Schülerprojekt des BDS Mannheim Wallstadt: UV-Schutz sichtbar machen – interdisziplinär denken und bauen

Handwerk trifft Technologie

Wie können wir Kindern und Jugendlichen das Handwerk näherbringen – praxisnah, spannend und zukunftsorientiert? Dieses Projekt zeigt, wie das geht: Schülerinnen und Schüler bauen gemeinsam mit Optikern, Elektrikern, IT-Fachleuten und später auch Schreinern und Malern ein funktionierendes UV-Messgerät.

Das Besondere: Das Projekt führt durch mehrere Gewerke – und jedes Gewerk beleuchtet das Thema UV-Schutz aus seiner fachlichen Perspektive.
Das technische Herzstück bildet ein kleiner Minicomputer (Raspberry Pi), der mit einem Sensor prüft, ob eine Brille UV-Schutz bietet – die Anzeige erfolgt auf einem kleinen Display. Gespeist wird das Ganze mit umweltfreundlichem Solarstrom und einer Batterie.

Ziel: Die Schüler lernen nicht nur Grundlagen der Elektronik, Materialbearbeitung und Programmierung, sondern auch, wie wichtig UV-Schutz für unsere Augen ist – und was Handwerksprofis aus verschiedenen Bereichen dazu beitragen können.

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Teil 1: Der elektronische UV-Schutz-Tester

Was wird gebaut?

Ein Gerät, das misst, ob eine Brille UV-Schutz bietet – und auf einem kleinen Bildschirm direkt anzeigt:

• „UV-Schutz ist gegeben“
• oder: „Kein UV-Schutz“.

Das Gerät kann autark betrieben werden – mit Solarzelle und Akku.

Das Foto zeigt das fertig montierte UV-Messgerät. Links unten befindet sich eine eingefräste Aussparung mit mehreren kleinen Löchern – sie dient als definierte Ablagefläche für eine Brille. In dieser Aussparung ist der UV-Sensor integriert, der die einfallende UV-Strahlung misst.

Wird eine Brille korrekt aufgelegt, erfasst der Sensor, ob die Gläser UV-Licht blockieren. Das Ergebnis wird direkt auf dem darüberliegenden Display angezeigt, welches sich über der Brillenmarkierung befindet. Im dargestellten Zustand zeigt das Display oben links den Hinweis: „UV-Schutz ist gegeben“ – ein Indikator dafür, dass entweder eine UV-schützende Brille aufgelegt wurde oder gerade kein UV-Licht auf den Sensor trifft.

Trifft UV-Strahlung hingegen ungehindert auf den Sensor, wechselt die Anzeige zu „UV-Schutz ist nicht gegeben“. Dies ermöglicht eine einfache, anschauliche Prüfung des UV-Schutzes verschiedener Brillengläser.

Die gesamte Elektronik und Verkabelung sind hinter einer Holzverkleidung verborgen. Auf der rechten Seite ist ein Solarpanel zu erkennen.

Materialliste und Bestellquellen

Alle Komponenten wurden so ausgewählt, dass sie leicht erhältlich, bezahlbar und zuverlässig sind. Nachfolgend findest du eine vollständige Liste – mit Bestelllinks (Amazon oder Alternativen), Mengenangaben und Bemerkungen. Diese Liste ist für ein Gerät gerechnet.

Schritt-für-Schritt-Anleitung: Aufbau & Programmierung

1. Die SD-Karte für den Raspberry Pi vorbereiten am PC

1. Raspberry Pi Imager herunterladen und installieren:
   https://www.raspberrypi.com/software
2. Pi Imager öffnen und SD Karte einschieben
3. SD-Karte beschreiben mit:
   unter Raspberry Pi Modell “Raspberry Pi Zero 2W” auswählen
   unter Betriebssystem „Raspberry Pi OS (Legacy 32-bit, Bullseye, FULL-Version)“ wählen
   unter SD Karte korrekte SD Karte auswählen
4. Bestätige die Eingabe mit “WEITER”
5. Unter OS Anpassungen anwenden? “Einstellungen bearbeiten” wählen
6. Haken setzen bei Benutzername und Passwort festlegen und Benutzername und Passwortvergeben
7. Haken setzen bei WIFI einrichten und SSID und LOGIN für das WIFI einrichten
8. Haken setzen bei Spracheinstellungen und Zeitzone und Tastaturlayout bestimmen
9. Eingabe bestätigen mit Speichern
10. Bei OS Anpassungen anwenden mit “ja” bestätigen
11. Warnung vor Löschung der Daten auf der SD Karte mit “ja” bestätigen
12. SD Karte wird innerhalb weniger Minuten beschrieben
13. Wenn das Schreiben erfolgreich war kann die SD Karte aus dem Lesegerät nun entfernt werden.

Die Schritte werden hier nochmals mit Screenshots der Software gezeigt.

Um alle Komponenten korrekt miteinander zu verbinden, ist es wichtig, die verfügbaren Ports und deren Funktionen am Raspberry Pi 2. zero W zu kennen.

Die folgende Übersicht bietet eine kurze, aber präzise Einführung in die relevanten Anschlüsse – von GPIO-Pins über USB-Ports bis hin zu Energie- und Datenverbindungen.

1.1 Schritt-für-Schritt-Anleitung: Anschluss und Start

a) microSD-Karte einlegen

• Drehe den Raspberry Pi so, dass du den microSD-Kartenslot siehst.

• Stecke die microSD-Karte (mit dem geflashten Betriebssystem) vorsichtig in den Slot.

b) Monitor anschließen

• Verbinde den HDMI-Ausgang des Raspberry Pi (Mini-HDMI) über einen Adapter mit dem HDMI-Kabel.

• Stecke das andere Ende des Kabels in einen Monitor mit HDMI-Eingang.

• Schalte den Monitor ein und wähle den richtigen HDMI-Kanal.

c) Tastatur und Maus anschließen

• Verwende einen USB-OTG-Adapter oder einen USB-Hub, um Tastatur und Maus über den USB-Port (nicht den Power-Port!) des Raspberry Pi anzuschließen.

d) Strom anschließen

• Verbinde das Netzteil über den Power-Port (microUSB) mit dem Raspberry Pi.

• Sobald Strom fließt, startet der Pi automatisch.

Tipp: Es gibt keine separate Ein-/Aus-Taste – der Start erfolgt direkt über die Stromverbindung.

Der erste Start: Was du sehen solltest

• Nach einigen Sekunden erscheinen das Raspberry Pi-Logo und Startmeldungen auf dem Bildschirm.

• Danach lädt die grafische Benutzeroberfläche – standardmäßig die sogenannte „Desktop-Oberfläche“ des Raspberry Pi OS.

Wenn alles richtig angeschlossen ist, solltest du jetzt die Benutzeroberfläche sehen – ähnlich wie bei einem normalen PC oder Laptop.

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Terminal öffnen

Sobald die grafische Oberfläche sichtbar ist, kannst du das Terminal öffnen – ein Fenster, in dem du Befehle direkt an das Betriebssystem eingeben kannst.

So öffnest du das Terminal:

Möglichkeit 1: Über das Symbol

1. Suche oben oder unten auf dem Bildschirm das kleine schwarze Symbol mit einem >_ oder Terminalzeichen.

2. Klicke darauf – das Terminalfenster öffnet sich.

Möglichkeit 2: Tastenkombination

• Drücke gleichzeitig die Tasten:
  Strg + Alt + T
  (damit öffnest du direkt ein neues Terminalfenster)

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Was ist das Terminal überhaupt?

Du kannst dort Befehle eingeben, um Programme zu starten, Dateien zu bearbeiten oder den UV-Sensor deines Projekts zu steuern.

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Nächster Schritt im Projekt:

Im nächsten Abschnitt wirst du den Raspberry Pi so einrichten, dass er automatisch mit deinem UV-Sensor kommunizieren kann. Dazu installierst du einige Programme und testest erste Befehle.

2. Sensor & Bibliotheken installieren

Diese Befehle installieren alle nötigen Python-Pakete für den LTR390-UV-Sensor:
(der gesamte grau hinterlegte Text sollte mit copy & paste ins Terminal gebracht werden)

sudo apt-get install python3-pip
sudo apt install --upgrade python3-setuptools
sudo raspi-config nonint do_i2c 0
sudo apt-get install -y i2c-tools libgpiod-dev python3-libgpiod
pip3 install --upgrade RPi.GPIO
pip3 install --upgrade adafruit-blinka
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ltr390
sudo reboot

Erklärung:

• pip3 ist der Paketmanager für Python
• blinka stellt die Kommunikation zwischen Pi und Sensor über I2C her
• ltr390 ist die spezifische Sensor-Bibliothek

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3. Testcode für Sensor (PHASE_03.py)

import time
import board
import adafruit_ltr390

# Initialisiert die I2C-Schnittstelle und den Sensor
i2c = board.I2C()
ltr = adafruit_ltr390.LTR390(i2c)

# Endlosschleife: Misst alle 2 Sekunden die UV- und Lichtwerte
while True:
    print("UV:", ltr.uvs, "ttAmbient Light:", ltr.light)
    print("UVI:", ltr.uvi, "ttLux:", ltr.lux)
    time.sleep(2.0)

Was macht der Code?

• Misst UV-Werte und Lichtintensität
• Gibt diese im Terminal aus
• Hilfreich zum Kalibrieren und Testen

Starten mit:

python3 PHASE_03.py

Bewege und drehe den Sensor etwas. Decke ihn ab und wieder auf. Jetzt kannst du beobachten wie der Sensor Änderungen in
Bezug auf die Helligkeit registriert.

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4. OLED-Display einrichten und nutzen

Bibliotheken im Terminal installieren:

sudo pip3 install adafruit-circuitpython-ssd1306
sudo apt-get install python3-pil
sudo apt-get install python3-numpy
sudo reboot

Python-Code zur Anzeige (PHASE_04.py):

Kopiere den Text hier und füge den Text in der App Geany ein. Speichere die Datei dann mit dem Namen PHASE_04.py im Home Ordner ab.

# Erforderliche Pakete werden importiert
import time # zur Handhabung von zeitbezogenen Aufgaben/Operationen
import board # zur Einrichtung von Kommunikationsprotokollen
import adafruit_ltr390 # zur Verwendung des Sensortreibers auf Anwendungsebene
import adafruit_ssd1306 # zur Verwendung des Displaytreibers auf Anwendungsebene
from PIL import Image, ImageDraw, ImageFont

i2c = board.I2C() # Board-Konfiguration

ltr = adafruit_ltr390.LTR390(i2c) # Sensorinstanz wird zur Datenkommunikation erstellt

WIDTH = 128
HEIGHT = 64
BORDER = 5

oled = adafruit_ssd1306.SSD1306_I2C(WIDTH, HEIGHT, i2c, addr=0x3d) # Displayinstanz wird zur Datenkommunikation erstellt
oled.fill(0)
oled.show()


def display_text(line1, line2):
global WIDTH
global HEIGHT
global BORDER

# Leeres Bild zum Zeichnen (1-Bit-Farbe)
image = Image.new("1", (oled.width, oled.height))

# Objekt zum Zeichnen auf dem Bild
draw = ImageDraw.Draw(image)

# Weißer Hintergrund
draw.rectangle((0, 0, oled.width, oled.height), outline=255, fill=255)

# Kleinere innere Rechteckfläche
draw.rectangle(
(BORDER, BORDER, oled.width - BORDER - 1, oled.height - BORDER - 1),
outline=0,
fill=0,
)

font = ImageFont.load_default()

# Textgrößen ermitteln
font_width1, font_height1 = font.getsize(line1)
font_width2, font_height2 = font.getsize(line2)

# Ersten Text zentriert platzieren
draw.text(
(oled.width // 2 - font_width1 // 2, oled.height // 4 - font_height1 // 2),
line1,
font=font,
fill=255,
)

# Zweiten Text zentriert platzieren
draw.text(
(oled.width // 2 - font_width2 // 2, 3 * oled.height // 4 - font_height2 // 2),
line2,
font=font,
fill=255,
)

# Bild auf dem Display anzeigen
oled.image(image)
oled.show()


while True:
# DATEN AUSLESEN
uv_value = ltr.uvs

# UV-Wert prüfen und Anzeige je nach Bedingung aktualisieren
if uv_value == 0:
display_text("UV Schutz", "ist gegeben")
else:
display_text("Kein UV", "Schutz")

time.sleep(1.0)

 

Was passiert hier?

• Sensor misst UV-Strahlung
• Wenn keine UV-Strahlung erkannt wird: Anzeige “UV Schutz ist gegeben”
• Wenn UV erkannt wird: Anzeige “Kein UV Schutz”
• Die Anzeige wird jede Sekunde aktualisiert

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5. Autostart einrichten (im Terminal)

Damit das Programm beim Einschalten automatisch startet:

sudo nano /etc/xdg/lxsession/LXDE-pi/autostart

Füge am Ende ein:

@lxterminal -e python3 /home/pi/PHASE_04.py

Dann speichern (CTRL+X, Y, ENTER) und neustarten:

sudo reboot

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Anschluss und Einstellung des blauen Ladereglers
ANLEITUNG:

1. Schließe den Akku an den Laderegler an – achte dabei auf die richtige Polarität der Anschlüsse an den vorgesehenen Ports.

2. Der Laderegler zeigt den Batteriestatus an. Wähle jetzt den passenden Batterietyp über die Bedientasten im Menü des Ladereglers aus.
   Wähle den Typ B3 – dieser wird blinken. Drücke erneut die Menütaste, um den Typ auszuwählen und die Einstellung zu bestätigen.

3. Verwende passende Jumperkabel, um die GPIO-Pins des Raspberry Pi mit den Anschlüssen des Spannungsreglers zu verbinden.

4. Verbinde die Kabel des Solarpanels mit dem Laderegler, und achte auch hier auf die richtige Polarität.
   Auf dem Display des Ladereglers sollten jetzt die Symbole für Solarpanel und Batterie erscheinen. Zudem werden Ladepfeile angezeigt, die den Ladevorgang der Batterie und des Solarpanels darstellen.

5. Schließe den Spannungsregler an den Laderegler an. Überprüfe dabei die Polaritäten an beiden Anschlüssen – also am Regler und am Laderegler.
   Die Polaritäten des Reglers sind auf der Rückseite des Moduls beschriftet.

Didaktische Erweiterung: UV-Licht aus Sicht der Gewerke

Optiker erklärt UV-Licht

• UV-Strahlung dringt tief ins Auge ein
• Schutzfilter in Brillen schützen Linse & Netzhaut
• Kinderaugen sind besonders empfindlich

Elektriker erklärt Stromversorgung

• Funktion von Solarpanel und Akku
• Bedeutung von Spannung, Strom, Ladezyklen
• Warum ein Spannungsregler auf 5V nötig ist

Schüler lernen:

• Grundlagen von I2C-Kommunikation
• Was ein Sensor misst (UV-Werte, Lux)
• Wie ein Display funktioniert
• Wie man aus Messwerten eine Aussage generiert

 

 

 

Holzverarbeitung: Siebdruckplatten für das Gehäuse

Für das Gehäuse wurde bewusst auf robuste und gut bearbeitbare Siebdruckplatten zurückgegriffen. Diese Platten wurden zunächst passgenau zugeschnitten. Abhängig von der Ausstattung der jeweiligen Schule kann dieser Schritt entweder direkt vor Ort im Rahmen des Projekts erfolgen – etwa mit einer Dekupiersäge, Stichsäge oder Formatkreissäge – oder als vorbereiteter Bausatz bereitgestellt werden.

Gerade für jüngere Schülerinnen und Schüler kann es sinnvoll sein, die Grundplatten bereits maschinell vorzufertigen, sodass sich das Projekt stärker auf das Zusammensetzen, das Oberflächenfinish und die Funktionsprüfung konzentriert. An Schulen mit gut ausgestatteter Werkstatt kann jedoch der gesamte Herstellungsprozess – vom Zuschnitt bis zur Endmontage – im Rahmen des Technik- oder Werkunterrichts durchgeführt werden.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der Nachbearbeitung der Kanten: Je nach Ausstattung stehen hier Schwingschleifer, Kantenschneider oder einfache Schleifklötze zur Verfügung, um die Oberflächen zu entgraten und sicher für die weitere Verarbeitung zu machen. Neben dem funktionalen Aspekt trägt dies auch zur ästhetischen Qualität des Projekts bei.

Eingelassene Gläser und funktionale Details

In das Gehäuse sind zwei Gläser eingesetzt:

• Ein Glas ist komplett UV-durchlässig, um den Sensor nicht zu blockieren und reale UV-Werte messen zu können.

• Das zweite Glas ist entspiegelt, um eine bessere Ablesbarkeit des Displays zu gewährleisten – selbst bei direkter Sonneneinstrahlung.

Zusätzlich wurde der Bereich zur Brillenablage optisch hervorgehoben: Hier kam ein robuster Kunststoffbelag, wie er typischerweise im Bodenbau verwendet wird, zum Einsatz. Diese kreative Lösung unterstreicht den handwerklichen Charakter und setzt zugleich ein dekoratives Element.

Schrauben und Montage

Zur Montage des Gehäuses und der Komponenten kamen verschiedene Schraubengrößen zum Einsatz:

• Für die Hauptverbindungen im Holzgehäuse: 4 × 60 mm und 4 × 50 mm Holzschrauben

• Zur Befestigung des Solarpanels: 4 × 25 mm Metallschrauben

Alle Verbindungen wurden so gewählt, dass sie sowohl stabil als auch für Schülerinnen und Schüler gut nachvollziehbar sind – ideal also für ein didaktisch sinnvolles Projekt mit echtem Praxisbezug.

 

Fazit: Technik begreifen, Handwerk erleben

Dieses Projekt macht Technik sichtbar, greifbar und verständlich. Es verknüpft Fachwissen aus der Optik, Elektronik und Informatik mit realen Anwendungen. Und es fördert Zusammenarbeit, Neugier und kreatives Denken.

Wer war am Projekt beteiligt?