Programmierung

Micro:bit mit Schaltkreis 2

clock 60 min
user 4.-6. Klasse
Fortgeschritten
Diese Handreichung dient zur Vorbereitung von Lehrkräften auf die Arbeit mit Heft 5 zum Thema micro:bit und elektronische Schaltkreise in den Klassenstufen 4 bis 6. Diese Lektion baut auf Heft 4 "Micro:bit mit Schaltkreis 1" auf.
Zur Schüleraufgabe
Inhalt
Materialumfang:

Übersicht

Diese Lektion in Heft 5 baut auf die Einführung aus Heft 4 auf. Im Einzelnen werden folgende Themen bearbeitet: Input und Output , der Unterschied zwischen digital und analog sowie digitale und analoge Ein- und Ausgabewerte. Diese Themen sollen die Kenntnisse darüber vertiefen, wie der Datenaustausch (schreiben und lesen) zwischen dem micro:bit und externen Schaltkreisen vor sich geht und wie die analogen und digitalen Signale aussehen.

Die Schüler*innen müssen die Themen nicht in ganzer Tiefe verstehen, doch sie sollten mit den Begriffen umgehen können. Diese Handreichung versteht sich auch als Anregung zum Nachdenken und Diskutieren in der Klasse.

Lernziele

  • Die Schüler*innen kennen den Unterschied zwischen Input und Output (Eingangssignal/Ausgangssignal).
  • Die Schüler*innen wissen, was es bedeutet, wenn ein Wert digital ist.
  • Die Schüler*innen wissen, was es bedeutet, wenn ein Wert analog ist.
  • Die Schüler*innen können mithilfe von MakeCode einen Eingabewert am micro:bit lesen.
  • Die Schüler*innen können mithilfe von MakeCode einen Ausgabewert am micro:bit schreiben.

Theorie

Dieser Abschnitt liefert einige Erklärungen zu den Themen, die in Heft 5 behandelt werden. Wir fassen hier einige theoretische Aspekte zusammen, damit du bei der Unterrichtsvorbereitung nicht zusätzlich recherchieren musst.

Input und Output

Ein Input ist eine Eingabe oder ein Eingangssignal. Ein Output ist eine Ausgabe oder ein Ausgangsignal. Am micro:bit sind für diese Signale bestimmte Pins reserviert. An einem Input-Pin kann man die Spannung ablesen, die von außen angelegt wird. Für einen Output-Pin kann man selbst eine Spannung festlegen, die dort vom micro:bit angelegt werden soll.

In der Elektronik ist es wichtig zu unterscheiden, ob es sich um Inputs/Eingangssignale oder Outputs/Ausgangssignale handelt. Das liegt daran, dass dafür verschiedene Anschlüsse verwendet werden. Viele Microcontroller wie der micro:bit haben zwar besondere Pins, die abwechselnd Eingangs- und Ausgangssignale verarbeiten können – aber nie beides gleichzeitig. Auch bei der Programmierung mit MakeCode muss man sich entscheiden, ob ein Pin zu einem gegebenen Zeitpunkt als Input oder Output dienen soll.

Digital und analog

Zum Lesen und Schreiben von Signalen (Spannung) an den Pins des micro:bit kann der Wert in einem von zwei Formaten festgelegt werden: digital oder analog .

Digitale Werte können als wahr oder falsch , als 1 oder 0, als hoch oder niedrig oder als eingeschaltet oder ausgeschaltet ausgedrückt werden. Digitale Werte sind die "natürliche" Sprache der Microcontroller und bieten sich daher besonders für die Arbeit im Unterricht an.

Analoge Werte können theoretisch jeden beliebigen Zahlenwert annehmen. In der Praxis ist der Wertebereich jedoch meist begrenzt. Ein gutes Beispiel für einen analogen Wert ist die Temperatur. Sie kann – in elektrischer Spannung ausgedrückt – bei 2 V liegen, aber auch bei 2,1 V oder 2,001 V. Weil Microcontroller intern mit digitalen Werten arbeiten, gelten bei der Erfassung analoger Werte bestimmte Einschränkungen. Für die Arbeit mit dem micro:bit gilt, dass analoge Werte auf Ganzzahlen zwischen 0 und 1023 begrenzt sind, wobei 0 gleichbedeutend mit stromlos ( 0 V ) und 1023 gleichbedeutend mit der Versorgungsspannung (3 V) ist.

Es ist möglich, den Analogwert zu berechnen, wenn die Versorgungsspannung und die Eingangsspannung am betreffenden Pin bekannt ist. Zur Berechnung dient diese Formel:

    \[analoger Wert = \frac{Eingangsspannung}{Versorgungsspannung} \cdot 1024 \]

Beispiel: Wenn an einem Pin eine Spannung von 1,5 V anliegt und die Versorgungsspannung 3 V beträgt, liest der micro:bit einen analogen Wert von 512 aus.

Löst man die Formel nach der Eingangsspannung auf, lässt sich diese aus dem analogen Messwert berechnen:

    \[ Eingangsspannung = \frac{analoger Wert}{1024} \cdot Versorgungsspannung \]

vBeispiel: Wenn der micro:bit an einem Pin den analogen Wert 512 ausliest und die Versorgungsspannung 3 V beträgt, liegt die Eingangsspannung an diesem Pin bei 1,5 V.

Digitaler Input und Output in MakeCode

Um mit Eingabe- und Ausgabewerten an den Pins des micro:bit in MakeCode arbeiten zu können, benötigt man die Programmierblöcke unter "Fortgeschritten" und dann "Pins".

pins-menue

Digitale Werte lesen

Der Block "digitale Werte von Pin" erfasst, ob an dem angegebenen Pin eine Spannung anliegt oder nicht. Liegt eine Spannung an, gibt er eine 1 zurück; liegt keine Spannung an, gibt er eine 0 zurück. Die zu messende Spannung muss ausreichend hoch sein, damit der Block eine 1 zurückgibt. Beim micro:bit ist das in der Regel mindestens die Hälfte der Referenz- bzw. Versorgungsspannung. Da diese bei 3 V liegt, beträgt die Mindestspannung für die positive Erfassung am Pin 1,5 V.

block-digitale-werte

Digitale Werte schreiben

Der Block "schreibe digitalen Wert von Pin" legt für den angegebenen Pin einen Ausgabewert von 0 oder 1 fest. Wird im Block eine 0 eingestellt, entspricht dies einer Ausgangsspannung von 0 V . Wird im Block eine 1 eingestellt, entspricht dies der Versorgungsspannung.

block-schreibe-digitalen-wert

Aufgaben

Die Schüler*innen beginnen mit dem Bauen des abgebildeten Schaltkreises . Vor dem Bearbeiten der Aufgabe empfiehlt es sich zu prüfen, ob alle Schüler*innen den Schaltkreis korrekt aufgebaut haben. Dazu kann ganz einfach die rote Leitung , die an P2 angeschlossen ist, in den positiven Leiter (+) gesteckt werden. Ist die Schaltung korrekt aufgebaut, leuchtet die rote LED auf. Achte dabei darauf, dass das Steckbrett mit Strom versorgt ist, entweder über den micro:bit oder über eine externe Batterie .

kredsløb

Aufgabe 1

In Aufgabe 1 sollen die Schüler*innen ein Programm erstellen, das die LED zum Blinken bringt, wenn der Knopf (Taster) gedrückt wird. Wir schlagen folgende Vorgehensweise vor:

  1. Bringe die LED zum Leuchten.
  2. Bringe die LED nur dann zum Leuchten, wenn der Knopf gedrückt wird.
  3. Bringe die LED zum Blinken.
  4. Bringe die LED nur dann zum Blinken, wenn der Knopf gedrückt wird.

Nachstehend findest du zwei Lösungsvorschläge für die Aufgabe.

programm-5-1

Lösung 1

Der erste Lösungsvorschlag stellt die einfachste Lösung dar. Wahrscheinlich werden die meisten Schüler*innen eine solche Variante wählen.

programm-5-2

Lösung 2

Dieser Lösungsvorschlag ist etwas fortgeschrittener, stellt aber die formell korrektere Lösung dar.

Quiz

Zu dem Heft gibt es einen Quiz, der einen Eindruck davon vermittelt, wie gut die Schüler*innen das Material verstanden haben und ob es bestimmte Dinge gibt, an denen intensiver gearbeitet werden muss. Die Schüler*innen dürfen das Heft beim Quiz als Hilfsmittel benutzen, da sie so lernen, nach den Antworten im Heft zu suchen, anstatt nur zu raten.

Wenn du den Quiz mit deinen Schüler*innen durchführen willst, musst du zuerst einen Link für deine Klasse einrichten, damit du später die Ergebnisse abrufen kannst. Hier ist die Webadresse für die Quizregistrierung:

http://www.teknologiskolen.dk/haefter/haefte-5/

Klicke auf die Schaltfläche "Opret klassekode" (Klassencode erstellen). Dadurch gelangst du zu einer Webseite, die einen Link bereitstellt, den die Schüler*innen für den Zugang zum Quiz benötigen. Daneben werden zwei Codes angezeigt: der Code, den du zum Abrufen der Ergebnisse brauchst, und der Klassencode. Es ist wichtig, dass du beide Codes notierst. Sie sind in Fettschrift dargestellt.

Durch Klicken auf die Schaltfläche "Klik her for at generere et kortlink" (Kurzlink erstellen) gelangst du auf die Website www.kortlink.dk. Dort wird der lange Link, den deine Schüler*innen für den Zugang zum Quiz brauchen, in einen Kurzlink umgewandelt. Der Vorteil eines Kurzlinks ist, dass er sich schnell an die Tafel schreiben lässt und abgeschrieben werden kann, um den Quiz aufzurufen. Durch Klicken auf den Link wird eine neue Seite angezeigt, die so aussieht:

kortlink

Den so erstellten Kurzlink (im Beispiel hier: kortlink.dk/24she) kannst du an die Tafel schreiben. Das erleichtert den Schüler*innen das Eingeben am Computer, Tablet oder Smartphone.

Wenn die Schüler*innen den Quiz öffnen, steht der Klassencode ganz oben wie in diesem Beispiel:

klassekode

Die Schüler*innen dürfen den Klassencode nicht verändern. Falls beim Quizaufruf kein Klassencode angezeigt wird, kann er nachgetragen werden – du hast ihn auf der Webseite erhalten, auf der du den Quizzugang eingerichtet hast.

Um später die Antworten zum Quiz abzurufen, verwendest du diesen Link: http://www.teknologiskolen.dk/haefter/haefte-5/. Hier trägst du unter "Hent resultater" (Ergebnisse abrufen) den Klassencode und den PIN-Code ein, die du zuvor notiert hast. Durch Klicken auf den Button "Hent" (Abrufen) wird eine Excel-Datei mit anonymisierten Antworten heruntergeladen.

 

hent-resultater

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