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    • Institut für Physik - Didaktik der Physik

Arduino – DHT11-Sensor

Dieser Artikel beschäftigt sich mit einem Arduino. Ein Arduino ist eine Physical-Comuputing-Plattform bestehend aus Soft – und Hardware. Die Entwicklungsumgebung basiert auf Processing und bietet den großen Vorteil auch weniger technisch bzw. programmierbegabten Leuten eigene kleine Programme zu schreiben. Für eine genauere Beschreibung, was ein Arduino ist, wie er aufgebaut ist und was er alles kann, wird auf den folgenden Link verwiesen: https://de.wikipedia.org/wiki/Arduino_(Plattform). In Kombination mit vielen Sensoren lässt sich mit einem Arduino eine sehr große Menge an Experimenten bzw. Möglichkeiten, um verschiedenste physikalische zu Größen bestimmen, herstellen. Dieser Artikel wird sich mit dem DHT11-Sensor auseinandersetzen. Dieser Sensor ist in der Lage, die Temperatur und die Feuchtigkeit zu messen.

1) Vorbereitungen & Umsetzung:

Bevor man mit dem Arduino arbeiten kann muss man sich die passende Software besorgen und auf seinem PC installieren. Diese Software erhält man kostenfrei auf der folgenden Internetseite: https://www.arduino.cc/en/Main/Software. Diese Software ist für alle läufigen Betriebssysteme (Windows, Mac, etc.) erhältlich. Nun muss man den Arduino mit dem dazugehörigen USB-Kabel mit seinem PC koppeln. Wenn die Software erfolgreich auf dem PC installiert ist, kann man sofort starten. Man benötigt lediglich einen Sensor, unter Umständen mehrere Kabel und eine Steckerbrett, auf dem man den Sensor steckt und über die Kabel mit dem Arduino verbindet.

 

Der Sensor an sich sieht nicht besonders spektakulär aus, da vor den einzelnen Sensoren eine Plastikkappe befestigt ist. Die Verbindung des Sensors mit dem Arduino ist schnell gemacht. Die Spannungsversorgung des Sensors muss mit dem 5 Volt Stecker am Arduino verbunden werden. Logischerweise verbindet man beide Erdungen am Sensor und Arduino miteinander. Die Datenübertragung ist bei diesem Quellcode am digitalen Steckpunkt festgelegt.

Quellcode:

#include <SimpleDHT.h>

// for DHT11,
// VCC: 5V or 3V
// GND: GND
// DATA: 2
int pinDHT11 = 2;
SimpleDHT11 dht11;

void setup() {
Serial.begin(115200);
}

void loop() {
// start working…

// read without samples.
byte temperature = 0;
byte humidity = 0;
if (dht11.read(pinDHT11, &temperature, &humidity, NULL)) {
Serial.print(„Read DHT11 failed.“);
return;
}

Serial.print((int)temperature); Serial.print(„, „);
Serial.println((int)humidity);

// DHT11 sampling rate is 1HZ.
delay(200);
}

 

Das besondere an dem Quellcode ist, dass dieser bereits vorgefertigt ist und man ihn direkt aus der Arduino-Software in das Programm hochladen kann. Hierzu muss man den Menüpunkt „Datei“ öffnen, dort auf den Unterpunkt „Beispiele“ gehen und dann ganz nach unten scrollen. Ganz unten angelangt, findet man „SimpleDHT“. Dieser Punkt bietet wiederum zwei verschiedene Auswahlmöglichkeiten, die einen fertigen Code für diesen Sensor liefern.

Mit der Unterstützung von Sebastian Tillack, konnte wir dem Programm ein paar Features hinzufügen. So beinhaltet der obige Quellcode die Möglichkeit die gemessen Werte in einem seriellen Monitor sowie in einem seriellen Plotter auszugeben. Vielen Dank an dieser Stelle an Sebastian!

 

Messung und Datenausgabe:

Für eine Messung benötigt man keine besonderen und zeitaufwendigen Vorbereitungen, wenn man den Quellcode und den Sensor mit dem Arduino verbunden hat. Wenn man eine Messung startet, muss man sehr nahe an den Sensor heran. Hier bietet es sich z.B. an, die Körpertemperatur und Feuchtigkeit der Haut zu messen. In den folgenden Abbildung sind der serielle Monitor und der serielle Plotter mit dem genannten Beispiel aufgeführt. Hier wurde ein Finger an den Sensor gehalten. Wie man erkennen sind vor allem im Graphen deutliche Ausschläge zu erkennen. Zur Orientierung: die linke Spalt im serieller Monitor gibt die Temperatur aus, die rechte Spalte die Feuchtigkeit. Beim seriellen Plotter können ebenfalls beide Größen ausgegeben werden. Der blaue Graph spiegelt den Temperaturverlauf und der gelbe Graph den Feuchtigkeitsverlauf wieder. An dieser Stelle ist anzumerken, dass  die beiden Größen in dem Monitor und dem Plotter nicht betitelt sind. Ein Nachteil ist, dass man diese Messwerte nur bedingt und sehr schwierig in ein anderes Programm übertragen und somit für eine weitere Verarbeitung kaum nutzen kann.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Leider konnte es nicht mehr umgesetzt werden, eine genaue Messung durchzuführen. Daher folgen ein paar Beispiele, welche konkreten Versuche man mit diesem Sensor durchführen könnte. Es bietet sich an diesen Sensor im Bereich der Wärmelehre im Unterricht einzusetzen. Da der Sensor recht unbeweglich und starr auf der Steckerleiste eingesetzt ist, kann man ihn nur bedingt bei festen Körpern zu Messung einsetzen. Besser könnte es bei Gasen funktionieren. Man könnte zum Beispiel mit Hilfe des Sensors zeigen, dass Wasser beim Erhitzen verdampft. Wenn man ein Wasserbad erhitzt und den Sensor darüber befestigt, könnte man zeigen, dass sich die Temperatur und die Feuchtigkeit in der darüber liegenden Luft nach einer gewissen Zeit erhöht. Somit kann man zeigen, dass sich der Aggregatzustand des Wassers bei Erwärmung von flüssig in gasförmig umwandelt. Mit dieser Messung könnte man die Thematik der Aggregatzustände und der Umwandlung der Aggregatzustände im Unterricht verbinden. Des Weiteren könnte man mit Hilfe des Sensor die Umgebungsbedingungen in Form von Temperatur und Feuchtigkeit messen, bei denen bestimmte (elektrische) Geräte oder Bauteile einen hohen Wirkungsgrad besitzen. In diesem Zusammenhang könnte man die in der Physik gern genutzte Temperaturabhängigkeit im Unterricht thematisieren. Besonders in der E-Lehre spielen die Temperatur und Feuchtigkeit ein große Rolle. Eine weitere Möglichkeit könnte eine Art Projekt sein, bei dem man die Körpertemperatur und -feuchtigkeit bei den Schülerinnen und Schülern nach einer sportlichen Aktivität im Sportunterricht misst. Hier könnte man verschiedene Sachverhalte untersuchen. Erhöht sich bei der sportlicher Aktivität die Temperatur der Haut? Steigt die Feuchtigkeit an? In diesem Zusammenhang könnte man mit den Schülerinnen und Schülern ein kleines Projekt starten und mit ihnen besprechen, was bei der Planung eines solchen Projektes zu beachten hat. Zum einen müsste man sich eine passenden Aktivität ausdenken, die alle Schülerinnen und Schüler durchführen müssen, damit für alle Beteiligten die gleichen Bedingungen vorherrschen. Des Weiteren ist es wichtig, einen Messpunkt am Körper festzulegen, damit die Werte vergleichbar sind. Gerade in Verbindung mit dem Sportunterricht könnte man ein Projekt starten, um so die Schülerinnen und Schüler für die Konzeption eines Versuches, dem genauen Messen und der Auswertung in physikalischer und sport(medizinischer) Sicht zu weiterzuentwickeln.

Dies sind mehrere verschiedene Möglichkeiten, wie man den Sensor im Unterricht integrieren könnte.

 

Didaktische Betrachtung:

Aus didaktischer Sicht besitzt der Sensor definitiv Potential. Man kann ihn aufgrund seiner gleichzeitigen Messung von Temperatur und Feuchtigkeit vielseitig einsetzen. Die geringe Vorbereitungszeit, wenn man ein Arduino und den Sensor in der Schule vorrätig hat, ist ein klarer Pluspunkt. Hier kann eine Menge Zeit gesparrt werden, da man mit Hilfe der Software die Ergebnisse direkt auf ein Smartboard für alle sichtbar machen kann. Auch in Sachen Messgenauigkeit, Datenerfassung und -ausgabe steht er den klassischen digitalen Messwerterfassungssystem nur wenig nach.

Eingeschränkt oder negativ ist die weitestgehend feste Position des Sensors. Dadurch ist das Einsatzgebiet gewissermaßen begrenzt, da man ihn nicht in Flüssigkeiten geben und nur bei passenden festen Körpern und Gasen einsetzen kann. Ebenso ist die Darstellung der Daten, vor allem in den unteren Klassenstufen, diskussionswürdig, da keine Beschriftungen vorliegen. Aus diesem Grund ist es wichtig, vor einer Messung die jeweiligen Graphen und Rohdaten zusammen mit den Schülerinnen und Schülern zu besprechen.

Im Allgemeinen sind eine Menge Vorbesprechungen notwendig, bevor man mit dem Arduino und dem Sensor im Unterricht effektiv arbeiten kann. Wenn die notwendigen Kenntnisse allerdings bei den Schülerinnen und Schülern vorhanden sind, lässt sich mit dem Arduino im Unterricht durchaus effektiv arbeiten. Der Vorteil bei den genannten Experimenten besteht darin, dass man zwei verschiedene Größen gleichzeitig darstellen kann. So kann man bei Aggretgatszustandsänderungen von Wasser in Wasserdampf zeigen, dass sich die Temperatur der Luft über dem Wasserbad erhöht und vor allem die Feuchtigkeit stark einsteigen müsste. Nun kann man mit den Schülerinnen und Schülern thematisieren, warum beide Größen im Laufe der Zeit ansteigen. Des Weiteren kann man beide Größen miteinander vergleichen. Steigen die Temperatur und die Feuchtigkeit gleich oder unterschiedlich schnell an? Hier kann man mit den Schülerinnen und Schülern das Vergleichen und Ziehen von Schlüssen zwischen zwei Größen sehr gut üben.

Ein weiterer Punkt den man nicht vernachlässigen darf, ist die Funktionsweise und den Quellcode mit den Schülerinnen und Schülern zu klären. Der Vorteil gegenüber den digitalen Messwerterfassungssystemen der Lehrmittelhersteller ist, dass man hier genau nachvollziehen, wie der Arduino seine Messdaten ermittelt. Bei den meisten Messwerterfassungssystemen ist die Funktionsweise und Datenerfassung nicht nachvollziehbar und somit für die Schülerinnen und Schülern zu blackbox-artig. Es ist daher wichtig sich genaue Gedanken darüber zu machen, wie und wofür man den Arduino im Unterricht einsetzen möchte. Wenn man seine Ziele jedoch festgelegt hat, besitzt der Arduino in Kombination mit dem DHT11-Sensor definitiv seine Einsatzberechtigung im Unterricht.

 

persönliche Bewertung:

Für mich bringt der Arduino immer ein Problem mit sich: das Programmieren bzw. die Programmiersprache. Ohne bereits fertige Quellcodes aus der Arduino-Bibliothek, dem Internet oder der Hilfe von Sebastian hätte ich die Sensoren niemals so gut und mit den vielen Features erstellen und einsetzen können. Trotzdem hat sich mein Blick auf die Arduinos im Laufe der letzten Wochen und Monaten ins Positive verändert. Vor allem das breite Einsatzgebiet der Arduinos hat mir imponiert. Wenn man also die nötigen Kenntnisse besitzt oder eine brauchbare Sammlung an fertigen Quellcodes parat hat, kann mit den Arduinos eine Menge im Unterricht tun. Auch der DHT11-Sensor hat mich im Großen und Ganzen überzeugt. Besonders gut gefällt mir, dass man bei dem DHT11-Sensor zwei Größen gleichzeitig darstellen und messen kann. Aus diesem Grund lässt sich dieser Sensor sehr gut in den Unterricht integrieren. Außerdem kann man mit einem Klassensatz an Sensoren und Arduinos viele fächerübergreifende Projekte starten. An dieser Stelle fallen mir die Fächer Biologie und Sport ein.

Für die genannten Experimenten, die man durchführen könnte, spricht aus meiner Sicht, der zum Teil einfache Aufbau, weshalb man sie zum einen als Demonstrationsexperimente sowie als Schülerexperimente im Unterricht einbinden könnte. Besonders im Bereich der Wärmelehre kann man mit dem DHT11-Sensor gut arbeiten, um bestimmte Zustandsänderungen von Materie zu beschreiben und darzustellen. Als weiteren Punkt, den man in diesem Zusammenhang ansprechen kann, ist der gute Praxisbezug für das Experiment, bei dem man den Wirkungsgrad von verschiedenen Bauteilen und Geräten unter bestimmten äußeren Bedingungen testen kann.

 

30. Mai 2017 | Veröffentlicht von Tom Leonhardt
Veröffentlicht unter Allgemein, Arduino

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