Osterprojekt: Osterhase lauscht per Ultraschall
Ostersuche mit Ultraschall und Nano-Axe-Board: Wir bauen einen Osterhasen, der piepst, wenn wir uns nähern.
- Miguel Köhnlein
- Michael Gaus
Hasen, Eier, Küken – im Supermarkt werden zu Ostern wieder jede Menge Süßigkeiten in saisonaler Verpackung angeboten. Bei einem solchen Papp-Hasen haben wir die Schokolade weggenascht und die Verpackung zu einer elektronischen Osterhasensuche umgebaut.
In den Ohren von Meister Lampe findet zu diesem Zweck ein Ultraschallsensor Platz. Damit kann der Hase ein für Menschen unhörbares Schallsignal aussenden, die Lauscher spitzen und horchen, wie weit ein Objekt entfernt ist. Je nach Entfernung macht das Langohr dann mit unterschiedlich hohen Tönen auf sich aufmerksam, die auch für das menschliche Ohr hörbar sind. So wird das Versteck des Hasen vermutlich nicht lange unentdeckt bleiben.
Die Schaltung
Durch die Verwendung des Nano-Axe-Boards aus dem Make PICAXE Special gestaltet sich der Schaltungsaufbau recht einfach: Die innen liegenden Pins kennzeichnen die Portnummern des hier verwendeten Picaxe 08M2. Dieser verfügt über sechs I/O-Pins, C0-C5. Der Piezo wird am Portpin C.2 des 08M2 (Beschriftung B1 auf dem Nano-Axe-Board) angeschlossen. Hierüber kann man mit dem tune-Befehl Töne abspielen.
Das Ultraschallsensor-Modul HC-SR04 schließen wir über die vier-polige Stiftleiste J1 an. Das Echo-Signal verbinden wir über den Widerstand R1 mit dem Triggereingang. Um eine Messung zu starten, wird der Pin zuerst als Ausgang mit High-Pegel geschaltet. Danach wird der Pin durch einen pulsin-Befehl als Eingang konfiguriert. Nun bestimmt der Signalpegel des Echo-Pins den Pegel an C.1 des 08M2 und Trigger: Zunächst liegt hier noch LOW-Pegel an, sodass der Triggerpin eine fallende Flanke (Übergänge zwischen digitalen Signalzuständen) erkennt und die Messung antriggert. Einige Mikrosekunden später wechselt Echo auf HIGH, sodass der bereits aktive pulsin-Befehl eine steigende Flanke erkennt und die Pulsbreite des HIGH-Pegels misst.
So kann man den Abstand zwischen Sensor und einem Gegenstand messen, der das ausgesendete Ultraschallsignal reflektiert. Mit diesem Trick schafft es der Picaxe, nach einem Triggerpuls rechtzeitig vor der steigenden Flanke einen pulsin-Befehl zu starten. Das wäre nicht möglich, wenn der Echo-Pin auf einen separaten Portpin liegt.
Die Spannungsversorgung der Schaltung kann über eine kleine USB-Powerbank erfolgen. Sie findet entweder im Osterhasen Platz oder kann extern per herausgeführtem USB-Kabel angeschlossen sein.
Zusammenbau der Elektronik
| Material: |
| NanoAxe-Board: Bestückt mit PICAXE 08M2 |
| R1: Widerstand 1,8kOhm |
| J1: Ultraschallsensor HC-SR04 |
| SG1: Piezo |
| 2 × 1-polige Stiftleiste |
| Steckbrett: Mini-Breadboard mit 170 Kontakten |
| 4 × Dupont-Kabel male-female |
| Papp-Osterhase als Gehäuse |
Das Nano-Axe-Board haben wir auf ein Mini-Breadboard mit 170 Buchsenkontakten gesteckt. Dadurch kann man die Platine problemlos nach Ostern wieder für andere Bastelzwecke verwenden. Das Steckbrett hat einen Klebestreifen auf der Rückseite. Damit kann man den Schaltungsaufbau im Kartongehäuse fixieren.
Vor dem Anschluss der Peripherie muss man erst noch den Picaxe mit der passenden Firmware flashen. Hierzu wird das Nano-Axe-Board per USB-Kabel mit dem Computer verbunden. Anschließend spielt man vom Picaxe-Editor aus das Basic-Programm Osterhase_Ultraschall.bas auf. Das liegt hier zum Download bereit.
Die Verbindung zwischen dem Ultraschallsensor und dem Nano-Axe-Board haben wir über Dupont-Kabel (Jumper Wire) mit Stiften auf der einen und Buchsen auf der anderen Seite gesteckt. Diese können direkt in das Mini-Breadboard sowie in das HC-SR04 Modul gesteckt werden.
Firmware
Das Funktionsprinzip der Ultraschallmessung kann man im folgenden Quellcode-Beispiel sehen:
In Zeile 10 wird der Trigger-Pin als Ausgang mit HIGH-Pegel konfiguriert. Dann wird in Zeile 11 durch den pulsin-Befehl der Trigger-Pin auf Eingang umgeschaltet. Der LOW-Pegel des Echo-Signals bewirkt über den Serienwiderstand einen HIGH-LOW Wechsel am Trigger-Pin. Einige Mikrosekunden später wird der Sensor aktiv.
Außerdem erfolgt ab der nächsten LOW-HIGH-Flanke des Echo-Signals die Messung der Pulsbreite. Sie wird in 10µs Schritten in der Variablen pulseTime gespeichert. In Zeile 16 erfolgt mit der Variablen distance die Umrechnung der Entfernung in Zentimeter. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt ca. 343 m/s, die Laufzeit entspricht der doppelten Distanz zu einem reflektierenden Objekt (Hin- und Rückweg der Ultraschallwelle).
Töne abspielen
Um Töne auf dem Piezo auszugeben, verwendet man den tune-Befehl. Über den Tune Wizard im Picaxe-Editor kann man im Reiter "Tune Editor" den gewünschten Ton auswählen. Der dem Ton entsprechende angezeigte Hex-Wert (z.B. $80) wird dann am Ende eines tune-Befehls angegeben.
Im kompletten Quellcode wird nach jeder Ultraschallmessung mit einer Distanz von kleiner als 3 Meter zu einem reflektierenden Objekt ein Ton erzeugt. Je höher der Ton, desto geringer ist der Abstand. Die gemessene Distanz wird zu Debug-Zwecken auch auf dem Terminal ausgegeben. Die blaue OnBoard-LED ist am selben Pin wie der Piezo angeschlossen und flackert deshalb bei jedem Ton.
Einbau in den Hasen
Zuerst lösen wir hinten am Osterhasen die Klebestreifen, sodass sich die Kartenrückseite abnehmen lässt. In die Ohren des Hasen bauen wir das Ultraschallsensor-Modul ein: Hierzu legen wir das Modul auf der Karton-Vorderseite auf und zeichnen mit einem Bleistift die Umrisse des Moduls nach. Diese sind kreisförmig und haben je einen Durchmesser von 1,6 cm. Mit einer gebogenen Nagelschere lassen sich die beiden Aussparungen gut ausschneiden. Aber nur so viel wegschneiden, dass man das Ultraschallsensor-Modul mit leichtem Druck in die Aussparung einschieben kann; es soll von selbst halten.
Normalerweise sollten zwar die Sende/Empfangskapseln keine mechanische Verbindung haben, in der Praxis scheint es hier aber durch den Karton keine Probleme zu geben. Aus braunem Bastelpapier schneiden wir nun zwei passende Ohren aus, versehen sie jeweils mit einem Loch mit 1,6 cm Durchmesser und überkleben damit die auf dem Karton aufgedruckten Ohren.
Die Elektronik wird im Innenraum des Hasen untergebracht. Für eine kleine USB-Powerbank zur Spannungsversorgung ist ebenfalls Platz. Das Ultraschallsensor-Modul wird mit Dupont-Kabeln mit dem Steckbrett verbunden.
Der Piezo kann entweder mit doppelseitigem Klebeband oder zwei kleinen Schrauben befestigt werden. An die Anschlusslitzen löten wir zwei ein-polige Stiftleisten an, die wir dann kopfüber in das Mini-Breadboard stecken können. In die Kartenrückseite des Hasen kann man mit einem Skalpell eine kleine Öffnungsklappe einritzen, um hierüber an das USB-Kabel zu gelangen und dieses aus der Powerbank ausstecken zu können. Dadurch kann man sich das Einschleifen und die Montage eines Ein-/Ausschalters sparen. Zum Abschluss wird die Kartenrückseite mit den Klebestreifen wieder befestigt. Wer möchte, kann noch einen eigenen Ostergruß ausdrucken und auf der Karton-Vorderseite aufkleben.
Hase, Hase, pieps doch mal!
Beim Verstecken des Hasen muss man darauf achten, dass der Ultraschallsensor unbedeckt bleibt, da ansonsten kein Signal ausgesendet werden kann. Ultraschall wird am besten an ebenen harten Flächen reflektiert. Da Kleidung eher Schall absorbiert, hält man am besten einen Schall-reflektierenden Gegenstand wie z. B. ein Buch mit Hardcover-Einband oder einen Karton (z. B. Pizza-Schachtel) vor uns. So kann uns der Hase besser erkennen.
Sobald wir Töne hören, sind wir auf der richtigen Fährte und nicht mehr weit vom Ziel entfernt. Je näher wir kommen, desto höher werden die Töne. Sollte gar nichts zu hören sein, sind wir vielleicht nicht im Sichtbereich des Ultraschallsensors und können versuchen, den Schall-reflektierenden Gegenstand etwas niedriger oder höher zu halten. Aber mit ein wenig Probieren sollte es möglich sein, den Hasen zu finden. Viel Spaß beim Suchen!
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