GENIUS EXPERIMENTIERSATZ DIGITALTECHNIK - Experimente zu Grundlagen der Digitaltechnik mit Micro-Controllern - Genius - Die junge ...
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GENIUS EXPERIMENTIERSATZ
DIGITALTECHNIK
Experimente zu Grundlagen der Digitaltechnik
mit Micro-Controllern
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Integ ammier-
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Prog nisse
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Art. Nr. FVWBASEK
Impressum
Genius – Die junge WissensCommunity von Daimler
Mercedesstraße 136, 70327 Stuttgart, Germany
Telefon: + 49 0711/17- 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 19360
Umsatzsteueridentifikationsnummer: DE812526315
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 978-3-942406-26-0) terial
Lehrma orlagen
ierv
und Kopdigitalen
mit
Inhalte
n
Mobilität der Zukunft
und steht zum Download auf VERNETZTE WELT
Mensch – Maschine – Interaktion
Sekundarstufe I – mit Differenzierungsangeboten
www.genius-community.com zur Verfügung.
Preis 24,95 EUR
Art. Nr. LVWSEK
3 Sehr geehrte Damen und Herren, wir freuen uns über Ihr Interesse an unserer Fortbildung zum Thema Digital- technik. 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 Unterrichtsein heiten rund um dieses Thema zu gestalten. Genius – Die junge WissensCommunity von Daimler möchte Kinder und Jugendliche für technische Themen begeistern. Denn die Begeisterung für Naturwissenschaft und Technik ist nicht nur der Schlüssel zur erfolg reichen 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 Zusammenhängen zu schaffen. Durch eigenständiges Programmieren und den Bau von Schal tungen werden Lernende an die Themen Digitaltechnik sowie Produktions- technik herangeführt. Sie als Lehrkraft erhalten durch Genius direkten Zugang zu aktuellen Fragestellungen der Fahrzeugtechnik, 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
1 S
tückliste vom
Experimentiersatz
Digitaltechnik
Der Experimentiersatz Digitaltechnik beinhaltet alle Bauteile für die
Entwicklung und Realisierung der unterschiedlichsten logischen Grund
schaltungen 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
5. 10 Steckleitungen zum
Experimentieren
5
6. 1 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
10. 2 Vorwiderstände 270 Ω
(rot/violett/braun)
11. 7 Drop-Down-Widerstände
10 kΩ
(braun/schwarz/
(schwarz)/orange)
12. 1 Summer
(langes Bein +,
kurzes Bein -)
13. 1 Poti (Potenziometer)
10 kΩ
14. 1 Spindel für Poti
15. 1 Batterieclip für
9-V-Batterie
(rot +, schwarz -)
16. 1 Batterie 9 V
7
2. G
rundkurs
Digitaltechnik
Logische Zusammenhänge werden in sogenannten logischen Gattern mit
festgelegten Symbolen und Wertetabellen (Wahrheitstabellen) dargestellt.
Innerhalb eines Gatters werden Ausgangssignale (im Programm „Digitaltech-
nik-FoBi“: A1, A2 ...) in Abhängigkeit von Eingangssignalen (im Programm
„Digitaltechnik-FoBi“: I 1, I 2 …) in einen logischen Zusammenhang gestellt.
Die Wertetabelle dient dazu, den Zusammenhang der Funktionen als Ergebnis
von 0 oder 1 auszugeben.
UND Gatter ODER Gatter NICHT Gatter
I1 I1
& A ≥1 A I 1 A
I2 I2
I1 I2 Out (A) I1 I2 A = I1 I2 I A
0 0 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 1 1 0
1 0 0 1 0 1
1 1 1 1 1 1
NICHT UND Gatter Exklusiv ODER Gatter Schwellwert-Schalter
(A/D-Wandler)
I1 I1 A
& A =1 A I A
I2 I2 D
I1 I2 A = I1 NAND I2 I1 I2 A = I1 I2 A/D I A
0 0 1 0 0 0 1 0 – 100 % 0 –1
0 1 1 0 1 1 2 0 – 30 % 1
1 0 1 1 0 1 3 50 – 100 % 1
1 1 0 1 1 0 4 70 – 100 % 1
5 0 – 20 % freq
8
3. Umgang mit
3.
BreadBoards
Steckplatinen oder sogenannte Bread-
boards 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 sogenannten „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 mit
einander verbunden!
9
4. Der Arduino –
4.
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 be-
sitzt der Arduino sogenannte „Pins“.
Jeder Pin lässt sich mit einer Tele-
fonleitung 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 Bread-
board optimal ausnutzen zu können, sollte der Arduino an den Seitenrand
gesteckt werden.
Für die Stromversorgung des Arduinos wird der Pin 30 (Vin) 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
Anschlussleiste des Breadboards (blaue Markierung) verbunden, mit e iner
Drahtbrücke (für Festverdrahtung) wird auch die andere Seite mit dem
negativen Pol verbunden.
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
zentralen positiven Anschlussleiste des Breadboards (rote Markierung) ver
bunden.
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) ver
bunden. Um das analoge Signal auswerten zu können, ist es von entscheiden-
der Bedeutung, dass der verbleibende äußere Anschluss des Potis mit einer
der zentralen Massen auf dem Breadboard verbunden wird.11
5. Programmieren
5.
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 erhältlich, z. B. von
www.arduino.cc. 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 Grundschaltun-
gen 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:
www.genius-community.com/vernetzte-welt-material12
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 entsprechen der Hardware:
Pluspol in + 5-V-Ausgang Eingang Eingang 1 Eingang 1 Eingang 1
OUT NICHT UND 2 EXCL ODER UND 1
Masse/ Eingang Eingang 2 Eingang 2 Eingang 2 Ausgang
Minuspol in analog Poti UND 2 EXCL ODER UND 1 ODER
VIN GND RST 5V A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 REF 3V3 D13
1
L
ARDUINO
PWR
NANO
RST
V3.0
TX
ICSP
RX
TX1 RXO RST GND D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12
Eingang 2 Ausgang Ausgang Ausgang Ausgang
ODER EXCL ODER A/D 2 A/D 4 UND 2
0 – 30 % 70 –100 %
Eingang 1 Ausgang Ausgang Ausgang Ausgang Ausgang
ODER UND 1 A/D 1 A/D 3 A/D 5 NICHT
0 –100 % 50 –100 % frequ.13
Name Beschreibung und logisches Gatter Programm „Digitaltechnik-FoBi“
D1/TX Ein- /Ausgang für die Vernetzung mehrerer nicht verwendet
Arduinos
D0/RX Ein- /Ausgang für die Vernetzung mehrerer nicht verwendet
Arduinos
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 0 – 100 %
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 50 – 100 %
D9 Digitaler Ein- /Ausgang 9 Ausgang: A/D-Wandler 4
dimmt von 70 – 100 %
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
3V3 + 3.3-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-Batterie14
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 ausge-
geben werden. Werden höhere Ströme oder Spannungen gebraucht, benötigt
man zusätzliche Bauteile wie Transistoren, Relais etc. und eine externe Strom-
versorgung.
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 vorhanden sind oder auch kleine Störströme, die sich leicht in eine Schaltung einschleichen können. Die 10-kΩ-Widerstände werden von jedem genutzten Eingang direkt mit der Masse (GND) verbunden, dadurch blenden sie Störungen aus.
16
6. Aufbau einer
6.
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) S
chließen Sie eine rote LED über
einen 270-Ω-Widerstand an den
Ausgang des UND-Gatters 1
(Pin D4) an.
(langes Bein +, kurzes Bein –)
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
d) V
erbinden Sie jeweils die Eingänge
der Taster mit der zentralen 5-V-
Leitung des Breadboards.
e) V
erbinden Sie die Eingänge des
UND-Gatters 1 des Arduinos (Pin
A0 und A1) über einen Drop-down-
Widerstand (10-kΩ) mit der Masse
leitung des Breadboards. Testen
Sie die Funktion.18
7. Realisieren von
7.
Anwendungen
aus der Fahrzeug-
technik
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 out19
In der Experimentierbox liegt ein gefalteter Bogen (Poster), auf dem die
einzelnen Aufgabenstellungen aufgeführt sind. Das Breadboard kann beim
Arbeiten auf die Vorlage gelegt werden (1). Als Hilfestellung enthält der Falt-
bogen eine Zuordnung des Themas zu der jeweiligen Fahrzeugposition (2), die
Grundschaltung zur Stromversorgung (3), die Pin-Belegung des Arduinos bei
der Verwendung des Programms „Digitaltechnik-FoBi“ (4) und die aufgaben
spezifische Funktionsbeschreibung mit Anschlussbelegung des Arduinos (5).
Die Stromversorgung: B: Tankanzeige A: Gurtwarnsystem
Funktionsbeschreibung: Funktionsbeschreibung:
Analoges A1 von high-low, wenn analoger I1 A1 high, wenn digitales I1 UND
Wert kleiner wird. analoges I2 > 30% NICHT
1
Wenn analoger I1 unter 20%, dann A2 high
3
Ein- und Ausgänge:
Ein- und Ausgänge: analoges Signal in A7, Ausgang D7
analoges Signal in A7, Ausgang D6 Signal von D7 in A0, Ausgang D4
Signal von D6 in LED1 gelb (Tankanzeige) digitales Signal in A1, Ausgang D4
Signal von D10 in LED2 rot (Reserve) Signal von D4 in A6
Signal von A6 in Summer (Warnmelder)
GENIUS EXPERIMENTIERSATZ
Legende: I: Steuerung eines Cabrio-Verdecks
DIGITALTECHNIK
A1, A2, A3 stehen für Ausgänge, Funktionsbeschreibung:
I1, I2, I3 stehen für Eingänge, A1 high, wenn digitaler I1 high und analoger
Ein- und Ausgänge können I2 kleiner 30% oder digitales I3 high
analog/digital sein,
Die Bezeichnungen A0-A7 und D2-D12 Ein- und Ausgänge:
stehen für die Pin-Belegungen des digitales Signal in A0, Ausgang D4
Arduinos 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)
F: Meldungen der Serviceanzeige
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 E: Elektrischer Fensterheber
analoges Signal in A7, Ausgang D7
Signal von D7 in A1, Ausgang D4 Funktionsbeschreibung:
digitales Signal in A6, Ausgang D12 A1 high, wenn digitales I1 EXCLUSIV ODER
Signal von D12 in A4, Ausgang D11 digitales I2 UND analoges I3 < 70%
Signal von D4 in A5, Ausgang D11
Signal von D11 in LED rot (Relais) 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
H: Schalten des Abblendlichts Signal von D9 in A1, Ausgang D4
Signal aus D4 in LED (Motor)
Funktionsbeschreibung:
A1 high, wenn digitales I1 high oder analoges
I2 high. Wenn digitales I3 high, dann A1 low
(Differenzierung: UND A2 high) C: Start / Stopp-Automatik
Ein- und Ausgänge: Funktionsbeschreibung:
digitales Signal in D2, Ausgang D13 A1 high, wenn analoger I1 high und digitaler I2
analoges Signal in A7, Ausgang D9 NICHT ODER digitaler I3 high
Signal von D9 in D3, Ausgang D13
digitales Signal in A6, Ausgang D12 Ein- und Ausgänge:
Signal von D12 in A0, Ausgang D4 analoges Signal in A7, Ausgang D9
Signal von D13 in A1, Ausgang D4 digitales Signal in A6, Ausgang D12 Pinbelegung des Programms „Digitaltechnik-FoBi“
Signal von D4 in LED 1 weiß (Abblendlicht) Signal von D9 in A0, Ausgang D4
Differenzierung: Signal von D12 in A1, Ausgang D4 Eingang 2 UND 2 Eingang 1 UND 2
digitales Signal von A6 (!) in LED 2 weiß digitales Signal in A4, Ausgang D11 Eingang NICHT Eingang 2 EXCL. ODER
(Fernlicht) Signal von D4 in A5 Ausgang D11 Eingang Analog Poti Eingang 1 EXCL. ODER
Signal von D11 in LED rot (Relais) +5 V Ausgang out Eingang 2 UND 1
Masse / Minuspol in Eingang 1 UND 1
Pluspol in Ausgang ODER
D: Kurvenlicht
VIN GND RST 5V A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 REF 3V3 D13
G: Automatisiertes Innenlicht
4
1
Funktionsbeschreibung:
L
A1 high, wenn analoger I1 größer 30% high
ARDUINO
PWR
Funktionsbeschreibung:
NANO
RST
V3.0
UND I2 high / A2 high, wenn analoger
A1 low, wenn digitales I1 UND digitales I2 low
TX
I1 kleiner 70% high UND I2 high
5
ICSP
RX
Ein- und Ausgänge: TX1 RXO RST GND D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 D12
Ein- und Ausgänge:
Digitales Signal in A0, Ausgang D4
analoges Signal in A7, Ausgang D7
Digitales Signal in A1, Ausgang D4
Signal von D7 in A0 Eingang 1 ODER Ausgang NICHT
Signal von D4 in A6, Ausgang D12
analoges Signal in A7, Ausgang D9 Eingang 2 ODER Ausgang UND 2
Signal von D12 in LED weiß (Innenlicht)
Signal von D9 in A4 Ausgang UND 1 Ausgang A / DS Frequ.
digitales Signal in A1 / A5, Ausgang D4 / D11 Ausgang EXCL. ODER Ausgang A / D4 70-100%
Signal von D4 in LED 1 weiß (rechts) Ausgang A / D1 0-100% Ausgang A / D3 50-100%
Signal von D11 in LED 2 weiß (links) Ausgang A / D2 0-30%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 Schaltskizze21 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
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 Schaltskizze23 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 aus geschaltet. 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
E. E
lektrischer
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 Schaltskizze25
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 Schaltskizze26
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 Schaltskizze27
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 Schaltskizze28
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 Schaltskizze29 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
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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 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 vorgestell- ten 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 über- nehmen die Slave-Funktion und erfassen die jeweiligen Eingänge. Bezugsquelle: Die Experimentierbox kann selber zusammengestellt oder um weitere Kom- ponenten (z. B. LDT, PTC, Motor …) ergänzt werden. Alternativ kann sie unter folgender Bezugsadresse einzeln oder im Klassensatz bestellt werden: PCs und Systeme Kantstr. 31 73529 Schwäbisch Gmünd Bestell Nr. 2017011 Genius@Stefan-Kruse.de
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Lösungen
Aufgabe A: Gurtwarnsystem
Aufgabe B: Tankanzeige
Aufgabe C: Start/ Stopp-Automatik33 Aufgabe D: Kurvenlicht Aufgabe E: Elektrischer Fensterheber Aufgabe F: Meldungen der Serviceanzeige
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Aufgabe G: Automatisiertes Innenlicht
Aufgabe H: Schalten des Abblendlichts (und des Fernlichts)
Differenzierung:35 Aufgabe I: Steuerung eines Cabrio-Verdecks Aufgabe J: Autonomes Fahren
Daimler AG Stuttgart, Germany www.daimler.com www.genius-community.com
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