In diesem Projekt soll ein Aufbau realisiert werden, wodurch die Funktionsweise einer Kamera dargestellt werden soll. Hierfür wird eine Pixelmatrix aus 3x3 Pixeln aufgebaut, welche durch einen Arduino ausgelesen werden kann, so dass Bilder aufgenommen und durch einen Computer angezeigt werden können.

Abbildung 1: Fertiges Kameramodell

Theoretischer Hintergrund

Für dieses Vorhaben ist es relevant den Fotostrom, der an der Photodiode durch eine Intensität entsteht in eine Spannung umzuwandeln, da der Arduino ausschließlich Spannungen messen kann. Zudem muss das Signal in seiner Amplitude durch einen möglichst konstanten Faktor vergrößert werden, sodass das gesamte Spannungsinterval ausgenutzt wird, welches der Arduino messen kann. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht. Zuletzt muss beachtet werden, dass ein wesentlicher Punkt einer Kamera ist, dass die Pixel der Intensität für eine feste Zeit ausgesetzt sind, welche man Belichtungszeit nennt. Es muss also eine Schaltung gebaut werden, die es ermöglicht über das erhaltene Signal aufzusummieren. Diese Anforderungen an die elektrische Schaltungen werden hier durch einen Integrationsverstärker auf der Basis eines Operationsverstärkers realisiert. Ein Schaltplan dieses Aufbaus, wie er hier verwendet wird, ist in Abbildung 2 gezeigt. Es ist bei dieser Schaltung darauf zu Achten, dass der Integrationsverstärker invertierend ist. Es muss also eine negative Spannung am Eingang des Operationsverstärkers anliegen, sodass eine positive Spannung am Output erwartet werden kann.

Für ein Verständnis des Verstärkerkonstrukts der 3x3 Pixelmatrix sollte der Aufbau und die Funktionsweise eines Operationsverstärker als Photodiodenverstärker bekannt sein. In dem Projekt wird der Operationsverstärker als Integrator verwendet, wodurch das Signal nicht nur aufgrund der Rückkoplung verstärkt wird, sondern auch direkt integriert.

Abbildung 2: Schaltplan des hier verwendeten Integrationsverstärkers

Versuchsanleitung

Benötigtes Material

Neun Photodioden (BPW 34)
Drei Operationsverstärker (TLC 271 ACP)
Arduino Uno
Drei Kondensatoren (1 µF)
Drei Widerstände (100 kΩ)
3D gedrucktes Gehäuse
Punktrasterplatine mit den Maßen 6 cm × 5 cm und 16 cm × 10 cm
Lötkolben, Lötzinn, Silberdraht

Versuchsaufbau

Schritt 1: Die einzelnen Photodioden werden auf eine Platine gelötet zu einer 3x3 Pixelmatrix. Abbildung 2 stellt dies dar.
Schritt 2: Die 3x3 Pixelmatrix wird anschließend mit dem Versträrkerkonstrukt verbunden. Das Verstärkerkonstrunt kann der Abbildung 3 entnommen werden.
Schritt 3: Nun sollte der Schaltplan der Abbildung 4 gleichen.
Schritt 4: Daraufhin kann ein Gehäuse so gedruckt werden, sodass die Verstärkerkonstruktion hineinpasst.
Schritt 5: Die Verstärkerkonstruktion wird anschließend in das 3D gedruckte Gehäuse fixiert, sodass die 3x3 Pixelmatrix frei beweglich ist.
Schritt 6: Nun kann die 3x3 Pixelkamera mithilfe des Arduino an den Laptop verbunden und die Software abgespielt werden.

Abbildung 2: Dargestellt wird die 3x3 Pixelmatrix und deren Verbindung

Abbildung 3: Dargestellt wird das Verstärkungskonstrukt

Abbildung 4: Dargestellt wird der Schaltplan

3D Druckvorlage

Versuchsdurchführung

Die 3x3 Pixelmatrix wird in Richtung des abzulichteten Gegenstands ausgerichtet. Das dabei entstehende Signal wird mithilfe der Photodiodenverstärker verstärkt und an das Arduinomodul gesendet. Durch die Verwendung eines Pythonskrips werden die jeweiligen Helligkeiten der einzelnen Photodioden ausgelesen. Mithilfe eines Rasters werden die einzelnen Helligkeitswerte einem Grauton zugeordnet.

Software

Angeführt wird das benutzte Pythonskript:Pythonskript
Das verwendete Arduinoskript: Arduinoskript

Auswertung

In Abbildung 5 wird das Ergebnis gezeigt, wenn eine Reihe abgedeckt wird.

Abbildung 5: Dargestellt wird das Ergebnis, wenn eine Reihe abgedeckt wird

Schwierigkeiten und ihre Lösungen

Eine fundamentaler Schwierigkeit, die sich gezeigt hat war die Auswahl der richtigen Software. Zuerst wurde versucht PyFirmata zu verwenden, jedoch stellte sich die Alternative, nämlich PySerial, als deutlich schnellere und unkompliziertere Variante heraus. Zudem erweist es den Vorteil, dass man später den Arduinoanteil von SuS programmieren lassen kann. Ein weiteres Problem waren defekte Kontakte im Steckbrett, sodass die Schaltung zwar richtig gesteckt war, jedoch dennoch nicht zu funktionieren schien. Behoben wurde das Problem durch das Spannungsmessen an jedem Kabel mithilfe eines Multimeters.