Entwicklung und Bau eines elektronischen Steuermoduls zur Zeiterfassung

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1 Entwicklung und Bau eines elektronischen Steuermoduls zur Zeiterfassung Schriftliche Hausarbeit, vorgelegt im Rahmen der ersten Staatsprüfung für das Lehramt der Sekundarstufe 1 Von Lukas Leon Bott Matrikel Nr Herford, den 10. Mai Gutachter: Prof. Dr. Christian Hein Institut für Technik und ihre Didaktik Westfälische Wilhelms-Universität 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Ausgangslage Ingeniueurmangel Keine IT ohne IC Das Steuermodul Spielstanderfassung Blockschaltbild Signalverlauf Das Resetsignal Das Up / Down Signal Der Takt Signalverlaufsplan Zeiterfassung Blockschaltbild Signalverlauf Das Resetsignal Das ST / ND Signal - Preset a Setzen der Preset Eingänge der Zähler b Beladen der Dateneingänge P der Zähler c Resetvorgang des Toggle Flip Flop s Das Taktsignal a Die Taktgeberschaltung b Setzen des Taktsignals c Der Taktverteilerautomat c.a 45 min. und Spielhälfte c.b 90 min. und Spielhälfte c.c Takt für die Nachspielzeit c.d Takt für die reguläre Spielzeit d Kaskadierung Signalverlaufsplan Das Funktionsmodell Anwendung im Technikunterricht Unterrichtsmaterialien

3 7. Schlussbetrachtung Platinenlayout Platine reguläre Spielzeit Platine Nachspielzeit Platine Punktestand Platine Taktgebung und Taktverteilung Platine Tastenentprellung Anhang Quellenverzeichnis

4 1. Einleitung Meinen ersten, didaktisch aufbereiteten Kontakt mit technischen Inhalten hatte ich während einer Projektwoche in der achten Klasse. Thema dieser war das Herstellen einer Ente aus Holz. Sieben Jahre später, im Wintersemester 2003/2004, nahm ich mein Studium der Informatik an der Westfälischen Wilhelms- Universität in Münster auf. Schon in der ersten Vorlesungswoche erklang der weit verbreitete Satz: Liebe Studierende, schauen sie nach rechts, schauen sie nach links, diese Kommilitonen werden ihr Studium nicht beenden!. Wenige Semesterwochenstunden später fand man den Einstieg in die Formale Logik mit folgenden Beispielen: Hamburg ist die Hauptstadt Deutschlands oder Es regnet Hast du einen Regenschirm - Meine Kommilitonen sahen mich nicht wieder. Mit diesem reduzierten Umriss meines Lebenslaufs, der möglicherweise als Beispiel für eine ganze Generation steht, möchte ich zeigen, dass der Ingenieurmangel mutmaßlich nur eine logische Konsequenz dessen sein konnte. Das Kollektiv der Technikversteher wird immer kleiner und verstrickt sich zudem in lebensfernen didaktischen Modellen. Im Zuge dieser Examensarbeit wird ein Steuermodul zur Zeiterfassung, aber auch ein Unterrichtsmedium entstehen, das mit seiner äußeren Erscheinung lebenswirkliche Elektronikgeräte imitiert. Im Inneren jedoch birgt es ein didaktisches Funktionsmodell elektronischer Grundschaltungen. Dabei werden ausschließlich CMOS IC's der 4000er Reihe verwendet. Stoppuhren, die Anzeigetafel in der Turnhalle oder die Digitaluhr an der Fassade einer Apotheke, sind nur einige elektronische Geräte zur Zeiterfassung mit denen Schüler täglich mehrmals konfrontiert werden. Kaum einer von ihnen würde jedoch die inneren Vorgänge als aneigbar klassifizieren und bei einer unterrichtlichen Behandlung, schon im Vorhinein, resignieren. Kerngedanke dieser Examensarbeit ist es, sukzessive die Angst vor der immer 4

5 komplexer werdenden Struktur elektronischer Geräte in Neugierde umzuwandeln. Ganz im Sinne von Frau Prof. Dr. Elke Hartmann, Vorsitzende des VDI Bereichs Technik und Bildung:...Berufliche Chancen von Jugendlichen sind in hohem Maße abhängig vom Niveau ihrer erworbenen Bildung und von ihrer Aufgeschlossenheit allem Neuen und Fortschrittlichen gegenüber. Technik ist Sinnbild für Neues. Sie ist das Ergebnis kreativen Arbeitens von Technikern und Ingenieuren zur Befriedigung alltäglicher Bedürfnisse vieler Menschengenerationen. Technikwissen ist die Eintrittskarte dafür, dass man in der Gesellschaft verantwortungsbewusst die Zukunft mitgestalten kann Ausgangslage 2.1 Ingenieurmangel Glaubt man den Aussagen renommierter Wirtschaftswissenschaftler, so wird der Fachkräftemangel in den kommenden Jahren eskalieren. Bis zum Jahr 2014 sollen rund Ingenieure, Naturwissenschaftler und Techniker fehlen, so geht es aus der Studie des IW 2 hervor. Gelingt es nicht, diesen seit Jahren schon anhaltenden Trend zu stoppen, so lassen sich schon im Jahre Stellen nicht besetzen. Laut VDI/ZEW 3 erwarten 83% der befragten Unternehmen einen drastischen Mangel in den nächsten fünf bis zehn Jahren. Schuld daran ist das zu geringe Interesse an ingenieurwissenschaftlichen Studiengängen. Dieses wiederum führt zu einer äußerst geringen Bewerberanzahl, gaben zweidrittel der befragten Unternehmen an. 1 Mein Standpunkt zu Jugend und Technik: Prof. Dr. Elke Hartmann 2 Institut der Deutschen Wirtschaft 3 Verein Deutscher Ingenieure / Zentrum für europäische Wirtschaftsforschung 5

6 Abbildung 1 VDI Nachrichten - Ursachen für Ingenieurmangel Abbildung 2 VDI Nachrichten Zukunftserwartungen Dass in Deutschland nur etwa jeder fünfte eines Altersjahrgangs überhaupt ein Studium abschließt, verstärkt dieses Problem. Ausgehend von dieser schmalen Basis, erlangt nur jeder siebte Absolvent einen ingenieurwissenschaftlichen Abschluss. 6

7 Abbildung 3 IW Trends - Angebotsseitige Ursachen des Ingenieurmangels Dabei stehen, für einen angehenden Absolventen, die Chancen überdurchschnittlich gut. Schon im Jahr 2003 gaben 58% der von VDI und ZEW befragten Unternehmen an, Probleme bei der Besetzung von Ingenieurpositionen zu haben waren es im Maschinenbau und der Elektroindustrie schon circa 30%. Abbildung 4 IW Trends Ingenieurintensität nach Branchen Kaum ein Fach wird so beworben wie die Ingenieurwissenschaften. Es gibt zulassungsfreie Studiengänge, Stipendien, Aktionstage und Werbeaktionen. Die positiven Wirkungen dieser Bewerbungen lassen noch immer auf sich warten. - Es wird Zeit, die Thematik nun auch didaktisch zu bewerben. 7

8 2.2 Keine IT ohne IC Mit der Erfindung des Transistors am , ist der Beginn des Informations-zeitalters markiert. Der Transistor ermöglichte es, die problembehaftete Elektronenröhre zu ersetzen und machte den Weg für die Miniaturisierung frei. Sein geringes Gewicht, die geringe Größe und seine geringe Verlustleistungsaufnahme waren dabei ausschlaggebende Punkte gegenüber der Elektronenröhre. Doch je größer die Projekte der Elektronik wurden, umso größer wurden auch die neuen Probleme. Die Vielzahl der benötigten Bauteile musste von Hand auf Leiterplatten gelötet werden. Das war kostenaufwendig, fehlerträchtig und nahm eine Menge Zeit in Anspruch. Zudem waren die Geräte in den 1950 Jahren immer noch enorm groß. Die Lösung für dieses Problem sah Jack Kilby, in Halbleitermaterialien schrieb Kilby: Mir wurde klar, dass, weil alle Materialien aus demselben Material hergestellt werden können, sie auch alle in Situ gebaut und miteinander zu einem Schaltkreis verbunden werden können 4 Abbildung 5 Patentschrift von Bob Noyce der zeitgleich zu Jack Kilby ein IC entwarf Jahre Ic s Als die Chips geboren wurden. 8

9 1971 brachte Intel den 4004, den ersten Mikroprozessor, auf den Markt. Dieser vereinte 2300 Transistoren und hatte aus heutiger Sicht die Leistung eines Ein Euro Taschenrechners, aber auch die Leistung eines Eniacs von Dieser beanspruchte mit seinen Elektronenröhren eine Standfläche von 150 Quadratmetern und 150kW Heizleistung. Eine imposante Entwicklung, die heute als das Moore's Law bekannt ist. Demnach verdoppelt sich jedes Jahr die Anzahl der Transistoren auf einem Chip. Die Mikrochips von heute sind derart winzig, dass sie mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind. Ein Leben ohne sie ist jedoch nicht mehr denkbar. Kein Kraftfahrzeug, keine Waschmaschine, kein Handy, Laptop oder Computer kommt ohne Mikrochips aus. Nachdem nun in den Punkten 2.1 und 2.2 die Ausgangslage dargestellt wurde und somit auch die Relevanz des Themas deutlich geworden ist, möchte ich nun in den folgenden Punkten auf meinen Vorschlag eingehen, das Thema Digitaltechnik zu bewerben. Dabei werde ich zunächst die Funktion des Steuermoduls erläutern um dann, in den Punkten 4., 5., und 6., auf seinen Zweck als Unterrichtsmedium einzugehen. 9

10 3. Das Steuermodul Dieses Steuermodul verfügt über einen vergleichsweise großen Funktionsumfang, womit die lückenlose Zeit- und Ergebnissicherung eines Fußballspiels bequem möglich wird. Die bewusst einfach gehaltene Bedienung macht die Integration in den Schulsport, aber auch im ausserschulischen Sportbereich der Jugendlichen ohne Probleme möglich. In den sogleich folgenden Unterpunkten 3.1 und 3.2 wird das Steuermodul näher erläutert. Technische Daten: Display: Tastatur: Spannungsversorgung: Anschluss: Höhe: Breite: Länge: Gewicht: Gehäuse: 11 Stellen 8 Tasten 5 V DC Buchse, Hohlstecker 1,9mm 65 mm 300 mm 380 mm 1,5 kg Edelstahl, Plexiglas Funktionen: Zeitnahme: Spielstand: Reguläre Spielzeit: 2 Halbzeiten von 00:00 45:00 & 45:00 90:00 Nachspielzeit: von 00:00 09: je Mannschaft Tabelle 1 Übersicht über Daten und Funkionen des Steuermoduls Bei Abnahme und Weiterleitung des BCD Code an den Zählern würden damit auch immobile, große Zeiterfassungsgeräte steuerbar. Das hier vorliegende technische Gerät dient zum Einen der Zeiterfassung und zum Anderen der Punkte-, bzw. Torstandserfassung des Sportspiels Fußball. 10

11 3.1 Spielstanderfassung Der Punktestand wird mittels des Tasters + um einen Punkt heraufgesetzt und mittels des Tasters - um einen Punkt herabgesetzt. Die Ausgabe erfolgt über die Sieben-Segment-Anzeigen für den Punktestand. Mittels des Tasters Reset kann dieser Zähler zurückgesetzt werden. Da zwei Mannschaften gegeneinander spielen, gibt es eine Punktestanderfassung pro Mannschaft. 11

12 3.1.1 Blockschaltbild Abbildung 6 Blockschaltbild Spielstanderfassung 12

13 3.1.2 Signalverlauf Das Resetsignal Im Anschluss an die Entprellung des Reset Tasters T6, werden damit die Reset Eingänge der einer Zähler IC13, IC15, IC17 und IC19 belegt Das Up / Down Signal Die entprellten Signale + und - der Taster T4, T5, T7 und T8 werden an die R und S Eingänge der entsprechenden RS FF's 1 und 2 gelegt. Je nachdem, welche Taste ein HIGH Signal ausgibt, führt der Q Ausgang der RS FF's entweder HIGH oder LOW. Dieses Signal wird dann an die U/D Eingänge der Zähler IC13, IC15, IC17 und IC19 gelegt. Liegt an ihnen ein HIGH an, so ist die Zählrichtung der Zähler aufwärts. Liegt ein LOW an, so ist die Zählrichtung abwärts Der Takt Ganz gleich welche Taster betätigt werden, muss permanent ein Taktimpuls an die entsprechenden Zähler geführt werden. So werden die entprellten Impulse der Taster T4 und T5, wie auch die des T7 und T8 an die beiden Eingänge der entsprechenden XOR 7 und 8 Gatter geführt. Ob nun der - oder + Taster gedrückt wird, liegt am Ausgang dieser XOR Gatter jeweils ein High an. Um zu gewährleisten, dass der Taktimpuls später das Zähler IC erreicht, als das in Punkt ausgeführte Up Down Signal, werden die invertierenden Hex Schmitt Trigger HSI10 und HSI11 zwischen XOR Ausgang und Clock Eingang der Zähler IC13 und IC17 gelegt. Die Clock Eingänge der Zähler IC15 und IC16 werden durch den Ripple Clocking Modus kaskadiert. Verschaltet man die Zählerbausteine im Ripple Clocking Modus, so ist der Zählumfang automatisch auf 10 Zählimpulse beschränkt und gibt beim Zehnten einen Taktimpuls an den Clock und Carry In Eingang des Folgezählers. 13

14 3.1.3 Signalverlaufsplan Abbildung 7 Signalverlaufsplan der Spielstanderfassung 14

15 3.2 Zeiterfassung Die reguläre Spielzeit beim Fußball gliedert sich in zwei Spielhälften á 45 Minuten. Insgesamt werden regulär also 90 Minuten gespielt. Die erste Spielhälfte verläuft von 00:00 bis 45:00, die Zweite beginnt bei 45:00 und endet bei 90:00 Minuten. In jeder Spielhälfte wird die Zeit nachgespielt, die verloren geht, für Torjubel, Auswechslungen, Verletzungen von Spielern, Zeitschinden etc.. Dabei liegt es im Ermessen des Schiedsrichters, wie viel Zeit nachgespielt wird. Die reguläre Spielzeit bleibt demzufolge bei 45:00 min. (erste Halbzeit) bzw. 90:00 min. (zweite Halbzeit) stehen und eine weitere Stoppuhr erfasst die Dauer der Nachspielzeit. Das Spiel ist beendet, wenn der Schiedsrichter den entsprechenden Pfiff tätigt. Es steht dann die reguläre Spielzeit, plus die Nachspielzeit zu Buche. Abschließend sei gesagt, dass die in Spielhälfte 1 nachgespielte Zeit keinen Einfluss auf die Startzeit der zweiten Spielhälfte hat. Sie startet ganz gleich wie lange nachgespielt wurde, immer mit 45:00. Aus dieser Beschreibung, der Dauer eines Fußballspiels, ergibt sich auch die Funktion des dazugehörigen technischen Geräts zu deren Erfassung. Bei Betätigung des Tasters ST/ST 5 beginnt die Uhr bei 00:00 (erste Spielhäfte) wie bei 45:00 (zweite Spielhälfte) und wird mittels der Sieben-Segment-Anzeigen für die reguläre Spielzeit optisch ausgegeben. Bei Erreichen der 45:00 min (in Spielhälfte 1) und 90:00 min. (in Spielhälfte 2) verharrt die Stoppuhr für die reguläre Spielzeit in diesem Zustand, während die Stoppuhr für die Nachspielzeit die nun folgende Zeitspanne ab 00:00 erfasst und sie mittels der dazugehörigen Sieben-Segment-Anzeigen der Nachspielzeit optisch ausgibt. Die Einstellung der Startzeit auf 00:00 und 45:00 erfolgt durch den Taster ST / ND 6. Ertönt der Halbzeit- bzw. Schlusspfiff, wird die Uhr durch wiederholtes Betätigen des Tasters ST/ST zum Stillstand gebracht und die endgültige Spielzeit kann den beiden Anzeigen entnommen werden. Der Reset Taster setzt alle Uhren auf 00:00. 5 Start / Stopp 6 Als Abkürzung für die englische Bezeichnung first und second half 15

16 3.2.1 Blockschaltbild Abbildung 8 Blockschaltbild der Zeiterfassung 16

17 3.2.2 Signalverlauf Das Resetsignal Nachdem das Signal des Reset Tasters T3 entprellt wurde, werden damit die Reset Eingänge der Einer Zähler IC1, IC4, IC6, IC7 und IC10 belegt. Die Zehner Zähler IC3 und IC9 müssen jedoch auch beim sechsten Zählimpuls zurückgesetzt werden. Dieser Anforderung wird Folge geleistet, in dem die Ausgänge Q3 und Q2 (BCD Code 0110 Dezimalzahl 6) eines Zehner Zählers in den jeweiligen AND 1,2, und 4 Gatter verundet werden. Führen beide einen High Pegel, resultiert am Ausgang solch eines AND Gatters, ebenfalls ein High Pegel, der dem ersten Eingang des darauffolgenden XOR 1,2 oder 3 Gatters zugeführt wird. Der zweite Eingang dieser XOR Gatter wird mit dem zu Anfang beschriebenen Signal des Tasters T3 belegt. Beide Signale werden dort verexclusive odert und dann den Reset Eingängen der Zähler IC3 und IC9 zugeführt. Diese werden also bei Betätigen des Reset Tasters T3, wie auch bei Erreichen des Zustands Q3 = Q2 = High, zurückgesetzt Das ST / ND Signal - Preset a Setzen der Preset Eingänge der Zähler Das entprellte Signal des ST / ND Tasters T1 wird den Preset Eingängen des Zählers IC4 und IC6 zugeführt. Liegt an dem Preset Eingang eines Zählers ein High Pegel an, so werden die Eingangszustände an P1 P4 an die Ausgänge Q1 Q4 übertragen b Beladen der Dateneingänge P der Zähler Das entprellte Signal des T1 wird zudem dem Clock Eingang des Toggle Flip Flops TFF1 zugeführt. Bei Tastendruck des ST / ND Tasters T1 wird das TFF 1 gesetzt bzw. zurückgesetzt. Das gesetzte Signal des T FF's1 wird an die P1 und P3 17

18 Eingänge des Zählers IC4 und an den P3 Eingang des Zählers IC6 geführt. Die übrigen P Eingänge der Zähler IC4 und IC6 werden an Masse gelegt. Bei gesetztem TFF1 und gleichzeitigem Highpegel des T1 Signals, wird der Zähler IC4 mit P1=1, P2=0, P3=1und P4=0 (BCD Code 0101 = Dezimalzahl Fünf) und der Zähler IC6 mit P1=0, P2=0, P3=1 und P4=0 (BCD Code 0100 = Dezimalzahl Vier) beladen. Ist das Flip Flop nicht gesetzt, werden bei Druck auf den T1 alle P Eingänge der beiden Zähler mit 0 beladen und somit alle Ausgänge Q auf 0 gesetzt c Resetvorgang des Toggle Flip Flop's 1 Wenn das TFF1 gesetzt ist und der Reset Taster T3 betätigt wird, werden die Zähler zurückgesetzt. Das TFF1 jedoch bleibt weiterhin gesetzt. Bei jetziger Betätigung des ST / ND Tasters T1 würden die Zähler wieder auf Null gesetzt werden. Da nach dem Resetvorgang die Zähler aber schon zurückgesetzt sind, geschieht bei einem Tastendruck des T1 nicht das Mindeste. Um diesen möglichen Fall zu umgehen, muss das TFF1 bei jedem Resetvorgang ebenfalls zurückgesetzt werden. So wird das Signal des T3 an den Eingang des AND9 Gatters gelegt. Der andere Eingang dieses AND Gatters wird mit dem Ausgangssignal des TFF's1 belegt. Das Ausgangssignal wird dann im XOR4 Gatter mit dem des T1 verexclusive odert. Das daraus resultierende Signal setzt das TFF1 endgültig Das Taktsignal a Die Taktgeberschaltung Den Ursprung des Taktsignals bildet die 1Hz Taktgeberschaltung. Entsprechend verschaltet, besitzt der verwendete Quarz eine Frequenz von 4,19430MHz. Am Q22 des Frequenzteilers IC12 ist diese Frequenz durch 2²² geteilt abnehmbar. 4,19430MHz / 2²² ergibt einen Takt von genau 1Hz, der dann an einem Eingang des AND13 Gatters angelegt wird. 18

19 b Setzen des Taktsignals Das entprellte ST / ST Signal des T2 wird dem T FF2 zugeführt. Der Ausgang dieses wird zusammen mit dem 1Hz Takt aus IC12 im AND13 Gatter verundet. Ist das T FF2 gesetzt, so wird der Takt am Ausgang des AND13 Gatters an den Taktverteilerautomat weitergeleitet c Der Taktverteilerautomat Der Taktverteiler Automat ist eine Verschaltung aus verschiedenen Logikgattern, die je nach derzeitigem Stand der Zähler und des TFF's1, den Takt entweder an den Clock Eingang des Zählers IC1 der regulären Spielzeit oder in dem Anderen der zwei möglichen Fälle an den Clock Eingang des Zählers IC7 der Nachspielzeit weiterleitet c.a 45 min. und Spielhälfte 1 Zu Beginn wird am Zähler IC6 der Ausgang Q3 abgenommen und auf den ersten Eingang des AND6 Gatters geführt. Am Zähler IC4 werden die Q Ausgänge 1 und 3 auf das AND5 Gatter gelegt. Dieses Gatter führt nur dann ein High am Ausgang, wenn der Zählerstand am IC4 Fünf beträgt. Dieser wird dann auf den zweiten Eingang des AND6 Gatters gelegt. Wenn der Zählerstand am IC4 Fünf und am IC6 Vier ergibt, führt der Ausgang des AND6 Gatters ein High Pegel. Dieses Signal wird mit dem in NAND12 Gatter negiertem Signal des TFF's1 auf die beiden Eingänge des AND8 Gatters gelegt. Der Ausgang von AND8 Gatter führt also nur dann einen High Pegel, wenn die Zustände; Ausgang von TFF1 = LOW und Zählerstand Vier am IC6 wie Zählerstand Fünf am IC4 eingetroffen sind c.b 90 min. und Spielhälfte 2 Weiterhin werden am Zähler IC6 die Ausgänge Q4 und Q3 abgenommen und auf die Eingänge des AND3 Gatters geführt. Der Ausgang dieses Gatters führt nur ein 19

20 HIGH, wenn sich der Zählerstand des IC6 bei Neun befindet. Dieses Ausgangssignal wird auf den ersten Eingang des AND7 Gatters gelegt. Der zweite Eingang des AND7 Gatters wird mit dem Ausgangssignal von TFF1 belegt. AND7 Gatter führt dementsprechend nur ein HIGH, wenn die Voraussetzungen Zählerstand Neun am IC6 und Ausgang TFF1 = HIGH vorherrschen c.c Takt für die Nachspielzeit Die eben beschriebenen Ausgangssignale von AND8 Gatter und AND7 Gatter werden im XOR4 Gatter verexclusive odert. XOR4 Gatter führt folglich nur dann einen High Pegel, wenn eine der eben beschriebenen Voraussetzungen eingetroffen ist. Ist dies der Fall, muss das 1Hz Taktsignal an den Clock Eingang des Zählers IC7 der Nachspielzeit geführt werden. Hierzu wird der Ausgang des XOR4 Gatters, zusammen mit dem gesetzten Takt von TFF2 im AND11 Gatter verundet. Am Ausgang des AND11 Gatters resultiert nun der Takt für den Zähler IC7 der Nachspielzeit und wird direkt mit seinem Clock Eingang verknüpft c.d Takt für die reguläre Spielzeit In allen anderen Fällen, also beim Zustand Ausgang XOR4 Gatter = LOW, muss der Clock Eingang des Zählers IC1 der regulären Spielzeit mit dem 1Hz Takt versorgt werden. Demzufolge wird das Ausgangssignal des XOR4 Gatters in NAND10 Gatter negiert und mit dem gesetzten Takt im AND9 Gatter verundet. Am Ausgang des AND9 Gatters resultiert nun der Takt für den Zähler IC1 der regulären Spielzeit und wird direkt mit seinem Clock Eingang verknüpft d Kaskadierung Bisher wurde nur der Takt, der jeweils ersten Zähler, sprich Sekunden einer Zähler besprochen. Die darauf folgenden Zähler erhalten ihren Takt durch entsprechende Kaskadierung im schon behandelten Ripple Clocking Modus. 20

21 Abbildung 9 Cascading Counter Packages CMOS IC HEF4510BE Im Konkreten wird das Carry Out Signal der Zähler IC1 und IC7 an die Carry In sowie Clock Eingänge der Zähler IC3, IC6 und IC9 gelegt. Der Zählumfang von IC3 und IC9 hingegen, ist aber auf 6 Zählimpulse beschränkt. Beim sechsten Zählimpuls sollen sie zurückgesetzt werden und einen Taktimpuls an die Clock und Carry In Eingänge der folgenden Zähler IC4 und IC10 geben. Der Rücksetzvorgang wurde bereits unter dem Punkt Das Resetsignal erläutert. Das dort resultierende Resetsignal am Ausgang von AND 1 und 4 Gatter dient auch als Taktimpuls für die Zähler IC4 und IC10. 21

22 3.2.3 Signalverlaufsplan Abbildung 10 Signalverlaufsplan der Zeiterfassung 22

23 4. Das Funktionsmodell Das Funktionsmodell im Inneren des Steuermoduls ist in 5 Platinen unterteilt, an denen Funktionen verschiedener Grundschaltungen erforscht und behandelt werden können. Platinen 3, 4 und 5 behandeln sequentielle Schaltungen, sind aber im Aufbau verschieden, da zum Einen der Zählumfang je verschieden ist und zum Anderen der Takt kontinuierlich, wie auch diskontinuierlich eingegeben wird. Somit sind zwei verschiedene Anwendungen eines Zählers zu demonstrieren. Die in Abb.7 gestrichelt eingekreisten Blöcke stellen jeweils eine Platine dar. Wobei Takterzeugung und Takteingabe auf einer Platine untergebracht worden sind. Abbildung 11 Struktur des Funktionsmodells 23

24 Im Folgenden sind die Einsatzbereiche des Funktionsmodells tabellarisch dargestellt. Platine 1: Takterzeugung und Taktverteilung Schaltung 1Hz Taktgeberschaltung Taktverteilung Bereich Analogtechnik / Taktgeneratoren Digitaltechnik / Kombinatorische Schaltungen Platine 2: Dateneingabe Schaltung Bereich Entprellschaltung Analogtechnik / Digitaltechnik / Wandlung Platine 3,4,5: Signalverarbeitung und Ausgabe Schaltung Binärzähler / Decoder Bereich Digitaltechnik / Sequentielle Schaltungen Tabelle 2 Übersicht über die Einsatzgebiete des Funktionsmodells 5. Anwendung im Technikunterricht Das bisher vorgestellte Steuermodul, sowie Funktionsmodell, möchte im Technikunterricht als Unterrichtsmedium eingesetzt werden. Originäres Ziel dieses Unterrichtsmediums, welches äußerlich handelsübliche Geräte imitiert, ist es den Einstieg in das jeweilige Themengebiet zu erleichtern und währenddessen Ängste sukzessive abzubauen. Das Funktionsmodell im Inneren erlaubt dann aber auch eine nähere, theoretische Aufarbeitung digitaltechnischer Sachverhalte. Das Novum dieses Geräts ist die Möglichkeit der Anwendung der Produktanalyse als Unterrichtsmethode, die sonst bei handelsüblichen Geräten aufgrund der Miniaturisierung und Komplexität der Geräte eher vermieden wird. 24

25 Die Produktanalyse kommt als Unterrichtsverfahren zum Einsatz, wenn vorgegebene Realobjekte oder Produktionsprozesse den Schülern und Schülerinnen durchschaubar gemacht werden sollen. Hierbei stehen Re und Demontage im Mittelpunkt unterrichtlicher Tätigkeiten, d.h. es wird mit Werkzeugen und Werkstücken der technischen Wirklichkeit gearbeitet. Durch Zerlegen, Ordnen und Gruppieren von Funktionsteilen lernen Schüler nicht nur das technische Objekt zu durchschauen 7 Um Schülern und Schülerinnen methodisch die Angst vor dieser Komplexität zu nehmen, sei die Black Box Methode angeboten. Zu Anfang werden dabei nur die Ein und Ausgangsgrößen betrachtet, während die innere Struktur unbeachtet bleibt. Erst wenn man sich über die äußere Struktur einen Überblick verschafft hat, wird die innere Struktur betrachtet und dabei stufenweise aufgelöst. Das Funktionsmodell mit seinen fünf Leiterplatten, die je ein anderes Subsystem eines Geräts zur Zeiterfassung beinhalten, ist wie bereits beschrieben so konzipiert, dass es diese Vorgehensweise unterstützt. Die curriculare Legitimierung erfährt der praktische Unterricht durch den Themenkreis 5 Information und Kommunikation, mit seinen Themen Nachrichtenübertragung, Aufnahme von Informationen durch Sensoren, Speicherung von Informationen / Daten, sowie Verarbeitung von Informationen / Daten aus den Richtlinien der Sekundarstufe 1 für die Realschule in NRW. In den Richtlinien der übrigen Schulformen lassen sich unter dem Bereich Information und Kommunikation ebenfalls ähnliche Teilbereiche finden, in denen der Einsatz des Unterrichtsmediums legitimiert wird. Beispielgebend für die vielen Versuche, die sich aus diesem Modell generieren lassen, soll hier nur auf eine Möglichkeit eingegangen werden die innere Struktur stufenweise aufzulösen. Im ersten Schritt wird das Gerät als Solches untersucht. Es befindet sich dabei in geschlossenem Zustand und wäre austauschbar mit jeder Stoppuhr oder ähnlichen handelsüblichen Geräten. Die Schüler sollen vorerst einen aktivierenden Einstieg 7 MSWWF Hauptschule, 1989, S.66 25

26 finden und dabei als Vorbereitungsmaßnahme für die folgenden Schritte das Gesamtsystem analysieren. Im zweiten Schritt wird das Gerät geöffnet und das für diesen Schritt notwendige Subsystem selektiert und näher betrachtet. In der logischen Reihenfolge der Aufarbeitung der inneren Struktur, steht kurz nach dem Tastendruck die Behandlung der Signalerzeugung, bevor im letzten Schritt die Signalverarbeitung am Beispiel des enthaltenen Flip Flops zum Gegenstand wird. In Anlehnung an das Konzept Technik für dich von Cornelsen sind im Folgenden Arbeits- und Lösungsblätter zur praktischen Umsetzung der Versuche im Unterricht aufgeführt. 26

27 6. Unterrichtsmaterialien Arbeitsblatt 1 Aufgabe 1 a.) Betrachte das Gerät als Black Box und notiere Input und Output Input Black Box Output b.) Kennst du Geräte aus deinem Alltag, die dieselbe Funktion erfüllen? Notiere sie und erkläre so weit wie möglich ihre Funktion: 27

28 Aufgabe 2 Nun wollen wir das Gerät öffnen und nach schauen, was das Drücken eines Tasters elektronisch für Auswirkungen hat. In diesem Schritt ist es deine Aufgabe die Signalspannung zu messen. Die Spannung wird zwischen dem jeweiligen Beinchen und dem Minuspol gemessen. Dein Spannungsmesser wird dabei wie folgt angeschlossen: Den COM Anschluss legst du an das Minuspol-Beinchen und den V Anschluss klemmst du an das Signalbeinchen. a.) Halte deine Ergebnisse in dieser Tabelle fest! Taster - Gedrückt Taster - nicht Gedrückt = Signal 1 in V Taster + Gedrückt Taster + nicht Gedrückt = Signal 2 in V b.) Kreuze das entsprechende an: Taster gedrückt entspricht dabei in der Ausdrucksweise der Digitalelektronik einem:... in der Sprache der Formalen Logik einer: high 0 1 low Taster nicht gedrückt entspricht dabei in der Ausdrucksweise der Digitalelektronik einem:... in der Sprache der Formalen Logik einer: high 0 1 low 28

29 Lösungsblatt 1 Aufgabe 1 a.) Betrachte das Gerät als Black Box und notiere Input und Output Input Black Box Output 1) Beim drücken des Tasters + 2) Beim drücken des Tasters ) Springt der Punktestand einen höher 2) Springt der Punktestand einen tiefer b.) Kennst du Geräte aus deinem Alltag, die dieselbe Funktion erfüllen? Notiere sie und erkläre so weit wie möglich ihre Funktion: Stadionanzeige, Stoppuhr, Anzeige beim Arbeitsamt,... 29

30 Aufgabe 2 Nun wollen wir das Gerät öffnen und nach schauen, was das Drücken eines Tasters elektronisch für Auswirkungen hat. In diesem Schritt ist es deine Aufgabe die Signalspannung zu messen. Die Spannung wird zwischen dem jeweiligen Beinchen und dem Minuspol gemessen. Dein Spannungsmesser wird dabei wie folgt angeschlossen: Den COM Anschluss legst du an das Minuspol-Beinchen und den V Anschluss klemmst du an das Signalbeinchen. a.) Halte deine Ergebnisse in dieser Tabelle fest! Taster - Gedrückt Taster - nicht Gedrückt = Signal 1 in V Taster + Gedrückt Taster + nicht Gedrückt = Signal 2 in V 4,94 V 4,94 V 0,00 V 0,00 V b.) Kreuze das entsprechende an: Taster gedrückt entspricht dabei in der Ausdrucksweise der Digitalelektronik einem:... in der Sprache der Formalen Logik einer: high 0 1 low Taster nicht gedrückt entspricht dabei in der Ausdrucksweise der Digitalelektronik einem:... in der Sprache der Formalen Logik einer: high 0 1 low Hinweis: Wann immer du also einen Taster eines elektronischen Geräts drückst, sei es nun die Mikrowelle, die Fernbedienung deines Fernsehers oder deine PC Tastatur, auch dort wirst du diese Beobachtungen wiederfinden. Du kommunizierst in der Sprache eines elektronischen Geräts in der Sprache der Nullen und Einsen. 30

31 Arbeitsblatt 2 Aufgabe 1 In diesem Versuch möchten wir anhand unseres Tastersignals nun herausfinden wie solche Signale in elektronischen Geräten verarbeitet werden können. Im IC Baustein CD4043B werden die Signale des Tasters + und - das erste Mal verarbeitet. Erzeuge entsprechend der Tabelle folgende Signalkombination. Notiere in jedem Zustand die Spannungsverhältnisse von Signal 3. Taster - Taster + Signal 3 in V Welchen Unterschied entdeckst du zu den Beobachtungen im letzten Versuch? 31

32 Lösungsblatt 2 Aufgabe 1 In diesem Versuch möchten wir anhand unseres Tastersignals nun herausfinden wie solche Signale in elektronischen Geräten verarbeitet werden können. Im IC Baustein CD4043B werden die Signale des Tasters + und - das erste Mal verarbeitet. Erzeuge entsprechend der Tabelle folgende Signalkombination. Notiere in jedem Zustand die Spannungsverhältnisse von Signal 3. Taster - Taster + Signal 3 in V 0 0 0,00 V 0 1 4,94 V 0 0 4,94 V 1 0 0,00 V 0 0 0,00 V 0 1 4,94 V Welchen Unterschied entdeckst du zu den Beobachtungen im letzten Versuch? Nach dem Loslassen des Tasters + bleibt das Signal von 4,94 V trotzdem erhalten. Nach dem Loslassen des Tasters + im ersten Versuch ist auch die Spannung auf 0,00 V gesunken. Beim Drücken des Tasters - hingegen konnte die Spannung von 4,94 V wieder auf den Wert von 0,00 V gesenkt werden. Hinweis Mit diesem Versuch hast du gerade die Funktion eines der wichtigsten Bauteile der Digitaltechnik kennen gelernt. Das Flip Flop! Flip Flop heißt Wippe und wie du bereits erfahren hast, heißt es nicht nur so, es verhält sich auch so. Es kippt von einem Zustand in den Anderen. In diesem Gerät dient das Flip Flop dazu, dem Zähler die Zählrichtung anzugeben. Liegt am UP / DOWN Eingang dieses Zählers ein High, sprich 4,94 V so zählt es bei jedem an ihm ankommenden Signal aufwärts, liegt hingegen ein Low an zählt es abwärts. Nicht nur in diesem Gerät werden Flip Flops verbaut. Wo sie sich überall wiederfinden, erfährst im theoretischen Teil dieses Themenbereichs! 32

33 7. Schlussbetrachtung Maßgeblich für die Idee zu dieser Ausarbeitung, war das Bedürfnis, Digitaltechnik leichter zugänglich und ausgehend von der Lebenswirklichkeit zu gestalten. Dazu ist ein Vorgehen von Außen nach Innen 8 notwendig. Laborkarten, denen man sich heutzutage gerne bedient, stellen Zusammenhänge bereits wissenschaftsorieniert dar. Was mit Wissenschafts- und Lebensweltorienientierung im Technikunterricht aber gemeint ist, ist die Notwendigkeit der Beachtung der Bereiche Freizeit, Hobby, Haushalt, Schule und Familie, in denen sich Schüler und Schülerinnen zumeist bewegen. Bevor man dann im nächsten Schritt das vorrangige Ziel des Technikunterrichts, die Schüler näher an eine wissenschaftliche Sichtweise der Dinge heranzuführen, verfolgt. Womöglich wird dann erst die Entwicklung von Fertigkeiten, Fachwissen, vor allem aber Neugierde und Interesse für wissenschaftliche Sachverhalte auf breiter Basis gelingen. Versuche zur Lebensweltorientierung im Themenbereich Digitaltechnik hatten bisher auch solch einen Charakter: Schwimmen ist gesund, Radfahren auch. Tabak dagegen schadet der Gesundheit und der Alkohol ebenfalls. Diesen Zusammenhang soll nun eine IC Logik anzeigen. Wie musst du die Logischen Grundgatter anordnen, damit die LED am Ausgang nur bei wirklich gesunden Entscheidungen aufleuchtet 9 Nun, gesetzt den Fall, jemand durchdringt das Verhalten der Logikgatter anhand solch einer Vermittlung, was wird er davon für die Begegnung mit anderen elektronischen Geräten mitnehmen? - Es gibt keinen Rechner und keine Schaltung, die diesen Algorithmus durchlaufen. Um nun noch einmal auf die zuvor aufgeführten Laborkarten Bezug zu nehmen, so ist der Anteil derer, die mit Leiterplatinen Erfahrungen haben, schwindend gering. Das äußerliche Erscheinungsbild und das hartnäckige Gerücht, Digitaltechnik oder aber auch Elektronik sei nicht zu verstehen, bewegt den übrigen Anteil, schon im Vorhinein zur Resignation und somit zum Desinteresse 8 Vom äußerlichen Produkt in seine innere Auskleidung 9 Aus Heepmann, B., 1998, S

34 an einem solch wichtigen Themengebiet. Das im Zuge dieser Hausarbeit entstandene Steuermodul bzw. Unterrichtsmedium, legt bei der Vermittlung zwischen Unterricht und externer Wirklichkeit den Fokus auch auf Zweiteres und soll somit die Wechselwirkung zwischen Schüler, Lehrer und Lerngegenstand beschleunigen. Sollte das Steuermodul, so wie angedacht, im schulischen Sportbereich eingeführt und eingesetzt werden, so wird es von Schülerinnen und Schülern als ein handelsübliches Gerät eingestuft werden. Zu gegebener Zeit werden sie dann die Möglichkeit erhalten, daran die ersten Versuche zur Digitaltechnik zu machen. Ohne den Blick auf die angsteinflößenden Leiterplatten fürchten zu müssen und somit behutsam an den Lerngegenstand herangeführt zu werden. Hat sich ein Lernerfolg eingestellt, so kann das Wissen erst auf das vorliegende Gerät und somit im Folgenden auch auf weitere, den Schülern und Schülerinnen bekannte Geräte aus dem Alltag bezogen werden. Selbstverständlich mit dem Hinweis, dass sich im Zuge der Miniaturisierung äußerliche Ausmaße verändert haben, die Funktion darin, aber dieselbe ist. Das Wissen ist nun nicht mehr zusammenhanglos und hilft dem von Technik betroffenen, sich weiteren Herausforderungen zu stellen und Neugierde zu entwickeln. Bei allem Bemühen, muss abschließend ebenfalls erwähnt werden, dass es sich hierbei um einen Prototyp handelt, der mit einfachen Mitteln, sowie in kurzer Zeit hergestellt wurde. In der Imitation handelsüblicher Geräte, wie auch in der Strukturierung der Subsysteme, liegen sicherlich Optimierungsmöglichkeiten. Auch sind die didaktischen Ausführungen eher schemenhaft gehalten worden, verdeutlichen aber welchen Sinn und Zweck das Steuermodul im praktischen Einsatz erfüllen soll. Tiefergehende Informationen zu einer möglichen didaktischen Aufbereitung lassen sich in der Literatur beispielsweise unter den Stichpunkten: Anknüpfen an Schülervorstellungen, Das Bilden von Wissensnetzen oder Das rekonstruktive Lernen finden. Ob nun die gewünschte Zielstellung im praktischen Umgang erreicht wird, ist schwer abschätzbar und kann erst nach repräsentativem Erproben im Klassenraum endgültig verifiziert werden. 34

35 8. Platinenlayout (In der Reihenfolge: Untere Seite, Obere Seite und Beidseitig) 8.1 Platine reguläre Spielzeit 35

36 8.2 Platine Nachspielzeit 36

37 8.3 Platine Punktestand 37

38 8.4 Platine Taktgebung und Taktverteilung 38

39 8.5 Platine Tastenentprellung 39

40 9. Abbildungsverzeichnis Nr. und Titel Quelle Seite Abbildung 1 VDI Nachrichten - Ursachen für Ingenieurmangel Abbildung 2 VDI Nachrichten Zukunftserwartungen Abbildung 3 IW Trends - Angebotsseitige Ursachen des Ingenieurmangels Abbildung 4 IW Trends Ingenieurintensität nach Branchen Abbildung 5 Patentschrift von Bob Noyce der zeitgleich zu Jack Kilby ein IC entwarf. Abbildung 6 Blockschaltbild Spielstanderfassung Abbildung 7 Signalverlaufsplan der Spielstanderfassung Abbildung 8 Blockschaltbild der Zeiterfassung Abbildung 9 Cascading Counter Packages CMOS IC HEF4510BE ftp://ftp.zew.de/pub/zewdocs/gutachten/vdistudie.pdf Seite 11 ftp://ftp.zew.de/pub/zewdocs/gutachten/vdistudie.pdf Seite 14 Seite 11 Seite 5 ets/images/400x400/1959_2_2.jpg Stand April Abbildung 10 Signalverlaufsplan der Zeiterfassung Abbildung 11 Struktur des Funktionsmodells Tabellenverzeichnis Nr. und Titel Quelle Seite Tabelle 1 Übersicht über Daten und Funkionen des Steuermoduls Tabelle 2 Übersicht über die Einsatzgebiete des Funktionsmodells

41 10. Quellenverzeichnis 10.1 Literatur 1.) Heepmann, Bernd: Technik für dich, Digitale IC s entscheiden speichern rechnen. 74 Versuche zum Einstieg in die Computer-Technik. 1 Auflage. Berlin Cornelsen ) MSWWF: Sekundarstufe I Gesamtschule. Richtlinien und Lehrpläne. Arbeitslehre. 1. Auflage. Düsseldorf Ritterbach ) MSWWF: Sekundarstufe I Realschule. Richtlinien und Lehrpläne. Technik. 1. Auflage. Düsseldorf Ritterbach ) MSWWF: Sekundarstufe I Hauptschule. Richtlinien und Lehrpläne. Arbeitslehre. 1. Auflage. Düsseldorf Ritterbach Internetquellen 1.) Pering, Oliver: 1 Hz Quarz-Taktgeber URL.: Stand April ) Schwarz, Andreas: Schmitt Trigger URL.: Stand April ) VDI Nachrichten: Fachkräftemangel bei Ingenieuren Aktuelle Situation und Perspektiven, 2004 URL.: ftp://ftp.zew.de/pub/zewdocs/gutachten/vdistudiepdf 4.) Koppel, Oliver: Ingenieurmangel in Deutschland Ausmaß und gesamtwirtschaftliche Konsequenzen. In: IW Trends,

42 URL.: 5.) Kremp, Matthias: 50 Jahre Ic s Als die Chips geboren wurden. In: Spiegel.de Netzwelt, 2008 URL.: Stand April ) Vollmer, Alfred: Transistor und IC historisch betrachtet. In: Elektronik Industrie, 07,2009 URL.: 7.) Datenblatt zum 74HC14B1 URL.: M74HC14B1R.html Stand April ) Datenblatt zum 74HC4511N URL.: Stand April ) Datenblatt zum CD4043BE URL.: Stand April ) Datenblatt zum HEF4070B URL.: Stand April ) Datenblatt zum HEF4027B URL.: Stand April ) Datenblatt zum HEF4081B URL.: Stand April ) Datenblatt zum MC14521B 42

43 URL.: Stand April ) Datenblatt zum TC4011BP URL.: Stand April ) Datenblatt zur SC08-11EWA URL.: Stand April ) Datenblatt zur SC10-21EWA URL.: Stand April ) Datenblatt zur SC39-11EWA URL.: Stand April