Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

Die Hardware

Als Grundausstattung werden je nach eingesetztem Controller/ Kleinrechner unterschiedliche Hardwarekomponenten benötigt. Aus der schier unübersichtlichen Menge an Controllern und Kleinrechnern habe ich mich für die folgenden Module entschieden:

  • BBC micro:bit
  • BASIC Stamp 2             (Fa. Parallax Inc.)
  • Propeller Controller    (Fa. Parallax Inc.)
  • Arduino UNO
  • Seeeduino
  • Seeeduino Nano mit Grove Shield (Fa. Seeed Studio)
  • Raspberry Pi

Der BBC micro:bit ist ein Kleinstcomputer mit einer Abmessung von mal gerade 5cm x 4cm. Sein Vorteil: er ist bereits mit Temperatur-, Magnetfeld- und Beschleunigungssensor ausgestattet und lässt sich über eine integrierte Funk- und Bluetooth-Antenne fernsteuern. Wie das geht, wird in der Rubrik Robotik ausführlich gezeigt.

Programmiert wird dieser Winzling

  • ONLINE in micro-Python oder Microsoft MakeCode oder
  • OFFLINE in micro-Python über die Entwicklungsumgebung mu.  

Die Software ist kostenfrei aus dem Internet herunterladbar.

 

Zu den Produkten der Fa. Parallax gibt es sehr gut aufbereitete  Einführungstexte und Dokumentationen, kostengünstige Hardware, die mit den Programmiersprachen

  • BASIC
  • Propeller-C
  • Propeller SPIN
  • Python
  • Microsoft MakeCode
  • Scratch

angesteuert werden und kostenfreie Software. Erweiterungsmöglichkeiten in Richtung BBC micro:bit, Arduino, Raspberry Pi, XBee, Robotik, Quadrocopter etc. sind umfangreich vorhanden.

Mit den Produkten der Fa. Parallax lassen sich die Controller/Rechner anderer Hersteller (RasPi, BBC micro:bit, Arduino/Seeeduino, ...) sehr einfach koppeln. Wie das geht, wird an anderer Stelle gezeigt.

 

Der Arduino ist ein ebenfalls günstiges Controller-Modul, das preislich nur noch vom Seeeduino geschlagen wird. Beide Boards werden von vielen Anwendern als Einstieg in die Mikrocontrollerwelt genutzt. Für welches System man sich letztlich entscheidet, ist schwierig zu beantworten.

 

Für die genannten Module finden Sie hier umfangreiches Unterrichts- und Lernmaterial. Ich persönlich bevorzuge die Boards/Module der Fa. Parallax, weil sie für den unterrichtlichen Einsatz durchdacht konstruiert sind; es gibt einen Ein-/ Ausschalter für die Spannungsversorgung (wichtig beim Aufbau oder dem Abändern einer Schaltung), die Anbindung eines USB-Oszilloskop ist absolut problemlos, eine externe Spannungsversorgung mit einer 9V-Batterie ist möglich (wichtig bei Feldversuchen) u.v.a.m..

Insbesondere für die Robotik aber auch sonst haben sich das Board of Education Shield for Arduino und das Cyber-Bot Conversion Kit for micro:bit von Parallax gut bewährt.

 

Relativ neu und unterrichtlich wie auch im Hobbybereich gut einsetzbar sind die Seeeduino Produkte mit einem Grove-Board. Dadurch entfallen viele Kabelverbindungen auf einem Steckboard und man kann sich mehr auf die Physik oder Technik der Schaltung konzentrieren. Die Bauteile sind sehr, sehr günstig und lassen sich auch auf einem Raspberry Pi einsetzen.

 

Grundausstattung bedeutet, die Grundeinheit ist betriebsbereit und man kann sie mit der zugehörigen kostenfreien Software (SimpleIDE, PBASIC Editor, Arduino IDE, Raspbian) betreiben. Für Versuche, wie sie in den Lektionen und Übungen für Anfänger angesprochen werden, sind zusätzliche elektronische Bauteile für wenige Euro notwendig.

 

Bei allen genannten Komponenten kommen, wenn man tiefer in die Thematik einsteigen möchte,  Sensoren, elektronische Bauteile, Steckdrähte ggf. Erweiterungsmodule/ Erweiterungsplatinen und anderes mehr hinzu.

0 - BBC micro:bit

BBC micro:bit (Ansicht Vorderseite)
BBC micro:bit (Ansicht Rückseite)

Benötigte Komponenten (Minimalausstattung)

 

  • BBC micro:bit mit USB-micro-B Anschlusskabel
  • Steckbrett
  • Laptop oder PC

Die Vorder- und Rückseite eines BBC micro:bit enthalten die folgenden Bauteile:

  • USB-Anschluss
  • LED-Matrix (5x5) mit 25 LEDs, die auch als Lichtsensoren eingesetzt werden können
  • 2 Taster (A und B), rechts und links neben der LED-Matrix
  • Über die GPIO-Pins können ein Kopfhörer und andere elektronische Bauteile/Geräte angeschlossen  werden.
  • 3V Anschluss, über den sich zusätzliche elektronische Bauteile versorgen lassen.
  • GND Anschluss
  • Mit Hilfe der Funk- und Bluetooth-Antenne können zwei oder mehrere micro:bit mit anderen Geräten kommunizieren.
  • Der Prozessor (Typ ARM Cortex-M0, 32-Bit Architektur, Taktfrequenz: 16 MHz, 256 kB Flash-Speicher, 16 kB statisches RAM), das Gehirn des BBC micro:bit, verfügt über einen eingebauten Temperatursensor, mit dem die Umgebungstemperatur gemessen werden kann.
  • Mit Hilfe eines Kompass- oder Magnetsensors (MAG3110) und eines Beschleunigungssensors (MMA8652) lassen sich die Stärke von Magnetfeldern und Kräfte entlang der drei Raumrichtungen bestimmen.
  • Die Platinensteckerleiste (GPIO-Anschlüsse) verbindet den micro:bit mit der Außenwelt.
  • Über den Micro USB-Anschluss wird der BBC micro:bit mit Strom versorgt und Programme in seinen Speicher geladen.
  • Die gelb leuchtende Einzel-LED blinkt, solange ein Programm heruntergeladen wird; sie geht anschließend in ein dauerhaftes Leuchten über und signalisiert damit, dass der micro:bit mit Strom versorgt wird.
  • Mit Hilfe des Reset-Button lassen sich Programme auf dem BBC micro:bit neu starten.
  • Der Batterie-Anschluss kann an Stelle des USB-Anschlusses verwendet werden, wenn man Feldversuche macht und keinen PC oder Laptop mit USB-Anschluss zur Verfügung hat.
  • Der Schnittstellenchip übernimmt die USB-Verbindung und wird zum Flashen von neuem Code auf das micro:bit sowie zum Senden und Empfangen von seriellen Daten verwendet. Der BBC-micro:bit wird über diese Schnittstelle als USB-Datenträger verwaltet.

1 - Propeller (8-Kern) FLiP Modul

40-poliges Modul für die Arbeit mit einem Steckbrett

Benötigte Komponenten

 

  • Propeller FLiP Modul mit USB-micro-B Anschlusskabel
  • Steckbrett
  • Laptop oder PC

Propeller FLiP

Das Modul kann für verschiedene Aufgaben im Unterricht eingesetzt werden. Es eignet sich für:

Sowohl für BlocklyProp als auch für Propeller-C und Assembler sind kostenfreie Entwicklungsumgebungen im Netz herunterladbar.

2 - Board of Education und BASIC Stamp 2

Board of Education

Benötigte Komponenten

 

  • Board of Education - USB (BoE)
  • BASIC Stamp 2 (BS2) Mikrocontroller Modul
  • mini-USB Verbindungskabel
  • Steckernetzteil 7,5V, 1A
  • Laptop oder PC

BASIC Stamp

Die BASIC-Stamp wird in einem BASIC Dialekt, dem sog. PBASIC, programmiert. Die dazu benötigte Editor-Software gibt es kostenlos als Download bei der Fa. Parallax.

  • PBASIC ist leicht erlernbar. Viele Lektionen im Kapitel BASIC Stamp sind für Jugendliche ab Jahrgangsstufe 5/6 geeignet. Die Lektion BASIC Stamp setzt die Grundlagen für die weitere Arbeit mit Mikrocontrollern.
  • Unter BS-Intelligente Sensoren finden sich Projekte, die für Jugendliche ab 8/9 Jahrgangsstufe bis hinauf in die Oberstufe geeignet sind und die die Lektion BASIC Stamp durchgearbeitet haben.
  • Ein weiteres Thema ist die Robotik. Es wird später bearbeitet. Wenn man sich nicht für die Lektion BS-Intelligente Sensoren interessiert, ist der Einstieg in die Robotik als Aufbaukurs nach der Lektion BASIC Stamp möglich.

3 - Propeller Controller und Boards

Propeller Activity Board
Propeller Board of Education

Benötigte Komponenten

 

  • Propeller Activity Board (PropAE) oder Board of Education (PropBoE)
  • mini-USB Verbindungskabel
  • Steckernetzteil 7,5V, 1A
  • Laptop oder PC

Der Propeller-Controller ist ein 8-Core-Controller. Programmiert wird dieser Baustein in Propeller-C. Dazu liegt bereits ein kompletter Selbstlernkurs vor.

 

Auch für diesen Controller wurde eine eigene Benutzeroberfläche SimpleIDE entwickelt, die kostenfrei bei der Fa. Parallax heruntergeladen werden kann.

 

Wir arbeiten alternativ mit dem Propeller Board of Education und dem Propeller Activity Board.

  • Unter Grundlagen im Register Propeller C befindet sich eine Einführung in die Sprache Propeller-C.
  • Die Lektion Robotik setzt Kentnisse aus der Lektion Einfache Schaltungen voraus. Hier geht es direkt um den Aufbau eines spezifisch mo
  • Die Lektion Einfache Schaltungen im Verzeichnis Propeller Controller führt leicht verständlich mit vielen Anwendungsbeispielen in die Sprache Propeller C ein. Die Themen sind ähnlich denen für die BASIC Stamp, diesmal nur in der Sprache Prop-C. Geeignet für Jugendliche ab Jahrgangsstufe 7/8.
  • difizierten Roboters. Verschiedene Aufgabenstellungen für einen Roboter werden praktisch umgesetzt.
  • Geplant ist zu einem späteren Zeitpunkt eine Lektion über die Bausteingruppe der XBees.
  • Die Lektion Einfache Bauteile wendet sich an diejenigen, die die Lektion Einfache Schaltungen durchgearbeitet haben und befasst sich mit der Ansteuerung verschiedener Sensoren. In einigen Fällen sind mathematische Kenntnisse aus der oberen Mittelstufe oder Oberstufe notwendig. Im Einzelfall wird darauf hingewiesen.

4 - Raspberry Pi

Raspberry Pi Modell 2B

Benötigte Komponenten

 

  • Raspberry Pi Modell 2B oder höher
  • HDMI Kabel
  • Tastatur
  • Monitor
  • WLAN Stick
  • SD-Karte 8GB
  • Steckernetzteil 5V, >= 2A

5 - Arduino UNO oder Seeeduino

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Seeeduino

Benötigte Komponenten

 

  • Arduino UNO oder Seeeduino
  • USB Kabel
  • Steckernetzteil 7V, 2A (optional)
  • Steckbrett (dringend empfohlen)
  • Laptop oder PC

Der Arduino UNO bzw. Seeeduino wird in C programmiert. Es ist deshalb hilfreich, sich mit der Syntax der Sprache ein wenig vertraut zu machen. Einen Einstieg dazu bietet Prop-C.

Die Lektionen sind so gehalten, dass man die Sprache im Verlauf des Durcharbeitens erlernt.

6 - Board of Education Shield for Arduino

7 - Seeeduino Nano und Grove Shield

Benötigte Komponenten

  • Seeeduino Nano mit Grove Shield
  • USB Kabel
  • Grove-Sensoren
  • Laptop oder PC
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