LED-Streifen mit Bewegungssensor
Lass es leuchten, wenn du dich bewegst!
- Methodenkarte: LED-Streifen mit Bewegungssensor
- LED-Streifen löten
- Installation Thonny
- Das Raspberry Pi Pico mit Thonny programmieren
- Zusammenbau
- Der Code
- Online-Ressourcen
Methodenkarte: LED-Streifen mit Bewegungssensor
Lass es leuchten, wenn du dich bewegst!
Zielgruppe | Dauer | Level | Gruppengröße |
ab 8 Jahre | 5 bis 10 Stunden | 3 | 3 TN's |
Kurzbeschreibung
In diesem Physical-Programming-Projekt steuert ein Raspberry Pi Pico einen LED-Streifen mithilfe eines Bewegungssensors. Bei Bewegung leuchtet der LED-Streifen in verschiedenen Farben. Das Projekt verbindet technisches Wissen mit kreativer Teamarbeit und zeigt, wie digitale Technologien im Alltag genutzt werden können.
Ziele
- Verständnis von Stromkreisen
- Kreativer Umgang mit Code und digitalen Technologien
- Fördern von Teamfähigkeit
Material | Werkzeug |
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Ablauf
- Vorbereitung (Projektleitung):
Das Material wird vorbereitet, auf Funktionalität getestet und ein Demomodell wird erstellt (für weitere Hinweise und Ressourcen siehe QR-Code). Dazu gehören das richtige Einstecken von LEDs und Widerständen sowie die Installation der Programmierumgebung Thonny. Dieser Schritt dient der reibungslosen Durchführung und ersten Orientierung. Je nach Alter, Vorwissen und Beziehungsarbeit kann die Workshopzeit reduziert werden (z.B. bei den Phasen Vorbereitung und Projektstart). - Projektstart:
Nach einer Begrüßungsrunde teilt die Workshopleitung die Teilnehmenden in kleine Gruppen (2 bis 3 Personen) ein. Die Gruppen können sich Namen und Rollen geben, um die Zusammenarbeit zu fördern. Anschließend verteilt die Workshopleitung Projektboxen mit allen benötigten Materialien. - Praktische Arbeit, Aufbau und Test
Die Gruppen montieren eigenständig das Bewegungsmelder-Set. Dabei testen sie die Funktionalität, indem simulierte Feuchtigkeitswerte durch LEDs angezeigt werden. Unterstützung der Workshopleitung erfolgt bei Bedarf. - Programmierung:
Die Gruppen schließen den Raspberry Pi Pico mit Thonny an und passen den Code an. Sie verändern Schwellenwerte für den Sensor und machen die Daten in der Konsole sichtbar, um ein besseres Verständnis für die Programmierlogik zu entwickeln. - Reflexion:
Zum Abschluss reflektieren die Gruppen ihre Zusammenarbeit und Ergebnisse. Anregungen und Ideen für Verbesserungen oder Folgeprojekte werden diskutiert, um die Lernerfahrung abzurunden.
Autor*in: Shelly Pröhl (Büro Berlin des JFF)
LED-Streifen löten
Vorbereitung:
Lege alles bereit, was du brauchst: den WS2812B-LED-Streifen (15 LEDs), drei Jumper-Kabel (Out/Out, männlich/männlich), einen Lötkolben, Lötzinn und eine Halterung, um den LED-Streifen beim Löten zu fixieren. Für den Schutz der Lötstellen benötigst du Schrumpfschlauch oder Isolierklebeband. Wenn du Schrumpfschlauch verwenden möchtest, brauchst du zusätzlich einen Fön oder eine Heißluftpistole.
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Kabel zuordnen:
Schau dir die drei Kontaktstellen auf dem LED-Streifen an. Sie sind mit +5V (Power), GND (Ground) und DIN (Data In) beschriftet. Diese entsprechen den Farben der Jumper-Kabel:- Rotes Kabel: für +5V (Power).
- Schwarzes Kabel: für GND (Ground).
- Grünes oder gelbes Kabel: für DIN (Data In).
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Löten:
- Halte den LED-Streifen sicher in der Halterung oder fixiere ihn mit einer dritten Hand.
- Erwärme mit dem Lötkolben vorsichtig die Kontaktstelle +5V auf dem LED-Streifen und füge etwas Lötzinn hinzu.
- Löte das rote Kabel an diese Kontaktstelle. Achte darauf, dass die Verbindung fest ist.
- Wiederhole den Vorgang für GND (schwarzes Kabel) und DIN (grünes oder gelbes Kabel).
Überprüfen:
Schau dir die Lötstellen genau an. Sie sollten glänzen und fest verbunden sein, ohne dass die Lötstellen einander berühren. Falls etwas nicht richtig sitzt, kannst du die Lötstelle vorsichtig erneut erhitzen und verbessern.
Schutz und Stabilisierung:
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Mit Schrumpfschlauch:
- Schneide kleine Stücke Schrumpfschlauch (ca. 1–2 cm) zurecht.
- Schiebe die Schrumpfschläuche über die Lötstellen, bevor du das Kabel verlötest.
- Nach dem Löten schiebst du den Schrumpfschlauch über die Lötstelle.
- Erhitze den Schrumpfschlauch mit einem Fön oder einer Heißluftpistole, bis er sich fest um die Lötstelle zieht.
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Mit Isolierklebeband:
- Wenn du keinen Schrumpfschlauch hast, wickle Isolierklebeband fest um die Lötstellen, sodass sie komplett abgedeckt und geschützt sind.
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Prüft ob ihr alle Werkzeuge bereits habt! Wenn nicht, findet ihr hier eine Tabelle mit vorschlägen:
Material-/Werkzeugliste | Link | Einzelpreis | URL-Datum |
Heißluftpistole | Shop Obi | 39,99 EUR | 27.11.2024 |
Schrumpfschlauch-Set | Shop Berrybase | 2,50 EUR | 27.11.2024 |
Universalschere | Shop Böttcher | 0,99 EUR | 27.11.2024 |
Isolierband (schwarz) | Shop Böttcher | 9,99 EUR | 27.11.2024 |
Jetzt sind deine Lötstellen nicht nur stabil, sondern auch geschützt vor Kurzschlüssen und Beschädigungen. Dein LED-Streifen ist bereit für den Einsatz! ദ്ദി ˉ͈̀꒳ˉ͈́ )✧
Installation Thonny
Wir programmieren das Raspberry Pi Pico mit der Skriptsprache MicroPython in der kostenlosen Entwicklungsumgebung (IDE) Thonny. Dafür verwenden wir einen Computer oder Laptop.
Thonny | https://thonny.org/ |
Micropython | https://micropython.org/ |
Was ist eine IDE?
Eine IDE (Integrated Development Environment) ist eine Software, die euch beim Schreiben, Testen und Ausführen von Code (Programmen) unterstützt. Sie vereint viele hilfreiche Werkzeuge an einem Ort, darunter:
- Texteditor: Zum Schreiben und Bearbeiten von Code.
- Debugger: Zum Finden und Beheben von Fehlern im Code.
- Terminal: Zum Ausführen des Codes und Anzeigen von Ergebnissen.
Was ist Thonny?
Thonny ist eine einfache und benutzerfreundliche IDE, die speziell für Python entwickelt wurde. Sie eignet sich besonders gut für Einsteiger*innen, die das Programmieren gerade erst lernen. Thonny bietet eine übersichtliche Benutzeroberfläche und viele hilfreiche Funktionen, die den Einstieg ins Programmieren erleichtern. Es ist ein großartiges Tool, um erste Schritte mit Python und MicroPython zu machen.
Installation von Thonny auf verschiedenen Betriebssystemen
Installation auf Windows
- Gehe zur offiziellen Thonny-Website.
- Klicke auf den Download für Windows.
- Lade die Installationsdatei herunter und öffne sie, wenn der Download abgeschlossen ist.
- Folge den Anweisungen des Installationsassistenten, um Thonny zu installieren.
- Sobald die Installation abgeschlossen ist, kannst du Thonny über das Startmenü öffnen.
Installation auf Linux (Ubuntu)
- Öffne das Terminal auf deinem Ubuntu-System.
- Gib den folgenden Befehl ein, um das Paket zu aktualisieren:
sudo apt update
- Installiere Thonny, indem du den folgenden Befehl eingibst:
sudo apt install thonny
- Warte, bis die Installation abgeschlossen ist. Danach kannst du Thonny im Anwendungsmenü finden und starten.
Installation auf macOS
- Gehe zur offiziellen Thonny-Website.
- Klicke auf den Download für macOS.
- Lade die .dmg-Datei herunter und öffne sie, wenn der Download abgeschlossen ist.
- Ziehe das Thonny-Symbol in den Programme-Ordner, um die Installation abzuschließen.
- Öffne Thonny, indem du es im Programme-Ordner findest oder über Spotlight suchst.
Übung
Versuche nach der Installation, siehe unten, über die IDE Thonny eine Bibliothek zu installieren, zum Beispiel die Bibliothek 'NeoPixel'.
- Thonny öffnen ->
- Menü -> Tools -> Manage Plug-ins
- Suche nach 'neopixel' -> installieren
Das Raspberry Pi Pico mit Thonny programmieren
Um ein neues Raspberry Pi Pico zu programmieren, müssen wir es zunächst vorbereiten. Es mag anfangs nach vielen Schritten klingen, aber sobald ihr es einmal gemacht habt, geht der Rest richtig schnell! (。•́‿ •̀。) Wir teilen den Prozess in drei Schritte auf:
- Installation von MicroPython auf dem Raspberry Pi Pico
- Raspberry Pi Pico mit Thonny öffnen
- Ein Programm auf dem Raspberry Pi Pico speichern/laden
Installation von Micropython auf dem Raspberry Pi Pico
- Ladet euch Micropython herunter:
Besucht die MicroPython-Website und ladet die passende UF2-Datei für das Raspberry Pi Pico herunter.
(Zum Beispiel v1.24.0 (2024-10-25) .uf2) - Schließt das Raspberry Pi Pico an den Computer an:
Verwendet ein Micro-USB-zu-USB-A-Kabel. Haltet dabei den BOOTSEL-Knopf beim Raspberry Pi Pico gedrückt, während ihr das USB-Kabel anschließt.
(siehe Animation) - Kopiert die UF2-Datei auf das neue Laufwerk:
Sobald das Pico als neues Laufwerk auf eurem Computer erscheint, zieht die heruntergeladene UF2-Datei per Drag-and-Drop in dieses Laufwerk. Dadurch wird MicroPython auf dem Raspberry Pi Pico installiert.
Während der Installation oder dem Laden von MicroPython auf das Raspberry Pi Pico trennt sich das Laufwerk automatisch vom Computer. Dies zeigt an, dass die Installation abgeschlossen ist. Zieht auf keinen Fall das Kabel während dieses Prozesses vom Pico ab, da dies die Installation unterbrechen und zu Fehlern führen könnte.
Sicherheit geht vor – lasst das Pico in Ruhe arbeiten! (˶ᵔ ᵕ ᵔ˶)
Mit Thonny ein Programm auf dem Raspberry Pi Pico speichern/laden
Nachdem ihr Thonny geöffnet habt, könnt ihr über das Menü die Option Dateien/Files auswählen, um Dateien zu verwalten.
- Mit der Option Öffnen/Open öffnet sich ein Dialog, in dem ihr auswählen könnt, ob ihr eine Datei von eurem Computer oder direkt vom Raspberry Pi Pico laden möchtet.
- Mit der Option Speichern/Save öffnet sich ein Dialog, in dem ihr auswählen könnt, wo ihr euer Programm speichern möchtet – entweder auf dem Computer oder auf dem Raspberry Pi Pico.
So könnt ihr eure Programme einfach verwalten und sicherstellen, dass sie immer an der richtigen Stelle gespeichert sind!
Achtet beim Speichern auf dem Raspberry Pi Pico darauf, dass die Datei den Namen main.py hat. Nur mit diesem Dateinamen erkennt das Pico euer Programm automatisch und führt es nach dem Starten aus. ᓚ₍ ^. .^₎
Raspberry Pi Pico mit Thonny öffnen
Normalerweise kommuniziert Thonny automatisch mit dem Raspberry Pi Pico, sobald es angeschlossen ist. Wenn ihr Thonny geöffnet habt, geht wie folgt vor:
- Wählt im Menü die Option Dateien/Files aus.
- Im neuen Dialog könnt ihr das Raspberry Pi Pico als Speicherort auswählen.
- Anschließend könnt ihr eure main.py-Datei auf dem Pico finden, auswählen und öffnen.
So könnt ihr sicherstellen, dass euer Programm korrekt geladen und ausgeführt wird!
Nachdem ihr eure main.py zum Öffnen ausgewählt habt, könnt ihr das Programm in Thonny bearbeiten. Wenn ihr Änderungen vornehmt und auf Speichern klickt, wird das Programm automatisch auf dem Raspberry Pi Pico aktualisiert und gespeichert. So bleiben eure Änderungen direkt auf dem Pico erhalten! ¯\_(ツ)_/¯
Nachdem ihr ein Programm erfolgreich auf das Raspberry Pi Pico gespeichert oder übertragen habt, könnt ihr es ausführen und bei Bedarf stoppen:
- Starten: Klickt in der Symbolleiste auf den runden grünen Button, um das Programm auf dem Raspberry Pi Pico zu starten. Alternativ könnt ihr die Taste F5 drücken.
- Stoppen: Klickt in der Symbolleiste auf den roten Stop-Button, um das Programm zu stoppen. Alternativ könnt ihr die Tastenkombination Strg + F2 verwenden.
Zusammenbau
Beispiel-Verkabelung (siehe Abbildung oben):
In der Abbildung werden rote, schwarze und grüne Kabel (Jumper) verwendet, die jeweils eine spezifische Funktion haben:
- Rot (Power/PWR): Liefert Energie an das Bauteil, damit es funktioniert.
- Schwarz (Ground/GRD): Schließt den Stromkreis und leitet überschüssige Energie ab.
- Grün (Data): Überträgt die Daten zwischen dem Raspberry Pi Pico und dem Bauteil.
a) Stromversorgung einrichten:
- Verbinde den 5V-Pin des Raspberry Pi Pico mit der positiven Leiste (rote Linie) des Breadboards.
- Verbinde einen GND-Pin des Raspberry Pi Pico mit der negativen Leiste (blaue Linie) des Breadboards.
Jetzt können alle Bauteile auf dem Breadboard mit Strom versorgt werden.
b) PIR-Sensor anschließen:
- Stecke ein Jumper-Kabel vom VCC-Pin des PIR-Sensors in die positive Leiste des Breadboards.
- Verbinde den GND-Pin des PIR-Sensors mit der negativen Leiste des Breadboards.
- Schließe den OUT-Pin des PIR-Sensors mit einem Jumper-Kabel an den GPIO-Pin GP28 des Raspberry Pi Pico an.
c) WS2812B-LED-Streifen anschließen:
- Verbinde das rote Kabel des LED-Streifens mit der positiven Leiste des Breadboards.
- Verbinde das schwarze Kabel des LED-Streifens mit der negativen Leiste des Breadboards.
- Schließe das grüne Kabel des LED-Streifens (Data-In) mit einem Jumper-Kabel an den GPIO-Pin GP22 des Raspberry Pi Pico an.
Der Code
Hier ist ein Beispielcode für eure Programmierung in Micropython in der IDE Thonny auf dem Raspberry Pi Pico.
# Bibliotheken laden
#---------------------------------------------------------------------
from machine import Pin, Timer
from neopixel import NeoPixel
from utime import sleep_ms
import time
from random import randint
# Onboard LED vom Raspberry Pi Pico (Blinkt zum testen einer Verdindung)
#---------------------------------------------------------------------
led = Pin(25, Pin.OUT)
timer = Timer()
def blink(timer):
led.toggle()
timer.init(freq=2.5, mode=Timer.PERIODIC, callback=blink)
# Bewegungssensor
#---------------------------------------------------------------------
# Definiert eine Variable für den PRI-Sensor
# PRI ist eine Abkürzung und bedeutet Pulse Repetition Interval (Deut.: Intervall der Impulsfolge) und bezieht sich auf die Frequenz, mit der ein Bewegungsmelder ein Signal auslöst, wenn dieser eine bestimmte Bewegung erkennt.
prisensorpin = machine.Pin(28, machine.Pin.IN)
# LEDs
#---------------------------------------------------------------------
# Festlegung der Farben im RGB-Code
# RGB-Farben könnt ihr unter >> https://html-color.codes/ << erstellen
colors = [
(24, 0, 0),
(0, 24, 0),
(0, 0, 24),
(12, 12, 0),
(0, 12, 12),
(12, 0, 12),
]
# Farben aus colors in eine Liste (Array) schreiben
array = len(colors)
# Pin für WS2812B LED-Streifen festlegen
ledpin = 22
# Anzahl der LEDs des LED-Streifens angeben
ledanzahl = 15
# Geschwindigkeit definieren! Je höher der Wert, des so langsamer die Animation
speed = 120
# Initialisierung des WS2812B LED-Streifens durch die Variable 'ledstreifen'
ledstreifen = NeoPixel(Pin(ledpin, Pin.OUT), ledanzahl)
# Eine eigene Funktion
#---------------------------------------------------------------------
# Wir bauen (definieren) unsere eigene Funktion, um eine Animation zu simulieren. die neue Funktion heißt bei uns rainbow (Deut.: Regenbogen)
def rainbow():
# In der Schleife wird eine bestimmte Anzahlt Anzahl an wiederholungen durchlaufen. Dabei ist die Anzahl der Durchläufe gleich die Anzahl der LED's. Die Variable i erhöht sich mit jeden Durchlauf, bis die Anzahl der LED's (bei uns 15) erreicht ist.
# Hinweis: Eine Iteration ist ein widerholtes Durchlaufen eines bestimmten Prozesses.
for i in range (ledanzahl):
# Es wird eine zufällige Farbe aus dem array 'colors' für jedes LED-Element (an der Stelle i) des LED-Streifens erzeugt.
ledstreifen[i] = colors[randint(0, array-1)]
# sendet die angegebenen LED-Streifen-Daten zu dem LED-Streifen. Dies schaltet die LEDs auf den angegebenen Einstellungen auf dem LED-Streifen ein.
ledstreifen.write()
# Angabe der Millisekunden, wo der Code eine Pause machen soll. In Micropython gibt die sleep_ms()-Funktion dem Benutzer die Möglichkeit, Wartezeiten von einigen Millisekunden bis zu 255 Sekunden einzustellen.
sleep_ms(speed)
# Wiederholung (Endlos-Schleife)
#---------------------------------------------------------------------
while True:
# Wenn der Bewegungssensor einen Wert erhält, wie bspw. durch eine Bewegung, soll die
if prisensorpin.value():
print("motion detected")
rainbow()
else:
ledstreifen.fill((0,0,0))
ledstreifen.write()
Online-Ressourcen
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