Modell 3: Tormodell

Zugang gestattet?

Klassenstufe

11 – 13

Zeitaufwand

2 Doppelstunden (erweiterbar bis zu 8 DS)

Schwierigkeitsgrad

Modell: mittel, Programmierung: mittel

Modellart

Tormodell zur Zugangssteuerung

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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren ein Tormodell zur sensorgestützten Zugangskontrolle eines fiktiven Lagerraums. Ausgehend von einer einfachen, über einen Not-Aus-Schalter gesteuerten Öffnung und Schließung des Tormodells werden in einem zweiten Schritt Endtaster zum Schutz der Mechanik und in einem dritten Schritt Warn-LEDs zur Visualisierung der Aktivität des Torantriebs verwendet. Dabei soll eine einfache grafische Anzeige der Buttons „Open“, „Close“ und „Emergency Stop“ auf dem Display des TXT 4.0 Controllers programmiert und in Betrieb genommen werden.

ALLTAGSBEZUG

Insbesondere die Einbettung in einen realitätsnahen Anwendungskontext weist eine hohe Motivationalität auf. Eine Integration der Thematik in die vorberufliche Orientierung könnte im Hinblick auf mechatronische oder informationstechnische Berufsfelder erfolgen. Hier wird das automatisierte Öffnen und Schließen in vielen Bereichen genutzt. In besonderer Weise wird die automatisierte Öffnung von Türen oder auch Rollläden nicht nur in der Industrie, sondern auch im häuslichen Umfeld verstärkt genutzt.

Leitfragen

Wie kann man mithilfe der Sensoren Endanschläge, Unterbrechungen und Abstände messen? (Kommunikation und Information)
Mit welchen Sensoren lässt sich die Torsteuerung sinnvoll überwachen und steuern? (Kollaboration)
Unter welchen Bedingungen soll das System den Anwenderschutz vor die Funktion stellen? (kritisches Denken)
Was ist zu berücksichtigen, damit die Sensorik für verschiedene Anwendungsszenarien genutzt werden kann und das System möglichst robust funktioniert? (Kreativität)

Fächerbezug

Informatik

Fortgeschrittene Programmierung, Bedingungsschleifen, Funktionen, Codierung, grafische Anzeigen

Mathematik

Berechnung von Termen

Technik

Stabiles Bauen, Steuerung von Aktoren, Auslesen von Sensoren, Konstruktionstechnik

Physik

Lichtschranke, Messung von Strecken mit dem Ultraschallsensor

Unterrichtsverlauf

Unterrichtsgespräch

Bekanntgeben des Themas, ggf. Video der automatisierten Öffnung eines/einer Schiebetors/Schiebetür (evtl. mit Codeschloss):
→ www.youtube.com/watch?v=ClFLFhAPMqI
Abfragen, was die wesentlichen Anforderungen an die automatische Öffnung oder Schließung eines Tor- oder Türmodells sind.
Szenarien abfragen, in denen automatisch öffnende und schließende Tor-/Türsysteme eingesetzt werden.
Einsatzmöglichkeiten der gesammelten Szenarien diskutieren (z. B. Garagentor, Hoftor, Zugangstor, Schiebetür, Rollladen).
Anforderungen an den Versuchsaufbau ermitteln.

ggf. Hilfestellung

Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig, Präsentationsmedien einsetzen.

Unterrichtsgespräch

Die Vorgehensweise zum Bau des Modells und die zu erzielende Funktion werden gemeinsam erarbeitet.
Die Arbeitsschritte der App werden vorgegeben bzw. besprochen.

Partner- oder Einzelarbeit

Die SuS machen sich mit der App vertraut und laden die entsprechende Aufgabe.
Die SuS definieren sinnvolle Funktionen der Steuerung mit dem TXT 4.0 Controller.
Die SuS erstellen mithilfe der App die Anforderungsliste für das zu bauende Tormodell.

Optionale Partner- oder Gruppenarbeit

Die SuS skizzieren die möglichen Aufbauten des Tormodells selbst und konstruieren es frei.
Die SuS diskutieren die Ergebnisse in der Gruppe und legen sich auf ein Design fest.

Informationen und Hinweise

Methodisch-didaktische Hinweise

Differenzierungsmöglichkeiten

Je nach Dauer der Unterrichtsreihe und der Stärke der SuS können/kann

das einleitende Szenario der nicht Endtaster gestützten und manuell überprüften
Öffnung und Schließung des Tormodells entfallen.
der Versuchsaufbau verändert und Sensoren an anderen Stellen eingebaut/verwendet werden.
das Codeschloss verbessert werden.
sich ein Wettbewerb „Wer knackt den Code?“ zur besten Programmierung eines Codeschlosses anschließen (Umbau des Tormodells zu einem Safe, den es entweder zu knacken oder zu schützen gilt).
weitere Anwendungsszenarien seitens der SuS formuliert und samt Aufbau und Programmierung realisiert werden.

Motivationale Aspekte

Das Thema automatische Steuerung von Bewegung ist allen SuS aus dem Alltag bekannt. In vielen Haushalten gehören automatisiert öffnende Rolläden, Markisen oder Garagentore neben vielen weiteren smarten Anwendungen längst zum Alltag. Elektronische, Code basierte Türschlösser finden immer häufiger Anwendung bei der Zugangssteuerung von Gebäuden

Zusatzmaterialien

Falls vorhanden, könnte für die Einführungsphase in das Thema ein Video genutzt werden.
Falls vorhanden, können Materialien zum Programmieren von Codeschlössern verwendet werden.
Zeichenmedien (Papier, Whiteboard oder Projektionsfläche) einsetzen.

Bauanleitung

Stromlaufplan

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen

Funktion der Sensoren/Aktoren

Technische Lösung

Lichtsignale rote LEDs

Ansteuern der LEDs bei einer Torbewegung

Unterbrechung der Lichtschranke

Unterbinden der Torbewegung

Ultraschallsensor

Annäherungsdetektion

Differenzierung

Entwurf von verschieden komplexen Torsicherungen oder Torsteuerungen (Codeschloss, Kombination von Sensoreingaben)

Materialliste

Sensoren	Funktion
1 On/Off-Taster am TXT 4.0 Controller	1. Einschalten der Schrankensteuerung 2. Not-Stopp der Schranke
1 Ultraschallsensor	Annäherungserkennung
1 USB-Kamera	Farberkennung
1 Fototransistor	Unterbrechungserkennung Lichtschranke, Empfänger
2 Mini-Taster	Endabschalter zur Torsteuerung

Aktoren	Funktion
1 Display des TXT 4.0 Controllers	Anzeige
2 LEDs (2 × rot)	Warnung
1 Encodermotor	Bewegung des Tores
1 LED (weiß)	Bewegung des Tores