GENIUS EXPERIMENTIERSATZ DIGITALTECHNIK

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1 GENIUS EXPERIMENTIERSATZ DIGITALTECHNIK Experimente zu Grundlagen der Digitaltechnik mit Micro-Controllern Unterrichtliche Integration ohne Programmierkenntnisse Art. Nr. FVWBASEK

2 Art. Nr. LVWSEK Impressum Genius Die junge WissensCommunity von Daimler Mercedesstraße 136, Stuttgart, Germany Telefon: /17 0 E Mail: info@genius community.com Vorsitzender des Aufsichtsrats: Manfred Bischoff Vorstand: Dieter Zetsche (Vorsitzender), Wolfgang Bernhard, renata Jungo Brüngger, olä Källenius, Wilfried Porth, Hubertus Troska, Bodo Uebber, Thomas Weber Handelsregister beim Amtsgericht: Stuttgart, Nr. HrB Umsatzsteueridentifikationsnummer: DE Konzeption Dr. Stefan Kruse, Schwäbisch Gmünd Redaktion: Medienwerk Hanne Lier, Stuttgart Projektkoordination und Herstellung: Klett MINT Stuttgart Umschlag und CI: Schwarz Gruppe Grafikdesign, Stuttgart Gestaltung Inhalt: Bettina Herrmann, Stuttgart Illustrationen: Stefanie Keidel, Grafische Produktionen Neumann, rimpar Bildbearbeitung: Till Traub, Bildwerkstatt, Leonberg Druck: Daimler AG Stuttgart Lehrmaterialien und Unterrichtsbeispiele zu zentralen Bereichen der Fahrzeugtechnik. Das Genius Arbeitsheft Vernetzte Welt Mensch Maschine Interaktion ist im Buchhandel erhältlich (ISBN ) und steht zum Download auf community.com zur Verfügung. Mobilität der Zukunft VERNETZTE WELT Mensch Maschine Interaktion Sekundarstufe I mit Differenzierungsangeboten Lehrmaterial und Kopiervorlagen mit digitalen Inhalten

3 3 Sehr geehrte Damen und Herren, wir freuen uns über Ihr Interesse an unserer Fortbildung zum Thema Digitaltechnik. Diese praktischen technischen Arbeiten basieren auf den Inhalten des Arbeitsheftes Vernetzte Welt, das von Genius in Zusammenarbeit mit Klett MINT, Lehrkräften und Fachdidaktikern entwickelt wurde. Digitaltechnik, Mobilität, Produktionstechnik diese Themen beschäftigen Sie und Ihre Schülerinnen und Schüler in den Klassen 8 bis 10 der Sekundarstufe. Mit unseren Unterrichtsmaterialien können Schülerinnen und Schüler unter anderem Fragen wie Wie funktioniert digitale Kommunikation? oder Welche Auswirkungen hat die Vernetzung der Welt? oder Was steckt hinter dem Begriff Industrie 4.0? auf den Grund gehen, und Sie als Lehrkraft haben die Möglichkeit, interessante, lehrplangerechte und praxisnahe Unterrichtseinheiten rund um dieses Thema zu gestalten. Genius Die junge WissensCommunity von Daimler möchte Kinder und Jugend liche für technische Themen begeistern. Denn die Begeisterung für Natur wissenschaft und Technik ist nicht nur der Schlüssel zur erfolgreichen Gestaltung unserer Umwelt und Wirtschaft, sie eröffnet der nächsten Generation auch hervorragende berufliche Perspektiven. Diese Experimentierbox enthält einen kompletten Experimentiersatz d. h. die Hardware für die Versuche und eine Bauanleitung, die Sie gerade in den Händen halten. Mit diesen Materialien bietet der Unterricht die Möglichkeit, die Grundlagen für das Interesse an technischen und naturwissenschaftlichen Zusammen hängen zu schaffen. Durch eigenständiges Programmieren und den Bau von Schaltungen werden Lernende an die Themen Digital technik sowie Produktionstechnik herangeführt. Sie als Lehrkraft erhalten durch Genius direkten Zugang zu aktuellen Fragestellungen der Fahrzeug technik, didaktisch aufbereiteten Unterrichtsmaterialien und passenden Fortbildungen. Wir hoffen, dass dieses Genius-Unterrichtsmaterial Ihnen viele neue Ideen und Impulse bietet. Viel Spaß beim Experimentieren wünscht Genius Die junge WissensCommunity von Daimler

4 4 1 Stückliste vom Experimentiersatz Digitaltechnik Der Experimentiersatz Digitaltechnik beinhaltet alle Bauteile für die Entwicklung und Realisierung der unterschiedlichsten logischen Grundschaltungen an konkreten Problemstellungen. Stückliste 1. 2 Taster 2. 1 Schiebeschalter 3. 1 Arduino nano, bespielt mit dem Programm Digitaltechnik-FoBi 4. 7 Steckleitungen für Festverdrahtung Steckleitungen zum Experimentieren

5 Breadboard mit 400 Kontakten 7. 1 LED rot, 5 mm (langes Bein +, kurzes Bein ) 8. 1 LED gelb, 5 mm (langes Bein +, kurzes Bein ) 9. 2 LED weiß, 5 mm (langes Bein +, kurzes Bein )

6 Vorwiderstände 270 Ω (rot/violett/braun) Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/ (schwarz)/orange) Summer (langes Bein +, kurzes Bein -) Poti (Potenziometer) 10 kω Spindel für Poti Batterieclip für 9-V-Batterie (rot +, schwarz -) Batterie 9 V

7 7 2. Grundkurs Digitaltechnik Logische Zusammenhänge werden in sogenannten logischen Gattern mit festgelegten Symbolen und Wertetabellen (Wahrheitstabellen) dargestellt. Inner halb eines Gatters werden Ausgangssignale (im Programm Digitaltechnik-FoBi : A1, A2...) in Abhängigkeit von Eingangs signalen (im Programm Digitaltechnik-FoBi : I 1, I 2 ) in einen logischen Zusammenhang gestellt. Die Werte tabelle dient dazu, den Zusammenhang der Funktionen als Ergebnis von 0 oder 1 auszugeben. UND Gatter ODER Gatter NICHT Gatter I1 I2 & A I1 I2 1 A I 1 A I1 I2 Out (A) I1 I2 A = I1 I I A NICHT UND Gatter Exklusiv ODER Gatter Schwellwert-Schalter (A/D-Wandler) I1 I2 & A I1 I2 = 1 A I A D A I1 I2 A = I1 NAND I I1 I2 A = I1 I A/D I A % % % % % freq

8 8 3. Umgang mit BreadBoards Steckplatinen oder sogenannte Breadboards dienen zum schnellen Aufbau einer elektrischen Schaltung. Alle zu verwendenden Bauteile werden in die vorgegebenen Anschlusspunkte gesteckt. Um Bauteile auszutauschen oder zu entfernen, können diese unter leichtem Zug wieder gelöst werden. Je nach Ausführung sind die Anschlusspunkte auf der Platine in Längs- oder Querrichtung mit so genannten Streifen verbunden. Dies hat den Vorteil, dass einzelne Bauteile ohne zusätzliche Drahtbrücken verschaltet werden können. Beim Aufbau einer elektrischen Schaltung ist darauf zu achten, dass keine Kurzschlüsse durch bestehende Streifen verursacht werden. In der Abbildung wird die Anschlussstruktur der Platine mit grünen Balken dargestellt. Durch eine Trennung in der Mitte der Platine wird diese in zwei Seiten geteilt. Dadurch kann bei Bedarf eine Plus- bzw. eine Minusseite erstellt werden. Die Breadboards sind so aufgebaut, dass auf jeder Seite eine blau und eine rot gekennzeichnete durchgängige Leiste integriert ist, die für den Anschluss der Stromversorgung genutzt werden kann. Beide Seiten sind intern nicht miteinander verbunden!

9 9 4. Der Arduino ein Minicomputer Der Name Arduino steht für eine ganze Familie von Minicomputern, die es in unterschiedlichen Größen und Leistungen gibt. Im Folgenden wird der Arduino Nano, einer der Kleinsten seiner Familie, verwendet. Für die Ein- und Ausgabe von Signalen besitzt der Arduino sogenannte Pins. Jeder Pin lässt sich mit einer Telefonleitung vergleichen, über die der Minicomputer mit den Sensoren und den Aktoren kommuniziert. Auf jeder Leitung kann der Arduino Daten entweder senden oder empfangen, beides gleichzeitig ist nicht möglich. Zusätzlich finden sich noch Anschlüsse (USB) für die Programmierung des Minicomputers und ein Anschluss für externe Steckkarten (Display, Relaiskarte ) auf dem Gerät. Um den Arduino anzuschließen, wird dieser so auf das Breadboard gesteckt, dass jeweils eine Seite mit Pins auf einer Seite des Breadboards liegt. Dadurch können die einzelnen Anschlüsse mit Leitungen oder direkt mit Bauteilen (z. B. Schaltern, Leuchtdioden ) verbunden werden. Um den Platz auf dem Breadboard optimal ausnutzen zu können, sollte der Arduino an den Seitenrand gesteckt werden. Für die Stromversorgung des Arduinos wird der Pin 30 (V in ) mit dem roten (positiven) Anschluss des 9-V-Batterieclips verbunden. Um beim Aufbau von Schaltungen eine gemeinsame Masse verwenden zu können, wird der schwarze Anschluss des 9-V-Batterieclips mit der zentralen negativen Anschluss leiste des Breadboards (blaue Markierung) verbunden, mit einer Drahtbrücke (für Festver drahtung) wird auch die andere Seite mit dem negativen Pol verbunden.

10 10 An einer dieser zentralen Massen wird nun auch der Pin 29 oder der Pin 4 (GND) des Arduinos angeschlossen. Der Arduino regelt die externe Stromversorgung auf konstante 5 V. Um diese für die weiteren Schaltungen nutzen zu können, wird der Pin 27 (5 V) mit der zen tralen positiven Anschlussleiste des Breadboards (rote Markierung) verbunden. Wichtiger Hinweis zum Anschluss von Potis Bei Anschluss eines Potenziometers (Poti) ist darauf zu achten, dass je nach gewünschter Drehrichtung (zunehmender oder abnehmender Widerstand) der 5-V-Anschluss der zentralen positiven Anschlussleiste (rote Markierung) direkt mit dem mittleren oder einem der äußeren Anschlüsse verbunden wird. Der andere Anschluss wird mit dem analogen Eingang des Arduinos (A 7) verbunden. Um das analoge Signal auswerten zu können, ist es von entscheidender Bedeutung, dass der verbleibende äußere Anschluss des Potis mit einer der zentralen Massen auf dem Breadboard verbunden wird.

11 11 5. Programmieren des Arduinos Damit der Arduino die gewünschten Aufgaben übernehmen kann, muss er programmiert werden. Hierfür gibt es eine spezielle Programmiersprache, mit der jeder einzelne Pin angesprochen oder ausgelesen werden kann. Die Programmieroberfläche Arduino ist im Internet frei er hältlich, z. B. von Mit ein wenig Erfahrung lassen sich auch sehr komplexe Anwendungen programmieren. Das Programmieren ist einfach, sprengt aber den Rahmen dieser Fortbildung. Deswegen wurde der in der Experimentierbox enthaltene Arduino mit einem speziell für diese Fortbildung entwickelten Programm ( Digitaltechnik-FoBi ) bespielt. Der Minicomputer verfügt so über alle Grundgatter der Digitaltechnik und über drei analoge Eingänge, mit denen eine Widerstandsänderung erfasst werden kann. Dadurch kann er zum Realisieren vieler logischer Grundschaltungen aus dem Alltag eingesetzt werden. Das installierte Programm Digitaltechnik-FoBi sowie das im Arbeitsheft Vernetzte Welt verwendete Programm Digitaltechnik-Unterricht lassen sich auch hier downloaden:

12 12 Die Pin-Belegung des bespielten Arduinos Die Ein- und Ausgänge des Arduinos wurden im Programm Digitaltechnik FoBi folgendermaßen belegt. Die Funktionen der Digitaltechnik sind jeweils mit einer Farbe dargestellt, die Bezeichnungen ent sprechen der Hardware: Pluspol in Masse/ Minuspol in + 5-V-Ausgang OUT Eingang analog Poti Eingang NICHT Eingang 2 UND 2 Eingang 1 UND 2 Eingang 2 EXCL ODER Eingang 1 EXCL ODER Eingang 2 UND 1 Eingang 1 UND 1 Ausgang ODER VIN GND RST 5V A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 REF 3V3 D13 ARDUINO NANO V3.0 TX PWR RST 1 L ICSP RX TX1 RXO RST GND D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 Eingang 1 ODER Eingang 2 ODER Ausgang EXCL ODER Ausgang UND 1 Ausgang A/D % Ausgang A/D % Ausgang A/D % Ausgang A/D % Ausgang A/D 5 frequ. Ausgang UND 2 Ausgang NICHT

13 13 Name Beschreibung und logisches Gatter Programm Digitaltechnik-FoBi D1/TX D0/RX Ein- /Ausgang für die Vernetzung mehrerer Arduinos Ein- /Ausgang für die Vernetzung mehrerer Arduinos nicht verwendet nicht verwendet RESET Reset (aktiv auf low) nicht verwendet GND Masse/Minuspol Masse/Minuspol 9-V-Batterie D2 Digitaler Ein- /Ausgang 2 Eingang 1: ODER/OR D3 Digitaler Ein- /Ausgang 3 Eingang 2: ODER/OR D4 Digitaler Ein- /Ausgang 4 Ausgang: UND/AND 1 D5 Digitaler Ein- /Ausgang 5 Ausgang: EXKLUSIVES ODER/XOR D6 Digitaler Ein- /Ausgang 6 Ausgang: A/D-Wandler 1 dimmt von % D7 Digitaler Ein- /Ausgang 7 Ausgang: A/D-Wandler 2 dimmt von 0 30 % D8 Digitaler Ein- / Ausgang 8 Ausgang: A/D-Wandler 3 dimmt von % D9 Digitaler Ein- /Ausgang 9 Ausgang: A/D-Wandler 4 dimmt von % D10 Digitaler Ein- /Ausgang 10 Ausgang: A/D-Wandler 5 Frequenz bei 0 20 % D11 Digitaler Ein- /Ausgang 11 Ausgang: UND/AND 2 D12 Digitaler Ein- /Ausgang 12 Ausgang: NICHT/NOT D13 Digitaler Ein- /Ausgang 13 Ausgang: ODER/OR 3V V-Ausgang nicht verwendet AREF ADC Referenzspannung nicht verwendet A0 Analoger Eingang 0 Eingang 1: UND/AND 1 A1 Analoger Eingang 1 Eingang 2: UND/AND 1 A2 Analoger Eingang 2 Eingang 1: EXKLUSIVES ODER/XOR A3 Analoger Eingang 3 Eingang 2: EXKLUSIVES ODER/XOR A4 Analoger Eingang 4 Eingang 1: UND/AND 2 A5 Analoger Eingang 5 Eingang 2: UND/AND 2 A6 Analoger Eingang 6 Eingang: NICHT/NOT A7 Analoger Eingang 7 Eingang: analog (z. B. Poti) + 5 V + 5-V-Ausgang +5-V-Ausgang RESET Reset (aktiv auf low) nicht verwendet GND Masse/Minuspol Masse/Minuspol VIN Pluspol Pluspol 9-V-Batterie

14 14 Ausschnitt aus dem Programm Digitaltechnik-FoBi Anmerkung zu den Anschlüssen des Arduinos: Der Arduino ist mit 8 analogen und 14 digitalen Anschlüssen ausgestattet. Diese können als digitale Eingänge (z. B. für Taster oder Schalter) bzw. als digitale Ausgänge (z. B. für LEDs, Summer etc.) verwendet werden. Digital bedeutet, es können zwei Zustände auftreten: HIGH (5 V) und LOW (0 V) bzw. 1 und 0, also AN und AUS. Dabei können maximal 40 ma Stromstärke ausgegeben werden. Werden höhere Ströme oder Spannungen gebraucht, benötigt man zusätzliche Bauteile wie Transistoren, Relais etc. und eine externe Stromversorgung. Die analogen Eingänge des Arduinos können Sensoren (z. B. Poti, LDR etc.) auslesen. Sie kennen nicht nur die zwei Zustände HIGH und LOW, sondern sind in der Lage, genaue Werte zu lesen. Der Wertebereich liegt zwischen 0 V und 5 V.

15 Um die Anschlüsse als Eingänge nutzen zu können, wird jeweils ein sogenannter Pull-Up- bzw. Pull-Down-Widerstand benötigt (blauer Kreis). Der Grund dafür sind elektromagnetische Wellen, die in jedem Raum vor handen sind oder auch kleine Störströme, die sich leicht in eine Schaltung einschleichen können. Die 10-kΩ-Widerstände werden von jedem ge nutzten Eingang direkt mit der Masse (GND) verbunden, dadurch blenden sie Störungen aus. 15

16 16 6. Aufbau einer Übungsschaltung Suchen Sie sich eine Übungsschaltung aus den grundlegenden Funktionen der Digitaltechnik (NICHT/UND/ODER) aus. Bauen Sie die Schaltung mit dem Experimentiersatz auf. Hier ist der schrittweise Aufbau einer UND-Schaltung dargestellt. Für alle folgenden Schaltungen werden die Steckleitungen zum Experimentieren verwendet. Beispiel UND-Schaltung a) Bereiten Sie das Breadboard und den Arduino für eine Schaltung vor. Schließen Sie die Stromversorgung an. b) Schließen Sie eine rote LED über einen 270-Ω-Widerstand an den Ausgang des UND-Gatters 1 (Pin D4) an. c) Stecken Sie zwei Taster auf das Board und schließen Sie jeweils einen Ausgang an die Eingänge des UND-Gatters 1 des Arduinos (Pin A 0 und A1).

17 17 d) Verbinden Sie jeweils die Eingänge der Taster mit der zentralen 5-V- Leitung des Breadboards. e) Verbinden Sie die Eingänge des UND-Gatters 1 des Arduinos (Pin A0 und A1) über einen Pull-down- Widerstand mit der Masseleitung des Breadboards. Testen Sie die Funktion.

18 18 7. realisieren von Anwendungen aus der Fahrzeugtechnik Mithilfe des Experimentiersatzes und verschiedenen Aufgabenstellungen im Kontext der Fahrzeugtechnik lassen sich in einfacher Weise die Grundlagen der Digitaltechnik erschließen. Folgender Aufbau liegt den Themen zugrunde: Funktionsbeschreibung, Stückliste, Beschreibung der benötigten Sensoren und Aktoren, zu verwendende Gatter des Programms Digitaltechnik-FoBi und des Arduinos, selbst zu erstellender Schaltplan. Die Aufgaben sind nach zunehmendem Schwierigkeitsgrad geordnet. Aufgabe Bezeichnung Funktion A Gurtwarnsystem digital in/analog in/digital out B Tankanzeige analog in/analog out/digital out C Start/Stopp-Automatik analog in/digital in/digital out D Kurvenlicht analog in/digital in/digital out E Elektrischer Fensterheber digital in/analog in/digital out F Meldungen der Serviceanzeige digital in/digital out/analog out G Automatisiertes Innenlicht digital in/digital out H Schalten des Abblendlichts digital in/analog in/digital out I Steuerung eines Cabrio-Verdecks analog in/digital in/digital out J Autonomes Fahren digital in/analog in/digital out

19 Eingang 2 UND 2 Eingang NICHT Eingang Analog Poti +5 V Ausgang out Masse / Minuspol in Pluspol in Eingang 1 ODER Eingang 2 ODER Ausgang UND 1 Ausgang EXCL. ODER Ausgang A / D % Ausgang A / D2 0-30% 1 VIN GND RST 5V A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 REF 3V3 D13 L ICSP TX1 RXO RST GND D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12 RX RST Eingang 1 UND 2 Eingang 2 EXCL. ODER Eingang 1 EXCL. ODER Eingang 2 UND 1 Eingang 1 UND 1 Ausgang ODER Ausgang NICHT Ausgang UND 2 Ausgang A / DS Frequ. Ausgang A / D % Ausgang A / D % 19 In der Experimentierbox liegt ein gefalteter Bogen (Poster), auf dem die ein zelnen Aufgabenstellungen aufgeführt sind. Das Breadboard kann beim Arbeiten auf die Vorlage gelegt werden (1). Als Hilfestellung enthält der Faltbogen eine Zuordnung des Themas zu der jeweiligen Fahrzeugposition (2), die Grund schaltung zur Stromversorgung (3), die Pin Belegung des Arduinos bei der Verwendung des Programms Digitaltechnik-FoBi (4) und die aufgabenspezifische Funktionsbeschreibung mit Anschlussbelegung des Arduinos (5). Die Stromversorgung: B: Tankanzeige A: Gurtwarnsystem Funktionsbeschreibung: Funktionsbeschreibung: Legende: 3 Analoges A1 von high-low, wenn analoger I1 Wert kleiner wird. Wenn analoger I1 unter 20%, dann A2 high Ein- und Ausgänge: analoges Signal in A7, Ausgang D6 Signal von D6 in LED1 gelb (Tankanzeige) Signal von D10 in LED2 rot (Reserve) 1 I: Steuerung eines Cabrio-Verdecks A1 high, wenn digitales I1 UND analoges I2 > 30% NICHT Ein- und Ausgänge: analoges Signal in A7, Ausgang D7 Signal von D7 in A0, Ausgang D4 digitales Signal in A1, Ausgang D4 Signal von D4 in A6 Signal von A6 in Summer (Warnmelder) GENIUS EXPERIMENTIERSATZ DIGITALTECHNIK A1, A2, A3 stehen für Ausgänge, I1, I2, I3 stehen für Eingänge, Ein- und Ausgänge können analog/digital sein, Die Bezeichnungen A0-A7 und D2-D12 stehen für die Pin-Belegungen des Arduinos F: Meldungen der Serviceanzeige Funktionsbeschreibung: A1 high, wenn digitaler I1 high und analoger I2 kleiner 30% oder digitales I3 high Ein- und Ausgänge: digitales Signal in A0, Ausgang D4 analoges Signal in A7, Ausgang D7 Signal von D7 in A1, Ausgang D4 digitales Signal in D2, Ausgang D13 Signal von D4 in D3, Ausgang D13 Signal von D13 in LED rot (Verdeckmotor) Funktionsbeschreibung: digitales A1 high, wenn digitales I1 high digitales A2 high, wenn digitales I2 high digitales A3 high, wenn digitales I3 high Ein- und Ausgänge: digitales Signal in A0 / A1, Ausgang D4 Signal von D4 in LED rot (Bremsen) digitales Signal in D2 / D3, Ausgang D13 Signal von D13 in Summer (Ölstand) digitales Signal in A4 / A5, Ausgang D11 Signal von D11 in LED gelb (Kühler) J: Autonomes Fahren Funktionsbeschreibung: A1 high, wenn digitales I1 high und analoges I2 high und digitales I3 nicht high (low) 2 Ein- und Ausgänge: digitales Signal in A0, Ausgang D4 analoges Signal in A7, Ausgang D7 Signal von D7 in A1, Ausgang D4 digitales Signal in A6, Ausgang D12 Signal von D12 in A4, Ausgang D11 Signal von D4 in A5, Ausgang D11 E: Elektrischer Fensterheber Funktionsbeschreibung: A1 high, wenn digitales I1 EXCLUSIV ODER digitales I2 UND analoges I3 < 70% Signal von D11 in LED rot (Relais) H: Schalten des Abblendlichts Funktionsbeschreibung: A1 high, wenn digitales I1 high oder analoges I2 high. Wenn digitales I3 high, dann A1 low (Differenzierung: UND A2 high) Ein- und Ausgänge: digitales Signal in A2, Ausgang D5 digitales Signal in A3, Ausgang D5 analoges Signal in A7, Ausgang D9 Signal von D5 in A0, Ausgang D4 Signal von D9 in A1, Ausgang D4 C: Start / Stopp-Automatik Signal aus D4 in LED (Motor) Ein- und Ausgänge: digitales Signal in D2, Ausgang D13 analoges Signal in A7, Ausgang D9 Signal von D9 in D3, Ausgang D13 digitales Signal in A6, Ausgang D12 Signal von D12 in A0, Ausgang D4 Signal von D13 in A1, Ausgang D4 Signal von D4 in LED 1 weiß (Abblendlicht) Differenzierung: D: Kurvenlicht Pinbelegung des Programms Digitaltechnik-FoBi digitales Signal von A6 (!) in LED 2 weiß (Fernlicht) Funktionsbeschreibung: A1 high, wenn analoger I1 größer 30% high UND I2 high / A2 high, wenn analoger I1 kleiner 70% high UND I2 high Ein- und Ausgänge: analoges Signal in A7, Ausgang D7 Signal von D7 in A0 analoges Signal in A7, Ausgang D9 Signal von D9 in A4 digitales Signal in A1 / A5, Ausgang D4 / D11 Signal von D4 in LED 1 weiß (rechts) Signal von D11 in LED 2 weiß (links) Funktionsbeschreibung: A1 high, wenn analoger I1 high und digitaler I2 NICHT ODER digitaler I3 high Ein- und Ausgänge: analoges Signal in A7, Ausgang D9 digitales Signal in A6, Ausgang D12 Signal von D9 in A0, Ausgang D4 Signal von D12 in A1, Ausgang D4 digitales Signal in A4, Ausgang D11 Signal von D4 in A5 Ausgang D11 Signal von D11 in LED rot (Relais) G: Automatisiertes Innenlicht Funktionsbeschreibung: A1 low, wenn digitales I1 UND digitales I2 low Ein- und Ausgänge: Digitales Signal in A0, Ausgang D4 Digitales Signal in A1, Ausgang D4 Signal von D4 in A6, Ausgang D12 Signal von D12 in LED weiß (Innenlicht) 5 4 ARDUINO NANO V3.0 TX PWR

20 20 A. Gurtwarnsystem Funktionsbeschreibung Das Gurtwarnsystem gibt eine akustische Warnmeldung (A1) aus, wenn der Fahrer nicht angeschnallt (I1) ist und das Fahrzeug schneller als 6 km/h (I2) fährt. Stückliste 1 Breadboard mit 400 Anschlüssen 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 12 Steckleitungen 1 Taster 3 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 1 Summer 1 Poti mit Achse, 10 kω Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Kontakt im Gurtschloss I1 Taster digital Geber vom Tacho I2 Poti analog Ausgabe Warnmelder A1 Summer digital Zu verwendende Gatter UND/NICHT/AD-Wandler Platz für eine Schaltskizze

21 21 B. Tankanzeige Funktionsbeschreibung Die Tankanzeige im Kontrollboard zeigt über eine dunkler werdende gelbe LED (A1) an, wenn der Kraftstoff im Tank (I1) zur Neige geht. Wenn die Reserve (von 0 bis 20 %) erreicht ist, blinkt zusätzlich eine rote LED (A2). Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 2 LED (rot/gelb) 1 Poti mit Achse, 10 kω 2 Vorwiderstände 270 Ω (rot/violett/braun) 9 Steckleitungen Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Sensor im Tank I1 Poti analog Tankanzeige A1 LED gelb analog Reserveanzeige A2 LED rot digital Zu verwendende Gatter 2 AD-Wandler Platz für eine Schaltskizze

22 22 C. Start/Stopp- Automatik Funktionsbeschreibung Ein Relais der Start/ Stopp-Automatik (A1) schaltet den Fahrzeugmotor an der Ampel aus, wenn die Öltemperatur über 70 C liegt (I1) und kein Gang (I2) eingelegt ist und die Bremse (I3) betätigt ist. Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 1 LED (rot) 1 Vorwiderstand 270 Ω (rot/violett/braun) 5 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 15 Steckleitungen 1 Poti mit Achse, 10 kω 2 Taster Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Öltemperatur-Geber I1 Poti analog Schalter im Getriebe I2 Taster digital Schalter unter dem Bremspedal I3 Taster digital Relais zum Schalten des Motors A1 LED rot digital (Motor aus Relais an) Zu verwendende Gatter UND/UND/NICHT/AD-Wandler Platz für eine Schaltskizze

23 23 D. Kurvenlicht Funktionsbeschreibung Sobald ein Sensor (I1) einen Lenkausschlag des Lenkrads nach rechts oder links erfasst, gehen die jeweiligen Kurvenlichter (A1, A2) an, wenn das Abblendlicht (I2) angeschaltet ist. Wenn das Lenkrad in der Mitte steht, sind beide Kurvenlichter ausgeschaltet. Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 2 LED (weiß) 2 Vorwiderstände 270 Ω (rot/violett/braun) 4 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 14 Steckleitungen 1 Schiebeschalter 1 Poti mit Achse, 10 kω Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Sensor im Lenkrad I1 Poti analog Schalter des Abblendlichts I2 Schalter digital Kurvenlicht rechts A1 LED weiß digital Kurvenlicht links A2 LED weiß digital Zu verwendende Gatter 2 UND/2 AD-Wandler Platz für eine Schaltskizze

24 24 E. Elektrischer Fensterheber Funktionsbeschreibung Ein Fensterheber (A1) in einem Fahrzeug kann von der Fahrer- und der Beifahrerseite aus bedient werden (I1, I2). Damit der Motor (A1) des Fensterhebers nicht beschädigt wird, können nicht beide Schalter gleichzeitig ein Signal ausgeben. Ein Schutzrelais schaltet den Stellmotor ab, wenn ein Gegenstand im Fenster eingeklemmt ist und sich der Widerstand im Motor dadurch deutlich erhöht (I3). Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 1 LED (rot, als Motor) 2 Taster 1 Vorwiderstand 270 Ω (rot/violett/braun) 4 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 14 Steckleitungen 1 Poti mit Achse, 10 kω Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Schalter Fensterheber links I1 Taster digital Schalter Fensterheber rechts I2 Taster digital Einklemm-Sensor I3 Poti analog Motor des Fensterhebers A1 LED rot digital Zu verwendende Gatter EXCLUSIVES ODER/AD-Wandler/UND Platz für eine Schaltskizze

25 25 F. Meldungen der Serviceanzeige Funktionsbeschreibung Die Serviceanzeige eines Fahrzeugs zeigt den Verschleiß der Bremsen über eine rote Signalleuchte (A1) an, wenn ein Kontakt im Belag (I1) geschaltet wird. Eine akustische Warnmeldung (A2) erfolgt, wenn der vorgegebene Ölstand (I2) unterschritten ist. Wenn die Kühlertemperatur (I3) zu hoch ist, leuchtet eine gelbe LED (A3). Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 1 Schalter 2 Taster 2 LED (rot und gelb) 1 Summer 2 Vorwiderstände 270 Ω (rot/violett/braun) 4 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 13 Steckleitungen Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Kontakt im Bremsbelag I1 Taster digital Ölstand-Sensor I2 Schalter digital Kühltemperatur-Sensor I3 Taster digital Signalleuchte Bremsen A1 LED rot digital Akustische Warnmeldung A2 Summer analog Signalleuchte Kühlertemperatur A3 LED gelb digital Zu verwendende Gatter UND/UND/ODER Platz für eine Schaltskizze

26 26 G. Automatisiertes Innenlicht Funktionsbeschreibung Das Innenlicht (A1) eines Coupés soll ausgehen, wenn beide Türkontakte (I1, I2) geschlossen sind. Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 1 LED (weiß) 1 Vorwiderstand 270 Ω (rot/violett/braun) 3 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 10 Steckleitungen 2 Taster Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Türkontakt links I1 Taster digital Türkontakt rechts I2 Taster digital Innenlicht A1 LED weiß digital Zu verwendende Gatter UND NICHT Platz für eine Schaltskizze

27 27 H. Schalten des Abblendlichts (und des Fernlichts) Funktionsbeschreibung Das Abblendlicht (A1) leuchtet, wenn der Hauptlichtschalter (I1) eingeschaltet wird oder der Widerstand eines Helligkeitssensors (I2) steigt. Wenn ein Taster für das Fernlicht (I3) betätigt wird, geht das Abblendlicht (A1) aus. (Differenzierung: Wenn ein Taster für das Fernlicht betätigt wird, geht das Abblendlicht (A1) aus und das Fernlicht (A2) an). Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 2 LED (weiß) 1 Poti mit Achse, 10 kω 1 Schiebeschalter 1 Taster 2 Vorwiderstände 270 Ω (rot/violett/braun) 5 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 15 Steckleitungen Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Hauptlichtschalter I1 Schalter digital Helligkeitssensor I2 Poti analog Schalter für das Fernlicht I3 Taster digital Abblendlicht A1 LED weiß digital (Fernlicht) A2 LED weiß digital Zu verwendende Gatter UND/ODER/NICHT/AD-Wandler (Diff. ohne weitere Gatter!) Platz für eine Schaltskizze

28 28 I. Steuerung eines Cabrio-Verdecks Funktionsbeschreibung Der Motor eines Cabrio-Verdecks (A1) öffnet nur dann das Dach, wenn der Schalter zum Öffnen betätigt wird (I1) und das Fahrzeug langsamer als 30 km/h (I2) fährt oder wenn der Motor aus ist und der Schalter der Funkfernbedienung (I3) betätigt wird. (Eine Fernbedienung funktioniert nicht bei laufendem Motor). Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 1 LED (rot, als Motor) 1 Vorwiderstand 270 Ω (rot/violett/braun) 7 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 15 Steckleitungen 2 Taster 1 Poti mit Achse, 10 kω Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Schalter zum Öffnen I1 Taster digital Geber im Tacho I2 Poti analog Schalter der Fernbedienung I3 Taster digital Verdeck-Motor A1 LED rot digital Zu verwendende Gatter UND/ODER/AD-Wandler Platz für eine Schaltskizze

29 29 J. Autonomes Fahren Funktionsbeschreibung Das autonome Fahren kann dann übernommen werden (A1), wenn der Fahrersitz (I1) belegt ist, das Fahrzeug nicht schneller als 30 km/h (I2) fährt und die Radarsysteme keine Störung melden (I3). Stückliste 1 Breadboard (400 Pins) 1 Batterie/Anschlussclip 1 Arduino (bespielt mit Digitaltechnik-FoBi ) 1 LED (rot) 2 Taster 1 Poti mit Achse, 10 kω 1 Vorwiderstand 270 Ω (rot/violett/braun) 5 Drop-Down-Widerstände 10 kω (braun/schwarz/(schwarz)/orange) 15 Steckleitungen Sensoren und Aktoren Bezeichnung Bauteil Signal Sensor im Fahrersitz I1 Schalter digital Geber im Tacho I1 Poti analog Signal des Radars I3 Taster digital Relais für Autopiloten A1 LED rot digital Zu verwendende Gatter 2 UND/AD-Wandler/NICHT Platz für eine Schaltskizze

30 30 Weitere mögliche Schaltungen außerhalb des Fahrzeugbereichs: Steuerung einer Aufzugtür, Steuerung einer Ampel, Schalten einer Presse oder Stanze, Sortieranlage, die Formen (rund, quadratisch, dreieckig) sortieren kann, Solaranlage (Vergleich zwischen Temperatur im Erzeuger und im Speicher, Ausgang der Solarpumpe), Leergutanlage (Flasche, Form, im Sortiment, falsch herum). Ergänzen Sie eigene Beispiele:

31 31 Differenzierung und weiterführende Aufgaben Wenn die Grundlagen der Digitaltechnik verstanden sind, sollte der Arduino selber programmiert werden. Die dazu notwendige Vorgehensweise findet sich in den Lehrerinformationen des Arbeitsheftes. Differenzierung 1: Durch die Kopplung mehrerer Geräte lassen sich verschiedene der vorgestellten Schaltungen koppeln und so die Funktion eines komplexen Steuergeräts in einem Fahrzeug simulieren. Auch die Verwendung eines anderen Arduino- Typs (z. B. UNO) mit einer höheren Anzahl von Ein- und Ausgängen kann diese Funktion übernehmen. Differenzierung 2: Durch die Kopplung mehrerer Arduinos an einer zentralen Datenleitung (D1/TX) und die Vergabe von Adressen (D0/RX) lässt sich ein komplexes Bussystem aufbauen. Ein Gerät übernimmt die Masterfunktion und schaltet verschiedene Ausgänge, mehrere an den Bus angeschlossene Systeme übernehmen die Slave-Funktion und erfassen die jeweiligen Eingänge. Bezugsquelle: Die Experimentierbox kann selber zusammengestellt oder um weitere Komponenten (z. B. LDT, PTC, Motor ) ergänzt werden. Alternativ kann sie unter folgender Bezugsadresse einzeln oder im Klassensatz bestellt werden: PCs und Systeme Kantstr Schwäbisch Gmünd Bestell Nr Genius@Stefan-Kruse.de

32 32 Lösungen Aufgabe A: Gurtwarnsystem Aufgabe B: Tankanzeige Aufgabe C: Start/ Stopp-Automatik

33 33 Aufgabe D: Kurvenlicht Aufgabe E: Elektrischer Fensterheber Aufgabe F: Meldungen der Serviceanzeige

34 34 Aufgabe G: Automatisiertes Innenlicht Aufgabe H: Schalten des Abblendlichts (und des Fernlichts) Differenzierung:

35 35 Aufgabe I: Steuerung eines Cabrio-Verdecks Aufgabe J: Autonomes Fahren

36 Daimler AG Stuttgart, Germany