Projekt
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Meine Idee war es, eine intelligente, elektronische Zahnbürste für Kinder zu entwickeln, die den Kindern aktiv hilft, sich richtig die Zähne zu putzen. Richtig putzen heißt: 1. Regelmäßig putzen, 2. Ausreichend lange putzen und 3. Die richtige Putztechnik verwenden. Das frühzeitige Erlernen der richtigen Putztechnik ist für Kinder besonders wichtig, denn die einmal erlernte Putztechnik wird meist ein Leben lang beibehalten.
Alle diese Anforderungen erfüllt die von mir gebaute "kluge Zahnbürste". Sie überwacht mittels einer elektronischen Schaltung, bzw. mittels eines eingebauten Mikroprozessors, ob das Kind die oben aufgeführten Zahnputzregeln beachtet.
Zur elektronische Schaltung: 6 Stunden nach dem letzten Zähneputzen wird eine LED eingeschaltet, um das Kind an das regelmäßige Zähneputzen zu erinnern. Das ausreichend lange Zähneputzen überwacht ein Timer. Für die Überwachung der richtigen Putztechnik habe ich einen Rüttelkontakt und einen digitalen Zähler eingebaut. Zusammen zählen sie nur die richtigen Putzbewegungen. Wenn sich das Kind ausreichend lange und richtig die Zähne geputzt hat, ertönt zur Belohnung eine Melodie.
Zur digitalen Lösung mittels eines Mikroprozessors: xxxxxx Für diesen Mikroprozessor habe ich ein Programm geschrieben. Es überwacht die Zeit zwischen dem Zähneputzen, es überwacht die Dauer des Zähneputzens und was besonders wichtig ist, es überwacht, ob das Kind, die richtige Zahnputztechnik verwendet. Anders als bei der elektronischen Schaltung wird das Kind beim Putzen von einer fröhlichen Melodie begleitet. Weiterhin ertönt bei falscher Putzbewegung ein Alarmsignal.
Vor kurzem habe ich meine "kluge Zahnbürste" beim Patentamt in München zum Patent angemeldet. Da ich vor der Anmeldung eine Recherche im Internet und im Patentinformationszentrum in Aachen durchgeführt habe, hoffe ich, dass meine Chancen gut sind, dass mir dieses Patent auch wirklich erteilt wird.
Als ich in den Sommerferien auf unserem Speicher rumstöberte, fand ich eine große, verstaubte Kiste. Ich öffnete sie und entdeckte viele kleine Ponys aus Plastik. Sofort erinnerte ich mich, wie ich zu all diesen Ponys gekommen bin: Als ich noch meine Milchzähne hatte, musste der Zahnarzt oft bohren. Das war natürlich sehr schmerzhaft. Auf dem Nachhauseweg kaufte mir meine Mutter nach jeder Behandlung zum Trost eins dieser kleinen Ponys.
Heute bin ich 13 Jahre alt und frage ich mich, warum musste überhaupt so oft an meinen Zähnen gebohrt werden?
Ich kam zu dem Ergebnis, dass ich damals gar nicht wusste, wie man sich richtig die Zähne putzt. Ich bin sicherlich nicht die Einzige, die früher dieses Problem hatte und wollte nun einen Weg finden, wie man diesen Kindern helfen könnte. Denn Kindern sollte frühzeitig beigebracht werden, sich richtig die Zähne zu putzen, da die einmal erlernte Technik meist ein Leben lang beibehalten wird.
Lange Zeit viel mir nichts ein, doch dann kam ich zu folgendem Schluss: Normale Zahnbürsten sind einfach nur dumm. Wenn man nicht weiß, wie man sie richtig benutzt, nutzen sie einem überhaupt nichts. Beim heutigen Stand der Technik könnten sie mit ihrem Benutzer in Wechselwirkung treten und dadurch seine Zahnhygiene überwacht. Deshalb wollte ich eine Zahnbürste entwickeln, die den Kinder bei ihrer Zahnhygiene hilft und ihnen "erklärt", wie man sich die Zähne putzen sollte.
Meine Zahnbürste soll die folgenden Bedingungen erfüllen:
Das Bild oben zeigt nicht meine fertige Zahnbürste, sondern nur ein Beispiel, wie sie aufgebaut sein könnte.
Damit man nicht immer die gesamte Elektronik wegwerfen muss, ist meine Zahnbürste mit einem Wechselkopf ausgestattet. Rechts neben der Wechselbürste ist ein Feuchtesensor angebracht. Im Zahnbürstenhals befindet sich ein einfacher Kontakt, der sich bei leichtem Druck des Bürstenkopfes auf die Zähne schließt. Der Zahnbürstengriff dient zur Aufnahme einer diskreten elektronischen Schaltung bzw. zur Aufnahme eines entsprechend programmierten Chips. Ebenfalls im Griff befinden sich zwei Rüttelkontakte. Ein Rüttelkontakt für die senkrechte und ein Rüttelkontakt für die waagerechte Putzbewegung. Am oberen Ende des Griffs ist ein Piepser angebracht, über den Warnsignale bei falschem Zähneputzen oder motivierende und belohnende Melodie bei richtigem Zähneputzen abgespielt werden können. Die Leuchtdioden am Zahnbürstenkopf und am Ende des Griffs informieren optisch, ob der Benutzer seine Zähne wieder putzen muss, bzw. ob er richtig putzt.
Auch dieser Schaltplan zeigt nur eine mögliche Lösung, wie ich meine Idee von einer intelligenten Zahnbürste umsetzen könnte. Im Folgenden ist ihre Funktion näher erläutert:
Sobald die Schalter 1 und 2 für Druck und Feuchtigkeit zur gleichen Zeit geschlossen sind, d.h. Druck auf der Zahnbürste ist und sie feucht ist, wird der Timer 1 gestartet. Dieser läuft nun 3 Minuten lang und schließt die Schalter 3,4 und 9. Jetzt kann der Zähler zählen, wie oft sich der Rüttelkontakt (Schalter 5) schließt und die grüne LED am Zahnbürstengriff leuchtet. Der in dieser Schaltung verwendete Rüttelkontakt schließt sich nur, wenn die Zahnbürste entsprechend der bekannten Zahnputztechnik in die richtige Richtung bewegt wird. Nach einer bestimmten Anzahl von Spannungsimpulsen, schließt der Zähler-IC die Schalter 6 und 7. Dadurch wird die Musik zur Belohnung für richtiges und ausreichend langes Zähneputzen eingeschaltet und der Timer-IC 2 zurück gesetzt. Der Timer-IC 2 ist dazu da, nach ungefähr 6 Stunden die roten Blink-LEDs am Ende der Zahnbürste einzuschalten. Sie signalisieren dem Kind am Morgen und am Abend, dass es das Zähneputzen nicht vergessen soll.
Das Programm Crocodile Clips ist ein Simulationsprogramm für elektrische Schaltungen. Man kann dort Schaltungen bauen und ausprobieren, ohne das man die Elektronikbauteile bei seinen Experimenten zerstört, weil man sie falsch angeschlossen hat.
Mit Hilfe dieses Programmes baute ich nun die obige Schaltung nach um sie zu testen. Bei meinem Testprogramm habe ich die Kapazitäten und Widerstände so gewählt, dass sich für die Simulation sinnvoll verkürzte Zeiten ergeben. Ich möchte ja nicht immer 6 Stunden warten bis ich die Simulation neu starten kann!
gibt der Timer an Ausgang3 für 3 Minuten ein High-Signal aus. Jetzt leuchtet die grüne LED und der Zähler kann zählen wie oft sich der Rüttelkontakt schließt. Nach 16 Spannungsimpulsen wird die Belohnungsmusik eingeschaltet. Außerdem wird der Timer2, der 6 Minuten läuft und dann die 2 Blink-LEDs der Zahnbürste einschaltet, zurückgesetzt und dadurch die 2 Blink-LEDs ausgeschaltet.
Wenn das Kind seine Zähne geputzt hat und der Timer1 abgelaufen ist, sendet dieser kein Signal mehr aus Ausgang3. Das an den Ausgang3 angeschlossene Nicht-Glied setzt nun den Zähler wieder auf Null zurück. Der Kondensator von Timer2 lädt sich nun immer mehr auf. Nach 6Minuten schaltet er die 2 Blink-LEDs ein um damit das Kind an das Zähneputzen zu erinnern.
Damit meine Zahnbürste auch meinen Anforderungen entsprach, wollte ich ein Programm mit CC-Plus schreiben und anschließend auf einen Minicomputer in der Zahnbürste spielen. Da dies aber gar nicht so einfach ist, machte ich zuerst einmal ein "Listing":
Das eigentliche Programm:
Mit seiner Hilfe konnte ich nun das Programm schreiben. Hier erkläre ich es einmal Zelle für Zelle:
| 0. Zelle: | In dieser Zelle stelle ich nur ein, dass die Digitalports 5-8 Ausgänge sind und beim Starten des Programms ein Low-Signal senden sollen. |
| 1. Zelle: | Das Programm merkt sich die Uhrzeit (die Stunde), nachdem das Zähneputzen beendet worden ist. |
| 2. Zelle: | Es wird kontrolliert, ob seit dem letzten Zähneputzen 6 oder mehr Stunden vergangen sind. |
| 3. Zelle: | Es wird ein Unterprogramm aufgerufen |
| a) | Die Speicherzellen für die Rüttelkontakte und für den Zähler werden auf 0 gesetzt. |
| b) | Falls die Zahnbürste nach links und rechts bewegt wird, wird die Speicherzelle 9 um 1 hochgesetzt. |
| c) | Falls die Zahnbürste hoch und runter bewegt wird, wird die Speicherzelle 8 um 1 hochgesetzt. |
| d) | Das Programm zählt bis 100. D. h., jedesmal wenn diese Zelle erreicht wird, wird Speicherzelle 10 um 1 erhöht. Nun vergleicht das Programm die Zahl der Speicherzelle mit 100. Wenn 100 erreicht ist, springt man vom Unterprogramm zurück ins Hauptprogramm. Falls aber die Speicherzelle noch nicht die Zahl 100 oder eine größere enthält, bleibt man im Unterprogramm und kommt zurück zur 3.Zelle a). |
| 4. Zelle: | In dieser Zelle wird kontrolliert, ob die Zahnbürste benutzt wird, oder einfach nur im Schrank steht oder gerade an eine andere Stelle gestellt worden ist. Falls sie nur im Schrank steht, springt das Programm zurück zu Zelle 2. |
| 5. Zelle: | Falls die Zahnbürste nun wirklich benutzt wird, wird sich die aktuelle Uhrzeit (Sekunden) gemerkt (Speicherzelle11). Dies ist dazu da, dass die Zahnbürste nach 3Minuten dem Kind sagen kann, dass es lange genug geputzt hat. |
| 6. Zelle: | In dieser Zelle setzt sich der Alarm2-Merker auf 0. |
| 7. Zelle: | Die Melodie, die das Kind beim 3Minütigen begleiten soll, wird angeschaltet. |
| 8. Zelle: | Nun wird wieder, wie in Zelle 3 ins Unterprogramm gesprungen. s. 3 a), b), c), d) |
| 9. Zelle: | In dieser Zelle wird nun verglichen, ob das Kind mehr links-rechts oder mehr auf-ab Bewegungen macht. Falls das Kind sich die Zähne falsch putzt, also mehr links-rechts Bewegungen entstehen, wird der Alarm1 angeschaltet. |
| 10. Zelle: | Das Programm wartet 3Sekunden und schaltet anschließend den Alarm1 wieder aus. |
| 11. Zelle: | Falls das Kind ganz aufgehört hat zu putzen, merkt das Programm dies hier. Es addiert die l-r und die a-a Bewegungen und vergleicht diese mit einer sehr niedrigen Zahl. Nun geht der Alarm2 an und der Alarm2-Merker wird um 1 hochgesetzt. Falls das Kind sich immer noch fleißig putzt, passiert nichts. |
| 12. Zelle: | Nun wartet das Programm wieder 3Sekunden und schaltet dann den Alarm2 aus. |
| 13. Zelle: | In dieser Zelle überprüft das Programm den Alarm2-Merker. Falls er sich die Zahl 3 oder eine darüber liegende gemerkt hat, springt er sofort weiter zu Zelle16. |
| 14. Zelle: | Die aktuelle Uhrzeit wird mit der Anfangszeit+3Minuten (Speicherzelle11) verglichen. Wenn es früher ist, wir zurück zu Zelle8. Falls es aber die genaue Uhrzeit oder später ist, passiert nichts. |
| 15. Zelle: | Nun wird die LED am Ende der Zahnbürste ausgeschaltet. |
| 16. Zelle: | Hier wird das Melodie-Modul ausgeschaltet. |
| 17. Zelle: | Das Programm wartet 20Sekunden, damit das Kind genügend Zeit hat mit dem Zähne putzen aufzuhören. |
| 18. Zelle: | Es beginnt wieder bei der allerersten Zelle... |
Doch als ich dieses Programm testete, musste ich feststellen, dass es noch nicht richtig funktionierte. Zwar hatte es bei der Simulation im Computer funktioniert, aber scheinbar ist es im Computer wie in der Realität nicht immer gleich.
Nach langem Suchen fand ich meine Fehler, die im Programm wie in der Außenbeschaltung lagen... Doch nach ein paar Stunden Arbeit, funktionierte mein Programm auch endlich im Minicomputer einwandfrei.
Als ich meinem Physiklehrer mein funktionierendes Programm und meine Schaltung vorführte, war er sehr beeindruckt. Er schlug mir vor, meine "kluge Zahnbürste" zum Patent anzumelden. Von Herrn Römer, dem Landeswettbewerbsleiter von "Jugend forscht", bekam ich Unterlagen für die Patentanmeldung und die Adresse von dem Patentanwalt Herrn H. B. Cohausz aus Düsseldorf.
Kurz vor den Weihnachtsferien besuchte ich Herrn Cohausz mit meinem Physiklehrer in seiner Anwaltskanzlei. Er freute sich über unseren Besuch und nahm sich sehr viel Zeit für uns. Er zeigte uns sogar seinen Rechercheraum, in dem er eine kleine Vorrecherche zu meiner Erfindung machte. Dann gab er uns ein paar Beispiele, wie eine Patentanmeldung aussehen muss.
Zu Hause angekommen, bemühte ich mich beim Patentamt in Aachen um 5 Offenlegungs- und Gebrauchsmusterschriften, die in der Vorrecherche aufgeführt wurden:
Als endlich ein Umschlag aus Aachen mit meinem Namen ankam, war ich sehr gespannt, was das wohl alles für Erfindungen sein mochten. Nun erfuhr ich zu meinem Bedauern, dass Teile meiner "klugen Zahnbürste" auch schon von anderen Erfindern zum Patent angemeldet worden waren. Jedoch an zwei Eigenschaften meiner "klugen Zahnbürste" hatte keiner dieser Erfinder gedacht:
Nun entschloss ich mich, diese beiden Eigenschaften doch noch zum Patent anzumelden. Ich hoffe, Ihnen beim Wettbewerb in Düsseldorf mehr darüber erzählen zu können.