Proyecto de ascensor para la clase de tecnología

FunduinoÚltima actualización el 28.10.2019

Ein Aufzugmodell aus Aluminiumprofilen aufbauen und programmieren

Ein Aufzug mit Schrittmotor, Lichtschranken und Etagentastern: Das Modell gibt den Aufbau für die ganze Klasse vor und lässt bei der Programmierung trotzdem viel Raum für eigene Lösungen.

Die Anleitung führt Schritt für Schritt durch den Aufbau der Aluminium-Version, stellt gestufte Aufgaben für den Unterricht vor und zeigt ein Beispielprogramm für vier Etagen mit OLED-Anzeige.

Das Aufzugprojekt im Unterricht

Wenn alle Schülerinnen und Schüler völlig frei arbeiten, wird die Bewertung schwierig. Das Aufzugprojekt löst das: Der Aufbau ist für alle gleich, die Programmierung lässt trotzdem viel Raum für eigene Lösungen.

Mit dem vorgefertigten Modell konstruiert und programmiert die Klasse einen realitätsnahen Aufzug. Dafür können die Materialien aus den Funduino-Lernsets genutzt werden, die Lernenden arbeiten also mit Bauteilen, die sie schon kennen. Das Modell lässt sich erweitern, um ein höheres Anspruchsniveau anzubieten.

Vorteile für Lehrende

individuelle Aufgabenstellungen
bessere Vergleichbarkeit bei der Notengebung
kreative Lösungsmöglichkeiten
Nutzung der Materialien, die aus den Lernsets bekannt sind
robuste Materialien, die viele Jahrgänge nutzen können – Einzelteile sind bei Bedarf nachlieferbar

Inzwischen gibt es den Aufzug in einer zweiten Version, die vollständig aus Aluminiumprofilen besteht. Diese Anleitung zeigt den Aufbau dieser Version.

Das Aufzugmodell für den Technikunterricht

Alle Bauteile sichten und sortieren

Der Aufbau geht schnell, viele Schritte erklären sich von selbst. Die folgende Anleitung ist trotzdem sehr ausführlich, damit auch Schülerinnen und Schüler den Aufzug selbstständig aufbauen können.

Lege zuerst alle Bauteile aus und sortiere sie.

Alle Bauteile des Aufzugs sortiert auf dem Tisch

Das obere Querprofil vorbereiten

Befestige zwei kleine Winkelverbinder am 10 cm langen Aluminiumprofil. Dieses Profil hat in der Mitte eine Bohrung, durch die später das Aufzugseil läuft.

Achte darauf, dass du die kleinen Madenschrauben der Winkelverbinder später von außen anziehen kannst. Dreh die Schrauben dafür gegebenenfalls heraus und von der anderen Seite wieder hinein.

Das 10 cm lange Aluminiumprofil mit Bohrung und zwei kleinen Winkelverbindern

Detailansicht der Winkelverbinder am Aluminiumprofil

Detailansicht: Die Madenschrauben der Winkelverbinder zeigen nach aussen

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Die Basis aufbauen

Bereite die großen Winkelverbinder mit Schrauben, Unterlegscheiben und Profilsteinen vor.
Bestücke das zweite 10 cm lange Profil – das ohne Bohrung – mit Winkelverbindern. Auch hier müssen die Madenschrauben von außen erreichbar sein.
Befestige dieses Profil am Ende der beiden 30 cm langen Profile.
Leg das schwarze Aufzuggehäuse auf der anderen Seite bündig an die 30 cm langen Profile. Leg das 6 cm kurze Profil probeweise dazwischen, sodass es bündig am Gehäuse anliegt – so ermittelst du seine Position.
Bestücke das 6 cm lange Profil mit zwei großen Winkelverbindern und befestige es zwischen den 30 cm langen Profilen.
Setz oben auf die 30 cm langen Profile zwei weitere große Winkelverbinder. Hier wird später der 50 cm hohe Rahmen montiert.

Im Artikel steht unter dem Satz zum zweiten 10-cm-Profil (ohne Bohrung) dasselbe Foto wie weiter oben bei der „Detailansicht“ des Profils mit Bohrung. Vermutlich ist an dieser Stelle das falsche Bild eingebunden.

Die grossen Winkelverbinder mit Schrauben, Unterlegscheiben und Profilsteinen

Das Aufzuggehäuse liegt bündig an den 30 cm langen Profilen, das 6 cm lange Profil liegt probeweise dazwischen

Das 6 cm lange Profilstück mit zwei grossen Winkelverbindern

Das 6 cm lange Profilstück ist zwischen den 30 cm langen Profilen befestigt

Zwei grosse Winkelverbinder oben auf den 30 cm langen Profilen für den 50 cm hohen Rahmen

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Motor und Lichtschranken montieren

Versieh den Schrittmotor mit Schrauben und Nutsteinen.
Versieh die Halter für die Lichtschranken ebenfalls mit Schrauben und Nutsteinen.
Montiere die Lichtschrankenhalter am 50 cm hohen Rahmen und befestige den Rahmen anschließend auf der Basis. Am einfachsten clipst du die Lichtschranken vorher in die Halter.

Der Schrittmotor mit Schrauben und Nutsteinen

Der Schrittmotor von der anderen Seite mit Schrauben und Nutsteinen

Die Halter für die Lichtschranken mit Schrauben und Nutsteinen

Die Lichtschrankenhalter am 50 cm hohen Rahmen, der Rahmen auf der Basis

Die eingebauten Lichtschranken am Rahmen

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Den Motor oben am Rahmen anbringen

Montiere den Schrittmotor oben am Rahmen. Positioniere die Seilrolle so, dass das Seil möglichst mittig durch das Loch im Profil läuft.

Führe das Motorkabel durch die Kabelführung der obersten Lichtschrankenhalterung und verlängere es mit 100 cm langen Steckkabeln. Sitzen die Kabel nicht fest genug, fixierst du sie mit einem Tupfer Heißkleber.

Unten steckst du die Kabel in derselben Reihenfolge – achte auf die Farben im Foto – in den Schrittmotortreiber. Auch hier kann ein Tupfer Heißkleber sinnvoll sein.

Die Seilrolle über dem Loch im Aluminiumprofil

Das Motorkabel in der Kabelführung, verlängert mit 100 cm langen Steckkabeln

Die Kabel in derselben Farbreihenfolge am Schrittmotortreiber

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Gondel und Seil einsetzen

Löse die Schrauben der Winkelverbinder und setz die Aufzuggondel zwischen die Rahmenprofile. Richte den Rahmen vor dem Festziehen so aus, dass die Gondel vorn bündig an der Basis liegt und hinten zum 6-cm-Profil noch 3 bis 5 mm Platz hat.
Steck das Aufzugseil oben durch das kleine Loch in der Seilrolle und sichere es mit einem Knoten gegen Herausrutschen.
Führe das Seil von oben durch das Loch im Aluminiumprofil.
Befestige das Seil unten an der Aufzuggondel.

Die Aufzuggondel zwischen den Rahmenprofilen

Das Seil ist mit einem Knoten in der Seilrolle gesichert

Das Seil läuft von oben durch das Loch im Aluminiumprofil

Das Seil ist unten an der Aufzuggondel befestigt

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Bodenplatte und Schrittmotortreiber

Bei Bedarf setzt du in die Basis noch eine Bodenplatte ein. Das lohnt sich, wenn dort ein Steckbrett für die Verkabelung Platz finden soll. In diesem Bereich sitzt auch der Schrittmotortreiber.

Damit ist der Aufbau abgeschlossen, und du kannst mit der Programmierung beginnen.

Eine Bodenplatte in der Basis bietet Platz für ein Steckbrett

Der Schrittmotortreiber auf der Bodenplatte

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Aufgaben mit Standardmaterialien

Für die Programmierung brauchst du Grundwissen in der Arduino-Programmierung. Übe am besten zuerst Schrittmotor, Lichtschranke und Display einzeln – dazu gibt es auf funduino.de passende Anleitungen.

Die folgenden Aufgaben lassen sich mit den Materialien aus den Funduino-Lernsets lösen:

1 – Arduino, Kabel, Schrittmotor: zwei Etagen im Wechsel anfahren, wie ein Baustellenaufzug. Nur der Schrittmotor muss programmiert werden.
2 – dazu ein LCD-Display: zwei Etagen im Wechsel anfahren und die aktuelle Etage im Display anzeigen.
3 – dazu ein Piezo-Lautsprecher: die erreichte Etage akustisch ausgeben – dreimal piepsen heißt dritte Etage.
4 – dazu zwei Taster: zwei Etagen je nach Tastendruck anfahren.
5 – zwei Taster und ein LCD-Display: zwei Etagen je nach Tastendruck anfahren und die Etage im Display anzeigen.

Aufgaben mit Erweiterungsmaterialien

Für umfangreichere Projekte kommen weitere Bauteile dazu:

Der Aufzug stoppt, sobald eine Lichtschranke auslöst.
Ein zweites Display in der Gondel zeigt die Etage an – LCD oder OLED.
Ein MP3-Modul mit kleinem Lautsprecher sagt die Etage an.

Darüber hinaus gibt es viele weitere Möglichkeiten, den Aufzug zu individualisieren.

Beispielprogramm: vier Etagen mit OLED-Anzeige

Das folgende Programm steuert den Aufzug über vier Etagen. Dafür brauchst du:

vier Lichtschranken, eine pro Etage
vier Taster, einen pro Etage
ein OLED-Display mit 128 × 64 Pixeln

Beim Start fährt der Aufzug nach unten, bis die unterste Lichtschranke auslöst – das ist die Ausgangsposition. Danach wartet er auf einen Tastendruck. Im loop-Teil vergleicht der Sketch Soll- und Ist-Etage und fährt den Motor schrittweise hoch oder runter, bis beide übereinstimmen. Das Display wird nur neu beschrieben, wenn sich Etage oder Ziel geändert haben.

Der Sketch weist Taster 1 den Pin 22 zu. Den gibt es nur auf dem Arduino MEGA, nicht auf dem UNO – der Artikel nennt aber überhaupt kein Board und zeigt keinen Schaltplan. Die Taster sind als INPUT ohne Pullup definiert, sie brauchen also externe Pulldown-Widerstände, die nirgends erwähnt sind. Der Kommentar zum Speichern der alten Position steht an der falschen Stelle; gespeichert wird erst am Ende von loop().

Vier Etagen mit Tastern, Lichtschranken und OLED-Anzeige

#include <Stepper.h> // Hinzufügen der Programmbibliothek.
int SPU = 2048; // Schritte pro Umdrehung.
Stepper Motor(SPU, 11,9,10,8); // Der Schrittmotor erhält die Bezeichnung "Motor" und es wird angegeben an welchen Pins der Motor angeschlossen ist.
int T1=22, T2=2, T3=3, T4=4, S1=17, S2=16, S3=15, S4=14;// Pins für Taster und Sensoren festlegen
int  sT1=0, sT2=0, sT3=0, sT4=0, sS1=0, sS2=0, sS3=0, sS4=0;//Statusvariablen für Taster und Sensoren festlegen
int EtageSoll=0, EtageIst=0;// Eingabespeicher für Taster und Sensoren festlegen
int F=0; // Variable für den Fahrmodus oder Pausemodus
int EtageAlt=0;
int EtageSollAlt=0;
//OLED initialisieren
#include <Wire.h>
#include "SSD1306Ascii.h"
#include "SSD1306AsciiWire.h"
#define I2C_ADDRESS 0x3C
SSD1306AsciiWire oled;

void setup() //Hier beginnt das Setup.
{
Serial.begin(9600);
Motor.setSpeed(6); // Angabe der Geschwindigkeit in Umdrehungen pro Minute.
pinMode (T1, INPUT);
pinMode (T2, INPUT);
pinMode (T3, INPUT);
pinMode (T4, INPUT);
pinMode (S1, INPUT);
pinMode (S2, INPUT);
pinMode (S3, INPUT);
pinMode (S4, INPUT);
//OLED Setup
Wire.begin();
Wire.setClock(400000L);
oled.begin(&Adafruit128x64, I2C_ADDRESS);
  oled.setFont(Verdana12); // Auswahl der Schriftart
  oled.clear(); //Löschen der aktuellen Displayanzeige
  oled.println("TESTFAHRT"); //Text in der ersten Zeile. "Println" sorgt dabei für einen Zeilensprung.
  oled.println("Aufzug faehrt"); // Text in der zweiten Zeile. "Println" sorgt dabei für einen Zeilensprung.
  oled.print("zum Startpunkt"); // Text in der dritten Zeile. 
  delay (2000);
// Aufzug in Ausgangsposition fahren
 for (int i = 0; i <= 1; i++)
{
Motor.step(-1);
sS1 = digitalRead(S1);
if (sS1!=1) i=0;
 Serial.println(sS1);
}
EtageIst=0;
EtageSoll=0;
delay(1000);
Serial.println("Setup beendet");
oled.clear();
oled.println("Betriebsbereit");
oled.print("Etage:   ");
oled.println(EtageIst);
oled.print("Ziel:        ");
oled.print(EtageSoll);
}


void loop()
{
// Eingabe
Serial.print("Warte auf Etagenauswahl ");
sT1 = digitalRead(T1); if (sT1==1) EtageSoll=0;
sT2 = digitalRead(T2); if (sT2==1) EtageSoll=1;
sT3 = digitalRead(T3); if (sT3==1) EtageSoll=2;
sT4 = digitalRead(T4); if (sT4==1) EtageSoll=3;
// Vor dem auslesen der neuen Position wird die alte Position gespeichert umd Änderungen detektieren zu können
//Auslesen der aktuellen Aufzugposition
sS1 = digitalRead(S1); if (sS1==1) EtageIst=0;
sS2 = digitalRead(S2); if (sS2==1) EtageIst=1;
sS3 = digitalRead(S3); if (sS3==1) EtageIst=2;
sS4 = digitalRead(S4); if (sS4==1) EtageIst=3;
Serial.print(sT1);
Serial.print(EtageSoll);
Serial.println(EtageIst);
//Fahrmodus
 if (EtageSoll-EtageIst >0) Motor.step(8); // Wenn der Wert über 0 ist (Etage ist höher als Aufzugsposition), dann fahre hoch.
 if (EtageSoll-EtageIst <0) Motor.step(-8); // Wenn der Wert unter 0 ist (Etage ist tiefer als Aufzugsposition), dann fahre runter.
//Display Ansteuerung
   if (EtageAlt!=EtageIst || EtageSoll!=EtageSollAlt) // Wenn der Aufzug fährt und zwischenzeitlich andere Etagen erreicht, ODER wenn die Etagenwahl geändert wurde, wird das Display aktualisiert mit den neuen Werten
   {
    oled.clear();
    oled.println("Betriebsbereit");
    oled.print("Etage:   ");
    oled.println(EtageIst);
    oled.print("Ziel:        ");
    oled.print(EtageSoll);
   } 
EtageAlt=EtageIst;
EtageSollAlt=EtageSoll;
 }