Physical Computing Einführung mit Arduino und Scratch

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1 Physical Computing Einführung mit Arduino und Scratch MINT Labortage 2018 Donnerstag, 13. September 2018 Hochschule Fulda, Fachbereich Angewandte Informatik Rabanus-Maurus-Schule Fulda, Klasse 7 Peter Klingebiel, HS Fulda, Fachbereich AI

2 Ablauf des Labortages 1 Wer sind wir? Peter Klingebiel, Dipl.-Ing. Maschinenbau 21 Jahre Leiter DVZ der Hochschule Fulda, heute: Dozent im Fachbereich AI Vanessa Günzel, Studierende der Informatik Physical Computing - Peter Klingebiel September

3 Ablauf des Labortages 2 Wer seid Ihr? Interesse an Physik und Informatik? Kenntnisse in Physik und Informatik? Kenntnisse in Programmieren???? Thema: Physical Computing Was ist das? Was versteht Ihr darunter? Physical Computing - Peter Klingebiel September

4 Ablauf des Labortages 3 Was wollen wir heute machen? Was ist Physical Computing? Wie funktionieren Computer? Was sind Programme? Grundlagen der Programmierung einfache Beispiele von Scratch-Programmen Experimente und praktische Übungen mit Arduino und Scratch Physical Computing - Peter Klingebiel September

5 Physical Computing 1 Wikipedia sagt: Physical Computing bedeutet im weitesten Sinne, interaktive, physische Systeme durch die Verwendung von Hardware und Software zu erstellen. Physical Computing - Peter Klingebiel September

6 Physical Computing 2 Uni Bamberg: Physical Computing sind Anwendungen der Informatik (computing) in direkter Interaktion mit der physikalischen Umwelt. Es werden Systeme betrachtet, die ihre eigene Umgebung durch Sensoren erfassen und so auf den jeweiligen Systemkontext angepasst agieren. Anwendungsgebiete von Physical Computing sind interaktive Systeme, mobile Systeme, autonome Roboter oder Smart Environments. Physical Computing - Peter Klingebiel September

7 Physical Computing 3 Systeme des Physical Computing bestehen aus: Computern, meistens spezielle Mikrokontroller, die viele Ein- und Ausgänge zum Anschluß von Sensoren und Aktoren bieten Sensoren, mit denen die Umwelt erfasst wird, z.b. Temperatur-, Luftfeuchte-, Helligkeits-, Abstands-Sensoren u.v.a.m. Aktoren, mit denen auf die Umgebung eingewirkt werden kann, z.b. Schalter, Motoren u.v.a.m. Programme, mit denen die Aufgabenstellung kodiert ist und die im μc ablaufen Physical Computing - Peter Klingebiel September

8 Wie funktionieren Computer? 1 Physical Computing - Peter Klingebiel September

9 Wie funktionieren Computer? 2 Physical Computing - Peter Klingebiel September

10 Wie funktionieren Computer? 3 Physical Computing - Peter Klingebiel September

11 Wie funktionieren Computer? 4 Physical Computing - Peter Klingebiel September

12 Wie funktionieren Computer? 5 Physical Computing - Peter Klingebiel September

13 Wie funktionieren Computer? 6 Computer? Mikroprozessoren (CPU), -Kontroller (μc) Ein- und Ausgabe-Schnittstellen, -geräte Speicher und und und Hardware ( Blech ) Computer funktionieren nur mit Programmen! Software Physical Computing - Peter Klingebiel September

14 Was sind Programme? 1 Computer funktionieren nur mit Programmen / Software Programme beschreiben was ein Computer tun soll (Aufgabe, Problem) wie ein Computer seinen Job erledigen soll (Ablauf) Programme gibt es für allgemeine Aufgaben (z.b. Windows) spezielle Aufgaben (z.b. Physical Computing) Physical Computing - Peter Klingebiel September

15 Arduino 2 Vielzahl an Boards, auch für Sonderbereiche Vielzahl an Herstellern von Boards und Komponenten Vielzahl an sog. Shields, z.b. Ethernet, WiFi, Sensoren, Vielzahl an Komponenten wie LEDs, Sensoren, Aktoren, Motoren, Vielzahl an Einsatzfeldern, z.b. Robotics, Internet of Things, Hausautomatisierung, Wearables, viele Anleitungen in Literatur und Internet, z.b. Physical Computing - Peter Klingebiel September

16 Arduino 2 Wikipedia: Arduino (zwischenzeitlich auch Genuino) Open Source Hardware- und Software-Plattform entwickelt von Massimo Banzi und David Cuartielles auch für künstlerischen Einsatz von IT-Komponenten benamst nach Arduin von Ivrea, der italienischer König war Programmierung in C und C++ in einer eigenen Processing-basierten IDE Homepage: Physical Computing - Peter Klingebiel September

17 Arduino UNO 1 Reset- Schalter GND Masse Digitale Ein-/Ausgänge Pin 2 bis Pin 13 Serielle Pins In und Out USB- Anschluß Externe Stromversorgung CPU: Atmel ATmega328 Mikrocontroller 3.3V 5V GND Analoge Eingänge Pin A0 bis Pin A5 Physical Computing - Peter Klingebiel September

18 Arduino Nano 1 CPU Atmel ATmega digitale Eingänge D0 bis D13 GND Serielle Pins RX und TX USB- Anschluß Reset- Taster 3.3V 8 analoge Eingänge A0 bis A7 5V GND Physical Computing - Peter Klingebiel September

19 Schaltung 1 Nano und LED auf Breadboard Physical Computing - Peter Klingebiel September

20 Schaltung 2 Schaltungsgrafik mit Fritzing-Software Physical Computing - Peter Klingebiel September

21 Breadboard 1 Steckbrett - Schaltungen ohne Löten Physical Computing - Peter Klingebiel September

22 Breadboard 2 Verbindungen der Lochreihen Bus Stripes für VCC und GND Terminal Stripes für Komponenten Bus Stripes für VCC und GND Physical Computing - Peter Klingebiel September

23 Steckkabel 1 Physical Computing - Peter Klingebiel September

24 LED 1 Aufbau und Schaltbild einer LED Physical Computing - Peter Klingebiel September

25 Potentiometer 1 Einfaches Potentiometer 10 kohm Physical Computing - Peter Klingebiel September

26 PIR Bewegungssensor 1 Passiver Infrarot Bewegungssensor Physical Computing - Peter Klingebiel September

27 Ultrasonic Entfernungssensor 1 Ultraschall Entfernungssensor Physical Computing - Peter Klingebiel September

28 Servomotor 1 Servomotor 0 bis 180 Grad Winkel Physical Computing - Peter Klingebiel September

29 Was sind Programme? 1 Beispiel: Lego Bauanleitung Physical Computing - Peter Klingebiel September

30 Was sind Programme? 2 Definition: Programmieren ist eine Tätigkeit, bei der versucht wird, durch systematischen Einsatz einer gegebenen Programmiersprache ein gestelltes Problem zu lösen. aus: H. Balzert, Lehrbuch Grundlagen der Informatik, 1999 Wikipedia: Physical Computing - Peter Klingebiel September

31 Was sind Programme? 3 Definition: Algorithmen, die von einem automatischen Prozessor abgearbeitet werden, bezeichnet man als Programme. Ein Programm stellt die Realisierung eines Algorithmus dar. Im Gegensatz zu einem Algorithmus ist ein Programm konkreter und eingeschränkter. aus: Balzert, Lehrbuch... Wikipedia: Physical Computing - Peter Klingebiel September

32 Was sind Programme? 4 Definition: Algorithmus (Plural: Algorithmen), Problemlösungsbeschreibung, die festlegt, wie ein Problem gelöst werden soll. aus: Balzert, Lehrbuch... Wikipedia: Physical Computing - Peter Klingebiel September

33 Was sind Programme? 5 Entwicklung von Programmen: Aufgabe / Problem so genau wie möglich beschreiben Beispiel: Idee / Ziel eines Computerspiels genau beschreiben Lösungsweg (Algorithmus) suchen und so genau wie möglich beschreiben Bsp: Ablauf des Spiels genau beschreiben Programm entwickeln (programmieren) Bsp: Computerspiel / Ablauf des Spiels in eine Programmiersprache umsetzen / codieren Physical Computing - Peter Klingebiel September

34 Was sind Programme? 6 Einfaches Programm: Blinkende LED Physical Computing - Peter Klingebiel September

35 Was sind Programme? 7 Programmiersprachen Programme werden in Programmiersprachen geschrieben / beschrieben Programmiersprachen verlangen fast immer eine exakte Beschreibung der Aufgabe und der Lösung der Aufgabe Programmiersprachen sind fast immer sehr pingelig und erfordern die genaueste Einhaltung der Syntax (Rechtschreibung) Physical Computing - Peter Klingebiel September

36 Was sind Programme? 8 Programm: Blinkende LED Schaltung LED mit Kontroller verbinden Kathode (-) an GND Anode (+) an IO-Anschluß, den IO-Pin Programmablauf IO-Pin initialisieren, hier: Pin auf Ausgang einstellen in einer Schleife (endlos oder n mal): Pin (=LED) ein (Pin auf HIGH) und 1 s warten Pin aus (Pin auf LOW) und 1 s warten Physical Computing - Peter Klingebiel September

37 Was sind Programme? 9 Scratch-Programm zur blinkenden LED: Physical Computing - Peter Klingebiel September

38 Scratch 1 Physical Computing - Peter Klingebiel September

39 Scratch 2 Prof. Mitchel Resnik, Erfinder von Scratch Physical Computing - Peter Klingebiel September

40 Scratch 3 Besonderheiten von Scratch : einfach und intuitiv zu bedienen sehr niedrige Einstiegshürden Programme werden mit Bildchen und Symbolen spielerisch zusammen-geklickt wie Spielen mit Legosteinen Scratch: Programmieren auf der Website im Browser! mblock: Download und Programmieren auf eigenem Computer! Hardware kann integriert werden! Physical Computing - Peter Klingebiel September

41 Scratch 4 Die Scratch-Oberfläche / Der Scratch-Editor (Internet) Physical Computing - Peter Klingebiel September

42 Scratch 5 Physical Computing - Peter Klingebiel September

43 Scratch 6 Die mblock-oberfläche (lokal auf dem PC) Physical Computing - Peter Klingebiel September

44 Scratch 7 Hauptmenü Programmierblöcke Kostüme Klänge Spielfläche Bühne Bühnenbilder Figuren Sprites Programmier -bereich Skripte Physical Computing - Peter Klingebiel September

45 Grundlagen der Programmierung 1 Programme werden aus unterschiedlichen Elementen zusammen gebaut Einfachstes Element ist die Anweisung Beispiele (in C) printf( Hallo, Welt!\n ); clear_screen(); Beispiele (in Scratch) Physical Computing - Peter Klingebiel September

46 Grundlagen der Programmierung 2 C-Programme starten mit main() Scratch-Programme (Skripte) starten bei bestimmten Ereignissen Beispiele Grüne Fahne Taste Nachricht Physical Computing - Peter Klingebiel September

47 Grundlagen der Programmierung 3 C-Programme werden übersetzt und zu einem ausführbaren Programm montiert Scratch-Skripte werden durch Zusammenfügen der Symbole durch Bewegen mit der Maus zusammengebaut Physical Computing - Peter Klingebiel September

48 Grundlagen der Programmierung 4 Beispiel: Blinkende LED Physical Computing - Peter Klingebiel September

49 Grundlagen der Programmierung 5 die meisten Programme sind nicht so einfach gebaut. Fast immer ist eine Steuerung des Programmablaufs erforderlich Bedingungen: wenn / falls / falls sonst Beispiele: falls das Licht an ist, dann schalte es aus wenn das Zimmer aufgeräumt ist, kannst du spielen, sonst räume weiter auf! Physical Computing - Peter Klingebiel September

50 Grundlagen der Programmierung 6 Schleifen: wiederhole solange bis / wiederhole n mal / wiederhole endlos Beispiele: solange du die Hausarbeiten nicht fertig gemacht hast, kannst du nicht spielen gehen laufe zehn Runden um den Sportplatz Physical Computing - Peter Klingebiel September

51 Grundlagen der Programmierung 7 Objekte: Scratch hat als Grundelement der Programmierung Objekte (Figuren oder Sprites genannt) werden über Skripte programmiert / gesteuert haben Eigenschaften, z.b. Kostüme kommunizieren miteinander, schicken und empfangen Nachrichten Physical Computing - Peter Klingebiel September

52 Beispiele 1 Frühstücksroboter von Simone Giertz (auf youtube) Lippenstiftroboter von Simone Giertz (auf youtube) Physical Computing - Peter Klingebiel September

53 Und jetzt: selber programmieren Physical Computing - Peter Klingebiel September