Morse-Transceiver mit Arduino UNO bauen – Optische Kommunikation per Laser & LDR

Komponenten und Materialien

Komponente	Anzahl
Arduino UNO	2
Laserdiode (z. B. Keyes KY-008)	1
LED (beliebig)	2
Fotowiderstand (LDR)	1
Piezo-Summer (aktiv)	1

Projektidee

Im Rahmen eines Kommunikationssysteme-Kurses sollte Morse-Code nicht nur theoretisch, sondern erlebbar vermittelt werden. Statt den Code manuell zu lernen, bauten wir ein Gerät, das Text in Morse umwandelt, per Laser überträgt und auf der Empfängerseite wieder in Text decodiert.

Funktionsprinzip

Codierung: Lookup-Tabelle

Jedes ASCII-Zeichen wird über ein Array (MorseTable) auf seine Morse-Darstellung (Punkte und Striche) abgebildet. Die Tabelle deckt Ziffern, Buchstaben (Groß-/Kleinschreibung identisch) und gängige Satzzeichen ab.

Decodierung: Binärer Baum

Morse-Code lässt sich als binärer Baum darstellen: Punkt = links, Strich = rechts. Der Baum wird als Array MorseTree abgelegt (Index 0 ungenutzt, Kind-Indizes: 2n+1 / 2n+2). Beim Empfang wird der Baum durchlaufen, bis eine Pause das Zeichen beendet.

Timing (Sender)

• Basispuls (Punkt): 50 ms Licht an, 50 ms aus
• Strich: 3× Basispuls = 150 ms an, 50 ms aus
• Zeichenpause: 2× Basispuls = 100 ms

Empfang & Erkennung

Der LDR wird in einer abgedunkelten Röhre vor Fremdlicht geschützt. Die Analogwert-Schwelle (≥ 10) trennt „Licht“ von „Dunkel“. Die Dauer des Hochpegels wird in Zyklen gezählt (ca. 400 Zyklen ≈ 50 ms bei 16 MHz).

• ctrHigh ≥ 400 && < 800 → Punkt
• ctrHigh ≥ 800 → Strich
• Pause ctrLow == 800 → Zeichenende → Baum-Ausgabe & Reset

Sender-Schaltung

• Laserdiode an Pin 13 (Digital Out)
• USB-Seriell für Texteingabe (Serial Monitor)

Empfänger-Schaltung

• LDR an A4 (Analog In), mit Pull-Down-Widerstand (z. B. 10 kΩ)
• LED an Pin 13 (visuelles Feedback)
• Piezo-Summer an Pin 9 (akustisches Feedback, tone(9, 1000))
• USB-Seriell für Textausgabe

Sender-Code (Transmitter)

const char* MorseTable[] = {
  // Indizes 0-31: Steuerzeichen, Leerzeichen, ! " # $ % & '
  NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
  NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
  NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
  NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL, NULL,
  NULL, "-.-.--", ".-..-.", NULL, NULL, NULL, NULL, ".----.", // ( ) * + , - . /
  "-.--.", "-.--.-", NULL, ".-.-.", "--..--", "-....-", ".-.-.-", "-..-.",
  // 0-9
  "-----", ".----", "..---", "...--", "....-", ".....", "-....", "--...",
  "---..", "----.", "---...", "-.-.-.", NULL, "-...-", NULL, "..--..",
  // @ A-Z
  ".--.-.", ".-", "-...", "-.-.", "-..", ".", "..-.", "--.",
  "....", "..", ".---", "-.-", ".-..", "--", "-.", "---",
  ".--.", "--.-", ".-.", "...", "-", "..-", "...-", ".--",
  "-..-", "-.--", "--..", NULL, NULL, NULL, NULL, "..--.-",
  // ` a-z (identisch mit A-Z)
  NULL, ".-", "-...", "-.-.", "-..", ".", "..-.", "--.",
  "....", "..", ".---", "-.-", ".-..", "--", "-.", "---",
  ".--.", "--.-", ".-.", "...", "-", "..-", "...-", ".--",
  "-..-", "-.--", "--..", NULL, NULL, NULL, NULL, NULL
};

int dotLength = 50;
int dashLength = dotLength * 3;

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    char ch = Serial.read();
    flashDashDot(MorseTable[(int)ch]);
    delay(dotLength * 2); // Zeichenpause
  }
}

void flashDashDot(const char* morseCode) {
  if (!morseCode) return;
  for (int i = 0; morseCode[i]; i++) {
    if (morseCode[i] == '.') dot();
    else if (morseCode[i] == '-') dash();
  }
}

void dot() {
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(dotLength);
  digitalWrite(13, LOW);
  delay(dotLength);
}

void dash() {
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(dashLength);
  digitalWrite(13, LOW);
  delay(dotLength);
}

Empfänger-Code (Receiver)

// Morse Binärbaum: Index 0 = Root, Links=2n+1, Rechts=2n+2
const char MorseTree[] = {
  '\0','E','T','I','A','N','M','S','U','R','W','D','K','G','O',
  'H','V','F','U','L','A','P','J','B','X','C','Y','Z','Q',
  '\0','\0','5','4','\0','3','\0','\0','\0','2',
  '\0','\0','+','\0','\0','\0','\0','1','6','=','/','\0','\0','\0','(',
  '\0','7','\0','\0','\0','8','\0','9','0',
  // ... weitere Zeichen (?, _, ", ., @, -, ;, !, ), ,, :) ...
  // Vollständiges Array siehe Originalcode
};

int val = 0;
int ctrHigh = 0;
int ctrLow = 0;
int codePtr = 0;
int dotLen = 400; // Zyklen für einen Punkt

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(9, OUTPUT); // Summer
}

void loop() {
  val = analogRead(A4); // LDR an A4

  if (val >= 10) { // Licht erkannt
    ctrHigh++;
    ctrLow = 0;
    digitalWrite(13, HIGH);
    tone(9, 1000);
  } else { // Dunkel
    ctrLow++;
    if (ctrHigh >= dotLen && ctrHigh < dotLen * 2) {
      Serial.print(".");
      codePtr = (2 * codePtr) + 1; // Links
    } else if (ctrHigh >= dotLen * 2) {
      Serial.print("-");
      codePtr = (2 * codePtr) + 2; // Rechts
    } else {
      if (ctrLow == dotLen * 2) { // Zeichenpause
        Serial.print(MorseTree[codePtr]);
        codePtr = 0;
      }
    }
    ctrHigh = 0;
    digitalWrite(13, LOW);
    noTone(9);
  }
}

Beispielausgabe

Sender-Eingabe: Hello World
Sender-Serial: .... . .-.. .-.. --- .-- --- .-. .-.. -..
Empfänger-Serial: ....H.E.-..L.-..L---O.--W---O.-.R.-..L-..D-.-.--!

Tipps & Erweiterungen

• Reichweite: Mit 5 V Versorgung erreicht der Laser ~200 m. Für größere Distanzen Optik (Linse) verwenden.
• Störlicht: LDR in dunkler Röhre (z. B. Kugelschreiberhülse) einbauen.
• Baudrate: 9600 reicht; bei schnellerer Übertragung Timing anpassen.
• Fehlerkorrektur: Parity/Checksumme für kritische Anwendungen ergänzen.

Schaltpläne

Fritzing-Dateien für Sender- und Empfänger-Schaltung liegen bei (morsetransmitter.fzz, morsereceiver.fzz).