Physical Computing

Rahmenbedingungen für die Projektarbeit
In dieser Anleitung für den Elegoo UNO findet ihr, wie ihr die verschiedenen Komponenten verbinden müsst. Hier der Code (.ino-Datei) zu jeder Lektion in der Anleitung. Es kann sein, dass ihr zusätzliche Bibliotheken installieren müsst (siehe S. 25 in der Anleitung), aber die meisten notwendigen Bibliotheken sind bereits vorinstalliert. Die .zip-Datei findet ihr hier: Bibliotheken.
Ihr bleibt in der gleichen Zweiergruppe wie bisher. Euer Projekt muss einen klaren Zweck haben. Zum Beispiel: Ein Arduino schaltet einen Ventilator an oder aus, wenn es warm oder kalt ist. Das Projekt soll realistisch sein. Es muss mit den vorhandenen Materialien umsetzbar sein. Alles, was bestellt werden muss, muss vorher genehmigt werden. Bis Ende Juni müsst ihr Folgendes abgeben: Projektbeschreibung (Was macht euer Projekt? Warum ist es im Alltag nützlich?) Schaltplan (gezeichnet, mit Tinkercad oder einer anderen Simulations- oder Zeichensoftware) Arduino-Code Eine genaue Materialliste (alle Teile, die ihr braucht) Den fertigen Aufbau (also das echte Projekt mit allen Teilen) könnt ihr mir im Juli zeigen.

Rahmenbedingungen für die Projektarbeit

In dieser Anleitung für den Elegoo UNO findet ihr, wie ihr die verschiedenen
Komponenten verbinden müsst.

Hier der Code (.ino-Datei) zu jeder Lektion in der Anleitung.

Es kann sein, dass ihr zusätzliche Bibliotheken installieren müsst (siehe S. 25 in der Anleitung),
aber die meisten notwendigen Bibliotheken sind bereits vorinstalliert.
Die .zip-Datei findet ihr hier: Bibliotheken.

Ihr bleibt in der gleichen Zweiergruppe wie bisher.

Euer Projekt muss einen klaren Zweck haben.
Zum Beispiel: Ein Arduino schaltet einen Ventilator an oder aus, wenn es warm oder kalt ist.

Das Projekt soll realistisch sein.
Es muss mit den vorhandenen Materialien umsetzbar sein.
Alles, was bestellt werden muss, muss vorher genehmigt werden.

Bis Ende Juni müsst ihr Folgendes abgeben:
Projektbeschreibung (Was macht euer Projekt? Warum ist es im Alltag nützlich?)

Schaltplan (gezeichnet, mit Tinkercad oder einer anderen Simulations- oder Zeichensoftware)

Arduino-Code

Eine genaue Materialliste (alle Teile, die ihr braucht)

Den fertigen Aufbau (also das echte Projekt mit allen Teilen) könnt ihr mir im Juli zeigen.

6. Mit dem Kit arbeiten
Erstellt auf dem Desktop einen Ordner mit dem Namen Physical Computing, in dem ihr eure Dateien speichern werdet.
Hoffentlich habt ihr jetzt eine Vorstellung davon, was man unter Physical Computing versteht. Ihr werdet jetzt mit dem Kit arbeiten, in dem (hoffentlich) alle Teile enthalten sind, die ihr für die Aufgaben benötigt. Behandelt alle Teile des Kits sorgfältig und packt sie nach jeder Stunde ordentlich weg. Andernfalls müsst ihr die Komponente als Gruppe bestellen.
7. Was ist ein Steckbrett? (Breadboard)
Damit können wir Bauteile verbinden und Schaltungen bauen, ohne zu löten. Alles ist schnell steckbar und leicht zu ändern. Auf diesem Bild seht ihr, das einige der Löcher auf dem Steckbrett untereinander leitend verbunden sind.
8. Jetzt geht's los!
Merkblatt zum Programmieren in der Arduino IDE
Verbindet euren Arduino per USB mit dem Computer. Die ON-LED sollte aufleuchten. Ihr benutzt die Arduino IDE (nicht VS Code), um eure Programme zu schreiben und hochzuladen. Optional könnt ihr zuerst in Tinkercad simulieren und die Textversion des Codes dann kopieren, oder direkt in der IDE programmieren. Tinkercad hilft, Schaltungen zu testen und Fehler zu vermeiden. Aber für diesen Auftrag habt ihr den Schaltplan schon.	Arbeitsauftrag 4 Blinkende LEDs
Eure Aufgabe ist es, eine LED so zu steuern, dass sie leuchtet, solange der Schalter gedrückt wird, indem ihr eine `if-else`-Bedingung verwendet.	Arbeitsauftrag 5 Schalter Drucktaster
Eure Aufgabe ist es, eine LED basierend auf dem Helligkeitswert des Fotowiderstands zu steuern und diesen Wert im seriellen Monitor mit `Serial.println()` anzuzeigen.	Arbeitsauftrag 6 Helligkeitssensor
Eure Aufgabe ist es, eine LED mit einem Drehregler (Potentiometer) zu steuern.	Arbeitsauftrag 7 Drehregler
Entfernungsmessung mit Ultraschall	Arbeitsauftrag 8 Ultraschall
Ein LCD eignet sich besonders gut, um Sensorwerte oder andere Ausgaben des Mikrocontrollerboards anzuzeigen.	Arbeitsauftrag 9 LCD
Mache die Challenges in diesem Skript auf den Seiten 3, 5, 6.

1. Was ist überhaupt Physical Computing?
Physical Computing bedeutet, Geräte zu bauen oder zu benutzen, die mit ihrer Umgebung interagieren. Genau das ist unser Ziel. Ihr werdet mit programmierbaren Mikrocontrollern arbeiten und dazu passende Sensoren und Aktoren einsetzen, um interaktive Projekte zu entwickeln. Wir werden im Unterricht mit dem Elegoo UNO R3 arbeiten. Das ist ein Mikrocontroller-Board, das komplett mit dem bekannten Arduino UNO kompatibel ist. Elegoo ist ein Drittanbieter, das heißt, es ist nicht von der offiziellen Arduino-Organisation, funktioniert aber genauso gut.
2. Was ist Tinkercad?
Bevor ihr etwas baut, ist es hilfreich, es zuerst virtuell zu entwerfen und zu simulieren. Tinkercad ist eine webbasierte Plattform, mit der genau das möglich ist. Hier findet ihr die Zugangsdaten (Domain: @stu.kls-berlin.de) Auf Tinkercad klickt ihr auf Anmelden und dann auf Schüler mit Klassencode. Danach loggt ihr euch mit dem Klassencode und eurem Spitznamen ein.
3. Elektrizitätslehre
Bevor ihr mit einem Mikrocontroller arbeitet, ist es wichtig, dass ihr die Grundlagen der Elektrizität kennt. Also: Spannung, Strom und Widerstand. Schaut euch diese Lernvideos an, damit ihr gleichzeitig die Tinkercad-Funktionalität und die Grundlagen der Elektrizitätslehre versteht.	Lernvideos Einführung: Tinkercad Circuits Stromkreis, Spannungsquelle und Verbraucher Ein- und Ausschalten mit einer Taste oder einem Schalter LED und Vorwiderstand Strom mit dem Multimeter messen Spannung mit dem Multimeter messen Spannungsteiler (Fortgeschritten)
Macht die Schritte mit und schaut die Videos nicht nur passiv an. Wenn die Grundlagen nicht sitzen, seid ihr bei komplizierteren Schaltungen später schnell durcheinander. Arbeitsauftrag 1 Für jede Schaltung aus den Videos erstellt ihr einen separaten Entwurf in Tinkercad und speichert ihn mit einem passenden Namen, zum Beispiel LED Vorwiderstand für die Schaltung aus dem Video über LED und Vorwiderstand.
4. Was ist überhaupt ein Mikrocontroller?
Ein Mikrocontroller ist ein Ein-Chip-Computersystem. Das bedeutet, es ist ein kleiner Computer, bei dem alle wichtigen Teile auf einem einzigen Chip sitzen. Im Vergleich zu einem normalen Computer ist ein Mikrocontroller aber viel weniger leistungsstark. Der große Vorteil von Mikrocontrollern ist, dass sie genau für eine bestimmte Aufgabe entwickelt werden können. Außerdem sind sie sehr günstig, was sie ideal für viele einfache Anwendungen macht. Wir werden mit dem Arduino-Mikrocontroller arbeiten!	Beispiel Ein Trockner in der Toilette enthält oft einen Mikrocontroller. Der Mikrocontroller bekommt ein Signal vom Bewegungssensor, wenn jemand die Hände darunter hält Dann startet er den Motor, der warme Luft bläst, und stoppt ihn wieder nach ein paar Sekunden. Der Mikrocontroller steuert also den kompletten Ablauf vom Erkennen der Bewegung bis zum Ausschalten des Trockners.
5. Der Arduino-Mikrocontroller (oder seine Clones)
LEDs mit Arduino steuern Ihr werdet mit Hilfe des Arduino LEDs zum Blinken bringen und gezielt steuern. Zuerst werdet ihr alles auf Tinkercad umsetzen.	Lernvideos Mikrocontroller und LED LED steuern LED blinken LED Fade-In programmieren RGB-LED steuern
Arbeitsauftrag 2 Für jede Schaltung aus den Videos erstellt ihr einen separaten Entwurf in Tinkercad und speichert ihn mit einem passenden Namen, zum Beispiel LED Fade In für die Schaltung aus dem Video über das Programmieren eines LED Fade-In-Effekts.
Arbeitsauftrag 3 Erstellt eine Schaltung mit zwei LEDs, die abwechselnd blinken. Wenn die eine an ist, ist die andere aus und umgekehrt. Speichert euren Entwurf unter dem Namen Wechselblinker.
Zusatzaufgabe Recherchiert selbstständig, was eine 7-Segment-Anzeige ist, wie sie funktioniert und wie man sie mit dem Arduino ansteuern kann. Erstellt anschließend eine Schaltung mit einer 7-Segment-Anzeige. Lasst euch zuerst die Ziffer `4` anzeigen. Programmiert danach einen Countdown-Zähler, der in Sekundenschritten von 9 bis 0 zählt. Achtet darauf: Ihr müsst alle Anschlüsse der 7-Segment-Anzeige mit dem Arduino verbinden. Das sind in der Regel bis zu 10 Pins. Speichert euren Entwurf unter dem Namen Countdown9_0.