Kurseinheit 3. Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner. 1. Elektronik. 3. Software. 2. Mikrorechnertechnik. Anhänge. Der Piezowandler Frequenz

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1 Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner Kurseinheit Elektronik Der Piezowandler Frequenz 2. Mikrorechnertechnik Speichergrößen ATmega- Mikrocontroller 3. Software Anwendung von Variablen Einlesen von Tastererwerten Rechnen mit Variablen Erzeugung von Tönen mit dem Piezowandler Zufallszahlen Anhänge Speichergrößen Frequenzen und Töne dk4aq@t-online.de 1

2 Spaß an Technik: Elektronik Elektronik Bauteile,Theorie, Formeln... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 2

3 Spaß an Technik: Elektronik Bauelement Piezowandler

4 Spaß an Technik: Elektronik Frequenz bedeutet Schwingungen pro Sekunde U PIN Pulsierende Gleichspannung oder Wechselspannung Periodendauer T Die Frequenz t wird gemessen in Hertz (Hz) f = 1/T t Heinrich Hertz Der hat s zwar nicht erfiunden, aber nach ihm wurde es benannt. Bild: Uni Hamburg Eine Spannung, die eine Periodendauer von 1s aufweist, hat eine Frequenz von 1Hz DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 4

5 Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik Mikrorechnertechnik Prinzipien,Strukturen, Eigenschaften... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 5

6 Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik Speichergrößen der ATmega-Mikrocontrller DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 6

7 Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik Schaltplan für die Experimente Zahl1 und folgende und Piezo1 DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 7

8 Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik Verdrahtung für die Experimente Zahl1 und folgende und Piezo1 R4 680 R3 680 Taste2 Taste1 LED2 LED1 R V R V DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 8

9 Software Programmierung, Strukturen, Werkzeuge... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 9

10 Wiederholung: Wichtige Datertypen für Variablen KORREKTUR! Datentyp Speicherplatz Wertebereich boolean 1 Bit 0,1 oder HIGH, LOW byte 1 Byte char 1 Byte unsigned char 1 Byte int 2 Byte unsigned int 2 Byte word 2 Byte long 4 Byte to unsigned long 4 Byte float 4 Byte E E+38 Variablen werden alle im RAM (Schreib-/Lese- Speicher) gehalten. Der Prozessor des Arduino Nano (ATmega328)) besitzt 2kByte RAM. Die Kommastelle in den Gleitkommazahlen wird mit einem Punkt dargestellt. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 10

11 Programm Zahlen4 : Arbeiten mit Variablen, Einlesen der Taster Programmkopf DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 11

12 Programm Zahlen4 : Arbeiten mit Variablen, Einlesen der Taster Funktion setup() DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 12

13 Programm Zahlen4 : Arbeiten mit Variablen, Einlesen der Taster Funktion loop() DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 13

14 Programm Piezo1 : Tonausgabe tone(pin, Frequenz, Dauer) Frequenz in Hz (Schwingung/s) Dauer in ms Serial.print() = Ausgabe eines Wertes ohne Zeilenwechsel Serial.Print( \t ) = Ausgabe eines TAB DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 14

15 Programm Piezo2 : Tonausgabe mit Zufallswerten Programmkopf und Funktion setup() DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 15

16 Programm Piezo2 : Tonausgabe mit Zufallswerten Funktion loop() random(untergrenze, Obergrenze) Werte zwischen 100 und 8000Hz Werte zwischen 50 und 2000ms ⓿ ⓿ ❷ Icon: Rodrigo Tejero, Free License DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 16

17 Weitere Aufgaben Zahl4 mit Signaltönen ergänzen Das Programm Zahl4 soll mit Signaltönen ergänzt werde, die bei Betätigung der Taster Signaltöne liefern. Wenn die Taste betätigt wird, die die Blinkfrequenz erhöht, dann soll ein hoher Ton erzeugt wedren. Wenn die Taste betätigt wird, die die Blinkfrequenz erhöht, dann soll ein hoher Ton erzeugt werden. Ausserdem soll bei jedem Blinkvorgang ein kurzes Klicken ertönen. Vorgriff auf komplexe Variablen: Arrays Es soll eine Tonfolge über eine Tabelle (Array) erzeugt werden Beispielteile: //Deklaration int myints[6]; //Füllen des Arrays int myints] = {2, 4, 8, 3, 6}; //Auslesen eines Wertes Inhalt = myints(2); //Ergebnis ist 8 DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 17

18 Anhang Anhang Tabellen, Zusatzinfos, Verfahren... DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 18

19 Anhang Frequenzen und Tonhöhen U PIN Bildquelle: DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 19

20 Anhang Frequenzen und Tonhöhen Konstanten für Tonhöhen von Noten #include pitches.h Quelle: /********************************* * Public Constants ********************************/ #define NOTE_B0 31 #define NOTE_C1 33 #define NOTE_CS1 35 #define NOTE_D1 37 #define NOTE_DS1 39 #define NOTE_E1 41 #define NOTE_F1 44 #define NOTE_FS1 46 #define NOTE_G1 49 #define NOTE_GS1 52 #define NOTE_A1 55 #define NOTE_AS1 58 #define NOTE_B1 62 #define NOTE_C2 65 #define NOTE_CS2 69 #define NOTE_D2 73 #define NOTE_DS2 78 #define NOTE_E2 82 #define NOTE_F2 87 #define NOTE_FS2 93 #define NOTE_G2 98 #define NOTE_GS2 104 #define NOTE_A2 110 #define NOTE_AS2 117 #define NOTE_B2 123 #define NOTE_C3 131 #define NOTE_CS3 139 #define NOTE_D3 147 #define NOTE_DS3 156 #define NOTE_E3 165 #define NOTE_F3 175 #define NOTE_FS3 185 #define NOTE_G3 196 #define NOTE_GS3 208 #define NOTE_A3 220 #define NOTE_AS3 233 #define NOTE_B3 247 #define NOTE_C4 262 #define NOTE_CS4 277 #define NOTE_D4 294 #define NOTE_DS4 311 #define NOTE_C #define NOTE_CS #define NOTE_D #define NOTE_DS8 497 #define NOTE_E4 330 #define NOTE_F4 349 #define NOTE_FS4 370 #define NOTE_G4 392 #define NOTE_GS4 415 #define NOTE_A4 440 #define NOTE_AS4 466 #define NOTE_B4 494 #define NOTE_C5 523 #define NOTE_CS5 554 #define NOTE_D5 587 #define NOTE_DS5 622 #define NOTE_E5 659 #define NOTE_F5 698 #define NOTE_FS5 740 #define NOTE_G5 784 #define NOTE_GS5 831 #define NOTE_A5 880 #define NOTE_AS5 932 #define NOTE_B5 988 #define NOTE_C #define NOTE_CS #define NOTE_D #define NOTE_DS #define NOTE_E #define NOTE_F #define NOTE_FS #define NOTE_G #define NOTE_GS #define NOTE_A #define NOTE_AS #define NOTE_B #define NOTE_C #define NOTE_CS #define NOTE_D #define NOTE_DS #define NOTE_E #define NOTE_F #define NOTE_FS #define NOTE_G #define NOTE_GS #define NOTE_A #define NOTE_AS #define NOTE_B DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 20

21 Ende DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 21

22 Extrathemen Verwendung von symbolischen Konstanten Wenn man längere Programme schreibt, führt die Verwendung von numerischen Konstanten leicht zur Unübersichtlichkeit und schlechten Wartbarkeit : speed = speed + 80; //80 bededutet 80m/s frequenz = grundfrequenz + 80; //80 bedeutert 80Hz Man kann mit einer Anweisung für den Präprozessor des Übersetzungstools eine Anweisung für einen Textersatz geben: #define DELTA_SPEED 80 #define FREQ_KORR 80 Diese Anwesung steht immer im Propgrammkopf vor der Funktion setup(). Im Programm schreibt man dann: speed = speed + DELTA_SPEED; frequenz = grundfrequenz + FREQ_KORR Wenn man eine symbolische Konstante im Kopf ändert, ändern sich alle Programmzeilen mit, in denen die Konstante vorkommt! DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 22

23 Anwendung Symbolische Konstanten (nicht lauffähig!) // Beispiel // Symbolische Konstanten #define STARTWERT #define DELTA 25 #define TASTER1 7 Reiner Text-Ersatz, kein Semikolon! Keine Kommentare in der gleichen Zeile! unsigned long frequenz; // Wert ist groesser als boolean tasterwert; // Wert Taster kann nur 0 oder 1 sein void setup() { frequenz = STARTWERT; pinmode(taster1,input); } Lesbarkeit und Wartbarkeit der Programms sind deutlich besser als mit Zahlenwerten! void loop() { tasterwert = digitalread(taster1); frequenz = frequenz + (tasterwert * DELTA); } DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 23

24 Zahlensysteme bei numerischen Konstanten Zahlensystem Abkürzung Beispiel binär B B für byte oder unsigned Char, TRUE, FALSE für boolean dezimal (Festkommazahl) hexadezimal 0x 0x2A floating point (Kommazahl) floating point (Exponentialdarstellung) e1, 67e-12 Namensauswahl Variablen immer mit kleinem ersten Buchstaben: durchlaufzaehler oder durchl_zaehl Konstanten immer mit großem ersten Buchstaben: STARTWERT DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 24

25 Komplexe Variablen (1) Spaß an Technik: Software Zur Anwendung in Tabellen und Datenbank-ähnlichen Anwendungen bietet C die Möglichkeit zur Anwendung von adressierbaren Variablenfeldern (Arrays): unsigned int morsezeichen[5]; //Deklaration eines Variablenfeldes mit 5 Bytes morsezeichen[5] = {B , /* d _.. */ B , /* k _._ */ B , /* 4..._ */ B , /* a._ */ B }; /* q. _ */ Die Elemente des Feldes lassen sich nun adressieren und einzeln lesen/schreiben : bitmuster = morsezeichen[0]; // liest den Wert B bitmuster = morsezeichen[3]; // liest den Wert B bitmuster[nummer] // mit der Variablen nummer kann ebenfalls adressiert werden Ein Array mit einer Dimension, wie das gezeigte, nennt man auch Vektor. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 25

26 Komplexe Variablen (2) Es lassen sich auch mehrdimensionale Felder erstellen und adressieren: unsigned char buchstabenfeld[5][5]; adr_x adr_x = 4; adr_y = 1; wert = buchstabenfeld[adr_x][adr_y); adr_y a b c d e f g h i V k A l m n o p q r s t u v C x Als Wert wird V gelesen. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 26

27 Komplexe Variablen (3) Solche Informationen lassen sich in Arrays z.b. Speichern Bildquelle: Wikipedia.de DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 27

28 Verzweigungen und Schleifen (1): IF-Verzweigung Wesentlich intelligentes Verhalten bekommen Programme durch Verzweigungen und Schleifen: if(bedingung) { Aktion A } else { Aktion B } Wenn Bedingung zutrifft, führe Aktion A aus, anderenfalls führe Aktion B aus n j DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 28

29 Verzweigungen und Schleifen (2): WHILE-Schleife while(bedingung) { Aktion C } Solange die Bedingung zutrifft führe Aktion A aus DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 29

30 Verzweigungen und Schleifen (3): FOR-Schleife for(startwert, Bedingung, Wertänderung) { Aktion L } Solange die Bedingung zutrifft, führe Aktion L aus. Startwert z.b einer Zählvariablen wird zu Beginn einmal gesetzt, während jedes Durchlaufs wird eine Werteänderung durchgeführt. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 30

31 Verzweigungen und Schleifen (4): SWITCH-Verzweigung switch(wert) { case(konstante1): Aktion U break; case(konstante2): Aktion V break; case(konstante3): Aktion W break; default: Aktion Z } Wenn Wert gleich der Konstante 1 ist, dann führe Aktion U aus, Wert gleich der Konstante 2 ist, dann führe Aktion V aus, Wert gleich der Konstante 3 ist, dann führe Aktion W aus. Ansonsten führe den Default-Fall Aktion Z aus. DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 31

32 Vergleichsoperationen Spaß an Technik: Software Diese Operationen ergeben den Wert TRUE oder 1 wenn für die Werte der Variablen die Aussage zutrifft: a > b a < b a >= b a <= b a ist größer als b a ist kleiner als b a ist größer oder gleich b a ist kleiner oder gleich b a == b a ist genau gleich b (*) a!= b a ist ungleich b (*) - nicht für FLOAT-Werte verwenden! - Typischer Fehler: von zwei Gleichheitszeichen wird gerne eines vergessen! DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 32

33 Logikoperationen für Bitmuster Wenn man mit Bitmustern arbeitet, dann gelten folgende Rechenoperationen. Sie entsprechen bitweise den Operationen die in der Hardware für Logikbausteine verwendet werden. c = ~a c = a & b c = a b c = a ^ b c = a << 3 c = a >> 5 c ist gleich NICHT a (NOT, Invertierung aller Bits) c ist gleich a UND b (AND, bitweise Verundung) c ist gleich a ODER b (OR, bitweise Veroderung) c ist gleich a EXOR b (bitweise Exklusive Veroderung) c ist gleich a um drei Bitstellen nach links verschoben c ist gleich a um fünf Bitstellen nach rechts verschoben DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 33

34 Logikoperationen für Bitmuster, Beispiele a a c NOT b a c EXOR b c a AND a c SHIFT LEFT 3 b c OR a c SHIFT RIGHT 5 DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 34

35 Logikoperationen Einzelbit-Signale Wenn man mit Einzelbit-Signale (Datentyp boolean) arbeitet, dann gelten folgende Rechenoperationen. Sie entsprechen den Operationen die in der Hardware für Logikbausteine verwendet werden. c =! b; c = a && b; c ist gleich dem negierten Wert von b (NOT) c ist gleich a UND b (AND) c = a b; c = a ODER b (OR) NOT OR AND a c a b c a b c DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze 35