Vom Blinklicht zur Ampelschaltung - Programmieren mit dem Mikrocontroller Arduino

Vom Blinklicht zur Ampelschaltung

Gymnasium

Physik

9. | 10. Klasse

10 Unterrichtsstunden

Bestandteile

Farbseite/Farbfolie|Differenzierungsmaterial

Beschreibung

In vielen technischen Geräten sind heutzutage Mikrocontroller verbaut. Ihre Schüler sollen dies am Beispiel der Programmierung einer Ampelschaltung an einer Kreuzung erkennen. Dabei können sie bei der Autofahrerampel eine Tag-und-Nacht-Situation simulieren, während bei der Fußgängerampel per Taster die Farbe Grün, begleitet von einem Ton, angefordert werden kann. Dabei lernen sie auch elektronische Bauteile und deren Zusammenführung zu elektronischen Schaltungen kennen.
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Kompetenzen

Klassenstufe/Lernjahr:9/10
Dauer:10 Unterrichtsstunden
Kompetenzen:1. Fachwissen: Mikrocontroller kennenlernen; 2. Erkenntnisgewinnung: einzelne Bauteile programmieren und in einem Projekt zusammenführen; 3. Methodik: elektronische Schaltungen stecken und Schaltpläne erstellen
Thematische Bereiche:elektronische Schaltungen, Programmierung
Medien:Arbeitsblätter, Farbfolie, Programmcodes
Zusatzmaterialien:Lösungen und Erweiterungsmöglichkeiten zur Differenzierung

Inhaltsangabe

1. Stunde (Klassenzimmer)

Thema:Mikrocontroller im Alltag – Farbfolie
M 1 (Fo)Mikrocontroller im Alltag / Gedankenaustausch über technische Geräte und ihre Funktionsweisen, die sich auf den Einsatz von Mikrocontrollern beziehen.
M 2 (Tx)Mikrocontroller im Alltag / Austausch über die Funktionsweise eines Mikrocontrollers an einem praktischen Beispiel und Verallgemeinerung auf das EVA-Prinzip.
Benötigt:
  • OH-Projektor / Beamer / Visualiser / Whiteboard
  • Arduino-Boxen und ggf. USB-Sticks
  • mehrfach ausgedrucktes und entsprechend der Schülerzahl zugeschnittenes Word-Dokument „Arduino – Organisation“

2./3. Stunde (Computerraum)

Thema:Aufbau und Funktionsweise des Arduino / Die Arduino-Softwareumgebung
M 3 (Tx)Aufbau und Funktionsweise des Arduino-Boards / Kennenlernen und Verständnis für den Aufbau und die Funktionsweise des Arduino-Boards
M 4 (Tx)Die Arduino-Softwareumgebung – Teil 1 / Kennenlernen und Verständnis für den Aufbau und die Funktionsweise der Arduino-Softwareumgebung
M 5 (Tx)Die Arduino-Softwareumgebung – Teil 2 / Kennenlernen und Verständnis für den Aufbau und die Funktionsweise der Arduino-Softwareumgebung
M 6 (Tx)Ein erstes Blinken einer LED / Kennenlernen und Verständnis für den Aufbau eines Programmcodes (Sketches) in der Arduino-Softwareumgebung
Benötigt:
  • OH-Projektor / Beamer / Visualiser / Whiteboard
  • digitale Fassung von Schaltplan „01_Blinkende_LED“
  • Arduino-Boxen und USB-Sticks
  • 1 rote LED für jeden Schüler

4./5. Stunde (Computerraum)

Thema:Verwendung eines Steckbrettes und Autofahrerampel / Verwendung von Variablen und Ampelkreuzung
M 7 (Tx)Verwendung eines Steckbrettes und Autofahrerampel / Kennenlernen des Steckbrettes, Schaltung und Programmierung einer Ampelschaltung
M 8 (Tx)Verwendung von Variablen und Fußgängerampel / Kennenlernen der Vereinfachung eines Programmes unter Verwendung von Variablen, Schaltung und Programmierung einer Fußgängerampel
Benötigt:
  • OH-Projektor / Beamer / Visualiser / Whiteboard
  • digitale Vorlage des Word-Dokumentes „Zur Geschichte der Ampel“
  • Kopie oder digitale Vorlage des Word-Dokumentes „AB Widerstände“
  • digitale Fassungen von Schaltplänen „02_Autofahrer-Ampel“ und „04_Ampelkreuzung“
  • Arduino-Boxen und USB-Sticks
  • 2 rote, 1 gelbe, 2 grüne LEDs, fünf 220 Ω-Widerstände, 11 (5 kürzere und 6 längere) Jumperkabel für jeden Schüler

6./7. Stunde (Computerraum)

Thema:Töne mit dem Lautsprecher
M 9 (Tx)Töne mit dem Lautsprecher abspielen – Teil 1 / Kennenlernen der Funktionsweise eines Lautsprechers und des zugehörigen Befehles
M 10 (Tx)Töne mit dem Lautsprecher abspielen – Teil 2 / Programmierung von Tönen, einer Melodie und Erweiterung der Fußgängerampel um einen Blindenton
Benötigt:
  • OH-Projektor / Beamer / Visualiser / Whiteboard
  • digitale Vorlage des Word-Dokumentes „Blindenampel“
  • digitale Fassungen von Schaltplänen „05_Lautsprecher“ und „06_Ampelkreuzung_Ton“
  • Arduino-Boxen und USB-Sticks
  • 2 rote, 1 gelbe, 2 grüne LEDs, fünf 220 ꭥ -Widerstände, 13 (6 kürzere und 7 längere) Jumperkabel, 1 Piezometer für jeden Schüler

8./9./10. Stunde (Computerraum)

Thema:Die Ampel bei Tag und Nacht / Auf Knopfdruck wird es grün
M 11 (Tx)Die Ampel bei Tag und Nacht / Kennenlernen der Funktionsweise eines lichtabhängigen Widerstandes und der zugehörigen Programmierung
M 12 (Tx)Auf Knopfdruck wird es grün / Kennenlernen der Funktionsweise eines Tasters und der gehörigen Programmierung
Benötigt:
  • OH-Projektor / Beamer / Visualiser / Whiteboard
  • Kopie und/oder digitale Vorlagen der Word-Dokumente „AB Serieller Monitor“ und, „AB Spannungsteiler“
  • digitale Fassungen von Schaltplänen „07_Helligkeit_seriell“, „08_Nachtampel“ und „09_Ampelkreuzung_Tag_und_Nacht“
  • digitale Fassungen von Schaltplänen „10_Taster_Unterprogramm“ und „11_Ampelkreuzung_Tag_und_Nacht_Taster“
  • Arduino-Boxen und USB-Sticks
  • 2 rote, 1 gelbe, 2 grüne LEDs, Zwei 10–kΩ– und fünf 220–Ω-Widerstände, 20 (10 kürzere und 10 längere) Jumperkabel, 1 Taster, 1 Piezometer für jeden Schüler

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