine Kombination aus Volt/Ohm und Amperemeter. Spannungen und Widerstände müssen wie in Abbildung 3 gezeigt parallel gemessen werden. In Abbildung 3 wird einmal der Widerstand R1 gemessen und die Spannung welche an R1 abfällt. Um den Strom der durch einen bestimmten Abschnitt des Stromkreises fliesst zu messen muss man das Multimeter in Reihe schalten, sodass der Strom I0 quasi gezwungen wird durch das Multimeter zu fliessen (vgl. Abbildung 4). Achtung! Achtet darauf, dass ihr wenn ihr euch nicht sicher seid in welcher Größenordnung die zu messenden Ströme/Spannungen sind, das Multimeter immer auf eine zu große Größenordnung einstellt und dann langsam niedrigere Größenordnungen wählt.
Ein Typischer fehler, wenn ihr komische oder keine Werte messt ist, dass ihr die Messkabel in den falschen Buchsen des Multimeters stecken habt.