Arduino / Mikrocontroller

Mithilfe der Arduino Software ist es relativ einfach den Mikrocontroller zu programmieren. Dei Sprache besteht aus einer C ähnlichen (vereinfachten) Sprache. Sowohl die Hard- als auch die Softwar ist quelloffen.

Download der Arduino IDE unter: https://www.arduino.cc/en/Main/Software

Unterricht:  

Im Unterricht werden mit Hilfe des Steckbrettes einfache Programme zu digitalen Ein- und Ausgängen, sowie analogen Eingängen behandelt. Exemplarisch werden einige Sensoren (z.B. Entfernungs, Licht- und Temperatursensoren behandelt. Arbeitsteilig werden verschiedene Sensoren untersucht.

Im 2. Teil programmieren die Schüler ein Spiel, welches über einen Bewegungssensor und Schalter gesteuert wird. 

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Mikrocontroller sind überall. Sie führen ihre Arbeit in Haushaltsgeräten, in der Heizungssteuerung, in Überwachsungsstationen (Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, ..) und in elektronischen Geräten aus.

Auch in der Robotik braucht man sie. Mikrocontroller können Eingangssignale, die von Sensoren kommen, verarbeiten und Signale senden, um Aktoren wie Motoren zu steuern. Ein Mikrocontroller setzt sich aus einer Recheneinheit, aus Speicher und Input- und Outputports zusammen. 

Inhalte der Klassenarbeit

Mikrocontroller: Wir benutzen im Unterricht den Arduino UNO.

  1. Was ist ein Mikrocontroller?
  2. Wodurch unterscheidet er sich von einem Computer?
  3. Was bedeutet analog bzw. digital?

Mikroschalter: Mit Hilfe eines Schalters soll die interne LED 13 an bzw. ausgeschalten werden. Der Schalter hat eine direkte Verbindung zum Pluspol, der Widerstand ist mit dem Minuspol verbunden.

Was passiert, wenn man die Schaltung anders aufbaut, d.h. Plus- und Minuspol vertauscht wird?

Der Spannungsteiler: Alle analogen und digitalen Widerstände müssen über den Spannungsteiler angeschlossen werden, damit am Messpin ein klare definierte Spannung anliegt.

  1. Was unterscheidet die zwei Varianten?
  2. Wann wird welcher verwendet? (mit Begründung)

vgl.:Spannungsteiler

Lichtsensor: Die Helligkeit soll mit Hilfe eines Sensors gemessen werden.

  1. Welche Bauteile benötigt man?
  2. Wie müssen diese verbunden, bzw. am Arduino angeschlossen werden.
  3. Fertige eine genaue Skizze an.

Der AD-Wandler: Der Arduino hat einen 10Bit Analog-Digital-Wandler.

  1. Erkläre mit Hilfe eines Beispiels, welche Aufgabe dieser hat?

Der Beschleunigungssenor: Mit dem Arduino wird ein analoger Port eines Beschleunigungssensors ausgelesen.

  1. Welche physikalische Größe wird prinzipiell am analogen Port gemessen?
  2. Beim vorsichtigen Drehen um 180° erhält man Werte zwischen 260 und 400.
  3. Was bedeutet dies konkret, falls der Messwert z.B.: 330 beträgt?
  4. Die Werte sollen dazu verwendet werden, um ein Objekt mit Scratch entlang des Bildschirms innerhalb der y-Koordinaten von +150 bis -150 zu bewegen. Wie kann man dies programmieren?

Temperatursensor: Wie kann man mit Hilfe eines Temrperatursensors (KTY-81-222) die Temperatur messen? (vgl.: temperatursensor-kty-81-222)

 

Fragen zum Binärsystem:

  1. Welchen Zahlbereich kann man mit 4 bit (8 Bit; 16 Bit) darstellen. Erkläre, warum man wissen muss, ob die Zahl mit oder ohne Vorzeichen sind.
  2. Stelle die Zahl 119 im Binärsystem dar.
  3. Welche Zahl entspricht (10101010)2 im Zehnersystem.
  4. Erkläre, warum ein Computer nie wirklich genau rechnen kann.
  5. Warum versagt er schon, wenn er zwei ganzzahlige Zahlen teilen soll: z.B. 1 geteilt durch 2. Was mann als Programmierer natürlich auch nie verlangen sollte.
  6. Ein anderes Stellenwertsystem ist das Hexadezimalsystem:
    • Welche Ziffern besitzt das Hexadezimalsystem?
    • Überführe die folgenden Zahlen ins Dezimalsystem: (1B)16 ; (AB)16 ; (1234)16
  7. Eine IP-Adresse ist eine 32 Bit Zahl. Es werden jeweils 8 Bit zusammengefasst und jeder Block jeweils im Zehnersystem angegeben. Wie sieht eine typische IP-Adresse aus?