Lötbausatz 'Thermometer'
Abschnittsübersicht
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Dieser Bausatz implementiert ein Thermometer auf Grundlage eines analogen Temperatursensors, welcher von einem ATtinyX4 Mikrocontroller ausgelesen wird. Die Temperatur wird über acht Leuchtdioden in verschiedenen Farben dargestellt. 
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Achtung, Verwechselungsgefahr!
Temperatursensor:
Der Temperatursensor ist in einem halbrunden schwarzen Gehäuse integriert. Die Anschlussbeine liegen nah beieinander.
Spannungsregler:
Der Spannungsregler befindet sich in einem ähnlich aussehenden Gehäuse. Bitte beachte, dass die Beine einen weiteren Abstand zueinander haben, als die des Temperatursensors.
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Vorbereitung
Bitte richte zunächst einen Arbeitsplatz mit hitzeresistenter Unterlage her und lege alle Bauteile aus diesem Bausatz bereit.
Heize anschließend den Lötkolben auf eine Temperatur von 360 °C auf und lege einen feuchten Schwamm oder Messingwolle für die Reinigung bereit.
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Schritt 1: 100 nF Kondensator (C3, C4)
In der Regel bietet es sich an, das mechanisch kleinste Bauteil zuerst zu verlöten. Glücklicherweise sind die kleinsten Bauteile auf der rechten Seite der Platine bereits fertig. Wir fangen also mit Kondensatoren an.
BITTE BEACHTE:
Die beiden benötigten Kondensatoren sind orange und haben keine Polarität.
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Schritt 2: 2,2 μF Kondensatoren (C1, C2)
Damit unsere Schaltung später gut funktioniert, benötigen wir zwei weitere Kondensatoren am Ein- sowie Ausgang unseres +5 V Spannungsreglers.
BITTE BEACHTE:
Die Kondensatoren sind blau und tragen die kleine schwarze Aufschrift „225“.
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Schritt 3: Temperatursensor (U2)
Zur Messung der Temperatur benötigen wir einen Sensor. Dieser gibt je nach Temperatur eine veränderliche Spannung aus, die dann später vom Mikrocontroller eingelesen aus ausgewertet werden kann.
BITTE BEACHTE:
Der Temperatursensor ist halbrund und muss entsprechend der Markierung auf der Platine verlötet werden.
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Schritt 4: Spannungsregler (U1)
Nun folgt der Spannungsregler. Dieser sorgt dafür, dass Mikrocontroller, Temperatursensor und Leuchtdioden die Spannung erhalten, die sie zum Betrieb benötigen.
BITTE BEACHTE:
Der Spannungsregler ist halbrund und muss entsprechend der Markierung auf der Platine verlötet werden.
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Schritt 5: Sockel für den Mikrocontroller (U3)
Als nächstes folgt der Sockel für den Mikrocontroller. Dieser sorgt dafür, dass du diesen aus der Schaltung entnehmen und auch selber programmieren kannst.
BITTE BEACHTE:
Der Sockel hat eine kleine Einkerbung im schwarzen Plastik. Diese muss entsprechend der Markierung auf der Platine verlötet werden!
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Schritt 6: Barrel Jack Anschluss (J1)
Verlöte jetzt den großen schwarzen Stromanschluss an der dafür vorgesehenen Stelle.
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Schritt 7: Mikrocontroller (Sockel, U3)
Abschließend muss der Mikrocontroller in den Sockel eingesetzt werden. Bitte verwende hierbei keine Gewalt, da sich sonst die Beine verbiegen oder abbrechen. Am leichtesten ist es, den Mikrocontroller zuerst auf einer Seite einzusetzen.
BITTE BEACHTE:
Die Einkerbung des Mikrocontrollers muss mit der entsprechenden Markierung auf der Platine übereinstimmen.
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Schaltung auf Kurzschluss prüfen
Jetzt wollen wir sicherstellen, dass auf der Schaltung kein Kurzschluss ist, da dies sonst schlimmstenfalls unsere Schaltung beschädigen würde. Stelle dazu das Multimeter zunächst in den Modus „Durchgangsprüfung“ (auf dem Multimeter mit dem Symbol 
markiert) und schließe die Messspitzen an. Die schwarze Messspitze (GND) kommt an den Anschluss „COM“, der rote Anschluss an die mit „“ beschriftete Buchse, wie in der rechten Abbildung dargestellt ist.
Bitte führe nun zwei Messungen durch. Halte die Messspitzen dazu bitte an folgende Kontaktflächen auf der Unterseite der Platine (in der rechten Abbildung rot umrandet):
- VCC und GND
- +5V und GND
Sollte das Multimeter einen Ton abspielen oder aufleuchten, hast du einen Kurzschluss. Führe in diesem Fall bitte erneut eine visuelle Überprüfung durch.
Wenn du keinen Kurzschluss feststellst, dann prüfe bitte noch einmal die Einbaurichtung des Mikrocontrollers. Die Einkerbung sollte oberhalb der entsprechenden Markierung auf der Platine sein. Anschließend kannst du die Batterie anschließen und mit dem Funktionstest fortfahren.
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Lernziele dieser Einheit:
- Du verstehst den allgemeinen Aufbau eines elektrischen Systems und kannst die Hauptelemente und deren Funktion benennen.
- Du verstehst, welche Aufgabe von welcher verlöteten Komponente übernommen wird und kannst den Aufbau der Platine nachvollziehen
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Theorie Praxis Komponente Allgemeine Erklärung Komponente auf der Thermometer-Platine Abbildung der Komponente auf der Thermometer-Platine Sensor Ein Sensor ist ein Gerät, welches eine physikalische Größe misst und in ein elektrisches Signal umwandelt.
Der verbaute Sensor erfasst die Temperatur und gibt eine analoge Spannung aus, die proportional zur Temperatur ist. Steigt also die Temperatur, so steigt auch die Ausgangsspannung des Sensors. 
Analog-Digital-Konverter (ADC) Ein ADC ist eine Schaltung, die analoge Signale, wie beispielsweise Spannungen, in digitale Werte umwandelt. Diese können anschließend für Berechnungen auf einem Mikrocontroller verwendet werden. Der ADC ist im verbauten Mikrocontroller integriert. Datenverarbeitung Jedes elektrische System muss die von Sensoren bereitgestellten Messdaten auswerten und in irgendeiner Form darauf reagieren. Diese Verarbeitung geschieht typischerweise auf einem Mikrocontroller oder Prozessor. In diesem Fall berechnet der Mikrocontroller abhängig von der gemessenen Temperatur, wie viele Leuchtdioden angeschaltet werden müssen. Je heißer es ist, desto mehr Leuchtdioden werden aktiviert. 
Digital-Analog-Konverter (DAC) Der DAC ist das entsprechende Gegenstück zum ADC. Digitale Werte werden in benötigte analoge Spannungen umgewandelt, um Aktoren damit anzusteuern. Der DAC fällt in dieser Schaltung minimal aus. Abhängig von dem digitalen Wert der Temperatur werden mehrere Pins des Mikrocontrollers entweder auf '0' (Leuchtdiode aus) oder '1' (Leuchtdiode an) gesetzt. Auch dieser Teil passiert innerhalb des Mikrocontrollers. Aktoren Aktoren erzeugen eine Bewegung oder Aktion, wenn sie entsprechende elektrische Signale erhalten. Beispiele dafür sind Leuchtdioden, Motoren, Schrittmotoren, Pumpen und viele weitere mechanische oder optische Komponenten. Auf der Platine sind 8 Aktoren verbaut. Jede der kleinen Leuchtdioden auf der rechten Seite leuchtet, wenn ein entsprechender Anschluss des Mikrocontrollers auf '1' gesetzt wird. Anderenfalls ist die Leuchtdiode aus. 
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Lernziele dieser Einheit:
- Du verstehst, was ein idealer Temperatursensor ist.
- Du verstehst, was ein Temperatursensor ist und was er bewirkt.
- Du kennst die Definition einer Geradengleichung.
- Du weißt, wie der auf der Platine verbaute Sensor gesteuert wird.
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Punkte auslesen
Die Funktionsgleichung einer Geraden kann eindeutig bestimmt werden, sobald zwei Punkte auf dieser Geraden gegeben sind.
Also ist der erste Schritt, zwei verschiedene Pukte aus dem Diagramm abzulesen. In diesem Fall werden folgende Punkte gewählt:
- \( P_1 = (x_1, y_1) = (2, 7) \)
- \( P_2 = (x_2, y_2) = (4, 11) \)
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Steigungsdreieck aufstellen
Durch die Verwendung der beiden abgelesenen Punkte kann jetzt ein Steigungsdreieck konstruiert werden. Dieses drückt, wie der Name bereits vermuten lässt, die Steigung \(m\) der Geraden aus. Die Berechnung erfolgt dabei über folgende Gleichung:
\(m = \frac{\Delta y}{\Delta x} = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1}\)
Mit den Koordinaten der ausgelesenen Punkte ergibt sich in diesem Fall also folgende Steigung:
\(m = \frac{y_2 - y_1}{x_2 - x_1} = \frac{11 - 7}{4 - 2} = \frac{4}{2} = 2\)
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Y-Achsenabschnitt
Wenn wir nur die Steigung der Geraden hätten, gäbe es immer noch unendlich viele mögliche Lösungen. Um die Gleichung eindeutig zu bestimmen, benötigen wir zusätzlich den sogenannten Y-Achsenabschnitt \(c\), welcher angibt, wo die Gerade die Y-Achse schneidet. Um dies mathematisch zu bestimmen, setzen wir \(x = 0\) und notieren die entsprechende Y-Koordinate des Schnittpunktes. In diesem Fall läuft die Gerade durch den Punkt:
\(P_{x=0} = (0, 3)\)
\(\Rightarrow\)Es ergibt sich ein Y-Achsenabschnitt \(c = 3\).
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Dieses Übungsblatt behandelt Geradengleichungen und einige allgemeine Fragen zu Temperatursensoren.
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Lernziele dieser Einheit:
- Du verstehst, was ein Quantisierer ist und wie dieser funktioniert.
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Abrundungsfunktion
Dieses Beispiel ist die Abrundungsfunktion, mathematisch beschrieben mit:
\(y(x) = \lfloor x \rfloor \)
Dies bedeutet, dass die Zahlen immer zur nächst kleineren ganzen Zahl abgerundet werden, d.h. \(y(2.2) = 2\), aber ebenso auch \(y(2.8) = 2\). Insgesamt wird dadurch ein treppenartiger Graph erzeugt. Deshalb nennt man solche Funktionen auch Stufenfunktion . In diesem Fall handelt es sich sogar um eine gleichmäßige Stufenfunktion, was bedeutet, dass alle Stufen gleich groß sind.
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Quantisierer in der Schaltung
In unserer Schaltung ist der Quantisierer in Software implementiert und wird vom Mikrocontroller ausgeführt. Wie du in dem Diagramm erkennen kannst, handelt es sich bei der Implementierung um einen ungleichmäßigen Quantisierer. Grund dafür ist, dass der Wohlfühlbereich des Menschen feiner unterschieden werden soll. Sehr niedrige und sehr hohe Temperaturen interessieren uns eher weniger. Mathematisch definiert man eine solche Funktion nun nicht mehr mit einer einfachen Formel, sondern vielmehr abschnittweise. Insgesamt entsteht folgende mathematische Schreibweise:
\(Therm.level(T)=\begin{cases}0 & T < -15 °C \\ 1 & T < 10 °C \\ 2 & T < 18 °C \\ 3 & T < 20 °C \\ 4 & T < 22 °C \\ 5 & T < 25 °C \\ 6 & T < 40 °C \\ 7 & sonst \\ \end{cases}\)
Das Thermometer-Level wird nun direkt für die Leuchtdioden verwendet. Ist dieses auf 0, so leuchtet lediglich die unterste Leuchtdiode. Ist das Thermometer-Level auf 1, so leuchten die unteren beiden blauen Leuchtdioden. Im Falle von Thermometer-Level = 7 leuchten alle auf der Platine verbauten Leuchtdioden.
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Lernziele dieser Einheit:
- Du verstehst den Aufbau einer Leuchtdiode und wie diesem vom Mikrocontroller angesteuert werden.
- Dir ist klar, was ein Vorwiderstand ist und wie dieser berechnet werden kann.
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Anschluss der Leuchtdioden am Mikrocontroller
In dieser Schaltung sind mehrere Leuchtdioden mit einem Mikrocontroller verbunden. Jede Leuchtdiode ist dabei an einen separaten Pin angeschlossen. Diese Pins können jeweils entweder auf '0' oder '1' gesetzt werden, um die entsprechende Leuchtdiode aus- oder einzuschalten. Der Widerstand, welcher in Reihe mit der Leuchtdiode angeschlossen ist und auch Vorwiderstand genannt wird, regelt den Stromfluss und damit die Helligkeit der Leuchtdiode.
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Leuchtdiode anschalten
Wenn ein Pin des Mikrocontrollers auf '1' geschaltet wird, dann wird dieser intern mit der Versorgungsspannung von +5 V verbunden. Dadurch fallen diese +5 V an Widerstand und Leuchtdiode ab. Es fließt ein Strom und die Leuchtdiode leuchtet.
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Leuchtdiode ausschalten
Wird der Pin eines Mikrocontrollers auf '0' gesetzt, so wird dieser intern mit Ground verbunden. Da auch die Leuchtdiode mit Ground verbunden ist, fällt über Widerstand und Leuchtdiode keine Spannung ab. Es kann kein Strom fließen und die Leuchtdiode bleibt dunkel.
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Nach Bearbeitung aller Lerneinheiten dieser Seite kannst du diesen Test hier ablegen. Nach Bestehen des Tests erhältst du ein Zertifikat. Viel Spaß und viel Erfolg!
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Diese Datei enthält ein kleines Gehäuse, das du mit deinem 3D-Drucker ausdrucken kannst, um die Platine sowie die Lötstellen des Bausatzes zu schützen. Die Platine hält bereits von selbst in dem Gehäuse. Zur zusätzlichen Sicherung können M3-Schrauben verwendet werden, dafür werden jedoch vier Einpressmuttern benötigt. Es wird empfohlen, Einpressmuttern für M3 mit einem Außendurchmesser von 4 mm und einer maximalen Länge von 6 mm zu verwenden.
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Dies ist das Datenblatt des verbauten Temperatursensors vom Typ 'MCP9700'.
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Dies ist das Datenblatt des auf der Platine verbauten Mikrocontrollers.