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Sensoren als Schnittstelle zur Umwelt
Sensoren, auch Messwertaufnehmer genannt, sind technische Komponenten, die ein nichtelektrisches Eingangssignal in eine elektrische Ausgangsgröße wandeln. In den voherigen Kapiteln haben wir mit Temperatur, Luftdruck oder Freinstaub bereits verschiedene Sensoren für Umweltgrößen genutzt. Auch im Alltag finden wir mit Rauch- und Bewegungsmelder, Mikrofon oder Helligkeitsanpassung am Smartphonedisplay viele selbstverständliche Anwendungen. Im Folgenden wollen wir selbst einen einfachen Lichtsensor aufbauen.
Dies erfordert nur wenige elektonische Bauteile und kann für wenige Cent realisiert werden. Grundlage ist der Spannungsteiler aus dem Physikunterricht.
Spannungsteiler
Schalten wir zwei Widerstände in Reihe an einer Spannungsquelle U, so addiert sich der Gesamtwiderstand Rges = R1+R2 zur Summe der beiden Einzelwiderstände. Der Gesamtstrom I = U/Rges = U/(R1+R2) fließt gleichermaßen durch beide Widerstände. Gemäß dem Ohmschen Gesetz läßt sich die Spannung am Widerstand R1 durch U1=R1*I beschreiben. Setzen wir für I die obige Formel ein, so erhalten wir die Grundgleichung des Spannungsteilers U1=R1/(R1+R2)*U.
Lichtempfindlicher Widerstand
Ersetzen wir im Spannungsteiler den Widerstand R2 durch einen besonderen Widerstand RLDR, dessen Wert sich in Abhängigkeit der Beleuchtung ändert, so erhalten wir einen einfachen Sensor.
Aus der Physik ist bekannt, dass sich der Widerstandswert eines elektrischen Leiters mit der Temperatur erhöht, dieses Verhalten ist z. B. Grundlage eines Pt100-Sensors zur Temperaturmessung. Ein lichtempfindlichen Widerstand (Light Dependent Resistor, LDR, Fotowiderstand) dagegen verändert seinen Widerstandswert mit der Umgebungshelligkeit.
Denkbare Einsatzfälle sind z.B. ein Dämmerungsschalter fürs Flurlicht oder eine helligkeitsabhängige Alarmanlage. Damit dies gelingt, werden wir die Widerstandsänderung des LDR mittes Spannungsteiler in eine Spannungsänderung transformieren und diese dann über den analogen Eingang (ADC, A0) messen. Die nebenstehende Abbildung verdeutlicht den Versuchsaufbau. Die Versorgungsspannung (VCC) von ca. 3 V und das Bezugspotential (GND) erhalten wir über die linke Grove-Buchse unseres Octopus. Wir messen mit UA0 eine Spannung, die größer wird, wenn RLDR kleiner wird, also wenn Licht auf unseren LDR fällt.
Vertauscht man R1 und RLDR ergibt sich eine andere Form des Spannungsteilers, bei dem die Spannung UA0 kleiner wird, wenn der Widerstand RLDR abnimmt. Wir entscheiden uns für die erste Anordnung, da dabei eine Erhöhung der Beleuchtungsstärke auch zu einem höheren Messwert führt. Diese Proportionalität macht die Sache anschaulicher.
Der Widerstand R1 wird üblicherweise so dimensioniert, dass der Wert in der Nähe des Widerstands RLDR am Arbeitspunkt liegt. Messen wir bei normaler Beleuchtung z.B. einen Widerstand RLDR von 3000 Ohm, dann würden wir für R1 auch 3000 Ohm wählen. Festwiderstande gibt es aber nur in diskreten Abstufungen zu kaufen, hier können wir für R1 z.B. 2200 Ohm oder 4700 Ohm verwenden - die Wahl ist nicht so kritisch.
Wichtige Anmerkung: Da unser Messwiderstand RLDR im Nenner des Spannungsteilers auftaucht, besteht kein linearer Zusammenhang zwischen Widerstandsänderung und Spannungsänderung bzw. Messwert im Ardublck-Programm. Außerdem besitzt der LDR eine nichtlineare Kennlinie. Ein professioneller Sensor für die Beleuchtungsstärke läßt sich damit nicht aufbauen, für eine einfache Helligkeitserkennung reicht es aber allemal.
Tauschen wir den LDR durch einen NTC – Widerstand (Negative Temperature Coefficient), so können wir statt Beleuchtungsstärke damit auch die Temperatur messen. Anwendung findet diese einfache Schaltung z. B. bei der Temperaturregelung im modernen Kühlschrank.
Zum Aufbau der kleinen Schaltung eignet sich ein klassisches Steckbrett und ein Grove-Kabel mit Steckpins.
1. Aufbau der Schaltung: Spannungsteiler realisieren, dabei das Grove-Kabel noch nicht am Octopus anschließen! Zur Besimmung des geeigneten Wertes für R1 einfach den Widerstand des LDR messen. Alternativ einen verfügbaren Wert in der Größenordung 1-100 kOhm wählen.
2. Schaltungskontrolle, erst danach
3. Anschluß an die linke Grove Buchse
4. Programm zur Ausgabe der Spannung am Eingang A0 schreiben. Unser ADC hat eine Auflösung von 10-Bit, d.h je nach Eingangsspannung messen wir einen ADC-Zahlenwert zwischen 0 und 210-1 (0...1023). Wie sieht die Umrechnungsformel aus, um vom Zahlenwert auf die Spannung zu schließen?
5. Wer möchte, kann sich einen professionellen Lichtsensor wie den TSL2651 beschaffen und unseren Selbstbausensor entsprechend kalibrieren. Der TSL2561 liefert die Beleuchtungsstärke in der physikalischen Einheit Lux, so dass sich unser Rohwert (0...1023) auf eine physikalische Größe beziehen lässt. Aufgrund der nichtlinearen Kennlinie des LDR und des nichtlinearen Spannungsteilers wird sich aber nur eine grobe Schätzung für die Beleuchtungsstärke realisieren lassen. In einem der folgenden Kapitel bauen wir ein Absorptionsspektrometer basierend auf der Beleuchtungsmessung.
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