Wir bauen eine Wippe/Waage, deren Balken von einem kleinen Motor leicht nach links oder rechts gekippt werden kann.
Der Waagbalken besteht aus einem oberen und einem unteren Teil.
Er ist 500 mm lang, 30mm dick und 20mm breit.In seinem oberen Teil befindet sich eine durchgehende Längsnut, ca. 10mm breit und 3mm tief.
Es gibt wechselbare Einsätze, die durch Klemmpassung in dieser Nut befestigt werden können.
Wir verwenden zunächst einen einfachen, ebenen Einsatz („E“), der 10mm breit ist, 500mm lang und 8mm hoch. Er besitzt eine durchgehende 5.5 mm breite Nut mit 5mm Tiefe.
In der Nut des Einsatzes rollt eine „Münze“ hin und her, wenn man den Balken kippt.
Die „Münze“ ist ein 4-polig diametral polarisierter Neodym-Ringmagnet mit 40 mm Außenddurchmesser, 25 mm Innendurchmesser, 5mm Dicke und einer Haftkraft im Bereich einiger kg.
Im unteren Bereich des Waagbalkens befinden sich einige lineare ratiometrische Hallsensoren (Typ A1302), die eine Veränderung der Feldstärke erkennen, wenn der Magnetring an ihnen vorbei rollt.
Diese Sensoren sind an die analogen Eingänge eines Arduino angeschlossen.
Der Arduino vergleicht die Feldstärken der Sensoren und ermittelt daraus die Position des Magnetrings.
Der Arduino steuert auch den Motor, welcher den Waagbalken betätigt.
Die erste Aufgabe besteht darin, die Münze sanft hin- und herzurollen,
so dass sie nicht am Ende des Balkens herunterfällt.
Dann soll die Münze nah am linken Rand ruhig stehen bleiben, nach einer Pause zum rechten Rand rollen, dort verweilen und wieder zurück rollen.
Dann bauen wir Hindernisse in die Laufbahn ein, indem wir andere Einsätze verwenden, etwa solche, die ìn der Mitte einen kleine Hügel haben („M“) oder die links und rechts von der Mitte je einen kleinen Hügel („LR“) haben.
Wie verhält sich die Regelung? Schafft sie es vielleicht sogar, die Münze auf die Spitze eines Hügels zu befördern und dort oben zu balancieren?
Wir können auch Taster an dem Arduino anschliessen, so dass ein Mensch die Steuerung des Waagbalkens übernehmen kann.
Der Arduino sollte sich nur mit der Regelungsaufgabe befassen. Wenn wir noch eine Benutzeroberfläche ergänzen wollen, die beispielsweise die Lage des Balkens und die Position der Münze in Echtzeit anzeigt, dann benötigen wir noch einen Raspberry Pi Computer (z.B. zero WH) als Ergänzung. Der Arduino teilt über seine serielle Schnittstelle (115.000 Baud) kontinuierlich die beiden Positionen mit. Der Raspi liest sie und propagiert sie über seinen Webserver an die Handys der beobachtenden Benutzer und an ein Tablet, das lose vor die Waage hingelegt wird.
Als Stromversorgung für Arduino, Raspi und für den Motor sollte ein Handy-Akku-Pack genügen, wenn man nicht mehr als eine Stunde Laufzeit anstrebt.
Als Motor kommt ein Servo in Betracht, der über PWM-Signale angesteuert wird. Alternativ ein Schrittmotor (der dann aber eine höhere Spannung verlangt, z.B. 18 Volt) oder ein kleiner DC-Motor mit einer H-Brücke als Steuerung (Kühlkörper!).
Beim Druck der Teile müssen wir den Waagbalken und die Einsätze jeweils aus zwei Teilen zusammensetzen, da sie das Bauvolumen des 3D-Druckers überschreiten. Wir können den Waagbalken auch aus Holz oder Aluminium fertigen. In dem Aluminium entstehen allerdings möglicherweise Wirbelströme, wenn der Magnetring rollt. Das kann sogar erwünscht sein, weil es dämpfend wirkt.