KE2f 10

Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Kurseinheit 2
1. Elektronik
21.06.2012
3. Software
Die Leuchtdiode
Der Widerstand
Vorwiderstand und
Ohmsches Gesetz
Taster und Schalter
2. Mikrorechnertechnik
Versorgungsspannunng,
Ein- und Ausschalten
Eigenschaften von digitalen
Ein- und Ausgängen
Bits und Bytes
Variablen und Datentypen
Zahlensysteme
Der Serielle Monitor
Programme “Zahlen 1-3“
Nutzung von Variablen in
einem Wechselblinker und
Einlesen von Tasten
Anhänge
Zahlensysteme
10er-Potenzen
Farbcodierung Widerstände
Email: [email protected]
1
Spaß an Technik: Elektronik
Elektronik
Bauteile,Theorie, Formeln...
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
2
Spaß an Technik: Elektronik
Bauelement Leuchtdioden,
Bauformen und Polung
Quelle: Wikipedia
Quelle: Conrad-Katalog
Quelle: luces-led
Quelle: hpw-modellbahn.de
Quelle: Conrad-Katalog
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Quelle: Conrad-Katalog
3
Spaß an Technik: Elektronik
Aufbau LED
Linsenförmiges Kopfende,
Zylinderförmiger Grundj
Anschlussdraht für Halbleiterkristall
Halbleiterkristall
Als Rweflektor ausgeführte Halterung
für den Halbleiterkristall
Herausgeführte Anschlussdrähte
(Minuspol kurzer Draht)
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Quelle Foto:
Wikpedia
4
Spaß an Technik: Elektronik
Silizium:
Schlechter
Leiter
Halbleiteraufbau Diode
Silizium mit Phosphor
dotiert :
Überschüssige Elektronen
N
Elektronenfluß
Löcher und
Elektronen
sind
beweglich
Verarmungszone:
Elektronen verbinden sich mit
Löchern
P
Silizium mit Bor dotiert“ :
Überschüssige Löcher (!)
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Spaß an Technik: Elektronik
Arbeitsweise der LED
Quelle Smileys:
http://www.smilies.4user.de/
Quelle: Images SI Inc.
(Hrsg.), Photovoltaic
Cells – Generating
electricity, Images SI
Inc., Staten Island NY
2007
Bei Anlegen von Spannung werden die überschüssigen Elektronen über die
Verarmungszone in die Löcher getrieben (Rekombination). Das P-Material muss dabei
ein wesentlich niedrigeres Enegiepotential haben als das N-Material. Beim Sprung der
Elektronen vom hohen Energiepotential auf das niedrige Enegiepotential geben sie
Energie in Form von Licht ab.
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6
Spaß an Technik: Elektronik
LED-Kennlinie Spannung / Strom
Quelle: http://www.elektronik-kompendium.de
Quelle: www.nullohm.de
Die Leuchtdiode reagiert bei Anlegen einer Spannung erst nach
ca. 2V mit einem Stromfluss. Dann jedoch geht der Strom sehr
schnell in die Höhe und würde die Leuchtdiode zerstören. Daher
wird zur Begrenzung ein Vorwiderstand benötigt..
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7
Spaß an Technik: Elektronik
Bauelement Widerstand
SMD-Bauformen
Schaltbild
(US)
Bedrahtete Bauformen
Widerstände für verschiedene
Leistungen
Widerstände werden aus Graphit(Kohle), Metallfilm oder Widerstandsdraht hergestellt.
Quelle Bilder: Wikipedia
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8
Spaß an Technik: Elektronik
Funktion Widerstand
Ein Widerstand besteht aus
schlecht(er) leitendem Material
(weniger bewegliche Elektronen)
und behindert den Stromfluss.
Diese „Behinderung“ wird in
genau bemessenen Werten
hergestellt.
Die Einheit des Widerstandswertes ist Ohm.
Einheitenzeichen: Ω (großes griechisches Omega).
Formelzeichen ist R (Resistance)
Ein Widerstand, an den 1 Volt angelegt wird und
bei dem 1 Ampere fließt, hat den Wert 1 Ohm
Georg Simon Ohm
Quelle: Wikipedia
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Spaß an Technik: Elektronik
Ohmsches Gesetz
Zum Betrieb einer Leuchtdiode wird ein Vorwiderstand benötigt.
Wie berechnet man diesen Vorwiderstand ?
R
Wenn die LED an 5V betrieben werden soll, dann müssen 3V am
Ur = 3V Widerstand abfallen. Außerdem sollen 20mA Strom fließen.
Ub =
5V
Das geht mit dem Ohm´schen Gesetz :
Id =
20mA
Uf = 2V
U=R*I
Spannung = Widerstand * Strom
Die Formel lässt sich auch umstellen:
R = Ur / Id, 3V / 0,02 A = 150Ω
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10
Spaß an Technik: Elektronik
Bauelemente Taster / Schalter / Kontakte
Kippschalter
Mikroschalter
Taster
Leiterplatten-Taster
Reed-Kontakte
(magnetisch betätigbar)
Schiebeschalter
Schaltzeichen
Taster und Schalter sind Bauelemente in denen mechanische Kontakte arbeiten. Bei
Betätigung werden Kontakte bewegt, so das sie sich berühren (Schließer) oder sich
trennen (Öffner). Auch Umschalter werden hergestellt.
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Spaß an Technik: Elektronik
Unterscheidung Taster / Schalter
Taster unterscheiden sich in verschiedenen Eigenschaften, typische Werte:
Typ
Max. Strombelastung
Minimalstrom
Prellen
Max. Anzahl
Schaltspiele
Kippschalter
groß
10A
ca. 10mA
<15ms
ca. 100000
Kippschalter
klein
0,1A..2A
0,1...1mA
<4ms
ca. 3 Mio
Taster Einbau
1,5A
ca.1mA
<10ms
ca. 200.000
Taster
Leiterplatte
<250mA
ca.1mA
<5ms
ca. 1 Mio
Mikroschalter
0,1...10A
ca.1mA
<2ms
ca.10 Mio.
ReedKontakte
<1A
0,01mA
(Schutzgas !)
<2ms
ca. 30-100 Mio
Relaiskontakte
<20A
1mA
<5ms
<20 Mio
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Spaß an Technik: Elektronik
Prellen bei Taster / Schalter
a
a
b
b
Ein
Aus
Prellzeiten < 10ms
Zeit
Der Schalterdkontakt federt nach Aufschlag auf die Zielelektrode noch mehrmals
zurück
Billige oder massive Schalter prellen mehr als Präzisionskontakte. Für Elektronik- und
Softwareanwendungen muss der Kontakt entprellt werden. Das geschieht nachdem
die Signaländerung erkannt wurde ca. 10ms später durch weiteres Einlesen zum
Zeitpunkt b.
Je grober die Bauart und je schlechter die Qualität des Kontaktmaterials ist desto mehr
prellt ein Schalter.
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Mikrorechnertechnik
Prinzipien,Strukturen, Eigenschaften...
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Eigenschaften von Ausgängen
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Eigenschaften von Eingängen
Mit der Funktion
pinMode(pin, mode)
kann man die DigitalPins als Eingang
konfigurieren. Es
kommen die Pins D2D13 in Frage. Die Pins
A0-A7 können falls
benötigt ebenfalls als
Digitaleingang
konfiguriert werden.
Es können Pull-UpWiderstände aktiviert
werden (standardmäßig
aktiv)
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Eigenschaften von Ein- und Ausgängen
Schutzwiderstand
1..10kOhm
20...50kOhm
max. 1µA
Digitaleingänge sind mit einem Schutznetzwerk gegen Spannungspitzen gesichert. Wenn
Spannungen über Betriebspannung (5V) oder unter 0V anliegen so werden sie über Dioden
abgekappt. Wenn das Eingangssignal von einem andren System oder über ein langes
Kabel kommt, muss ein Vorwiderstand verwendet werden, sonst sind die winzigen SchutzBauteile im Chip gefährdet
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Eigenschaften von Eingängen
Logische 0: 0...0,3V
Logische 1: 0,6...5V
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Versorgungsspannung Ein- und Ausschalten
Beim Aufbau der Experimente verwenden wir getrennte Stromversorgungen für den
Arduino und den Reset der Schaltung. Das ist notwendig damit der PC den Anschluss
der USB- Schnittstelle erkennt. Außerdem stellt die USB-Schnittstelle des Rechners
Arduino Nano
5V max. 0,1A
Einschalten: Erst Netzteil einstecken, dann USB-Kabel einstecken !
Ausschalten: Erst USB-Kabel rausziehen, dann Netzteil abziehen !
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Schaltplan für die Experimente Zahl1 und folgende
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Spaß an Technik: Mikrorechnertechnik
Verdrahtung für die Experimente Zahl1 und folgende
R4
680
R3
680
LED2
LED1
Taste2 Taste1
R1 150
+5V
R2 150
0V
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Spaß an Technik: Software
Software
Programmierung, Strukturen, Werkzeuge...
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Spaß an Technik: Software
Bits und Bytes, Zahlen
1 Bit ist die kleinste Informationseinheit bei digitalen Strukturen 1 = EIN, 0 = AUS
●
1 Byte besteht aus 8 Bits und kann 256 verschiedene Werte einnehmen. Bei unserem
Rechner ist das die „Wortbreite“. Alle Rechnungen werden intern mit Zahlenelementen
vorgenommen, die in diesem Bereich liegen (8-Bit-Prozessor)
●
1 Bit
Wertigkeit: 20 = 1
Wertebereich: {0,1}
1 Byte
Wertigkeit: 27
128
0
Wertebereich:
1
26
64
0
25
32
0
24
16
0
23
8
0
22
4
0
21
2
0
20
1
0
1
1
1
1
1
1
1
=0
= 255
Beispiel:
1
0
0
1
0
1
1
= 64+8+2+1= 75
0
Weitere Informationen im Anhang
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23
Spaß an Technik: Software
Variablen und Zahlensysteme
Beim Aufbau eines Programms treten feste Zahlen und sich ändernde Zahlen auf.
Feste Zahlen bezeichnet man als Konstanten, sie ändern sich im Betrieb nicht.
Veränderbare Zahlen werden in Variablen untergebracht und sind Zwischenergebnisse oder Endergebnisse.
Variablen kennzeichnen Speicherplätze (Schreib/Lese.Speicher, RAM), in denen
bestimmte Datentypen untergebracht sind. Die Datentypen beschreiben den
Wertebereich und die Darstellung der Zahlen in Binärform.
Datentyp
Anzahl Byte
Wertebereich
Anmerkung
void
-
-
Kennzeichnung für
„keine Variable“
boolean
1 Bit
0,1 oder HIGH,
LOW
char
1 Byte
ASCII-Zeichen,
0...255
signed char
1 Byte
-128...127
byte
1 Byte
0...255
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ASCII: Codierung
für Zeichensatz
Für logische
Muster
24
Spaß an Technik: Software
Variablen und Zahlensysteme
Datentyp
Anzahl Byte
Wertebereich
int
2 Byte
--32,768 to 32,767
unsigned int
2 Byte
0...65535
word
2 Byte
0...65535
long
4 Byte
-2,147,483,648 to
2,147,483,647.
unsigned long
4 Byte
0 ...
4,294.967.295
float
4 Byte
-3.4028235E+38.
…
3.4028235E+38 .
double
-
-
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Anmerkung
Wie unsigned int
Nicht existent für
GNU-AVR, wird
wie float behandelt
25
Spaß an Technik: Software
Deklaration von Variablen
boolean someVariable = HIGH; // deklariert 'someVariable'
// als eine ´boolean´ Größe
byte someVariable = 180; // deklariert 'someVariable'
// als einen 'byte' Datentyp
int someVariable = 1500; // deklariert 'someVariable'
// als einen 'integer' Datentyp
float someVariable = 3.14; // deklariert 'someVariable'
// als einen 'float' Datentyp
Die Variablennamen sind Platzhalter für Speicherplätze, die im Verlauf des
Progarmmablaufs mit berechneten Werten gefüllt werden und gelesen werden.
● Die Zuweisungen z.B. „= 180“ werden nur gemacht, um bei Start des Programms
einen definierten Wert in der Variablen vorzufinden.
●
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26
Spaß an Technik: Software
Debugging mit dem Seriellen Monitor
Während ein Programm läuft, kann man über die USB-Schnittstelle Daten auf ein in der
Entwicklungsumgebung eingebauten Monitor ausgeben lassen.
........................
.........................
Beide Aufrufe rufen eine Arduino-Bibliothek auf. Es können Zahlen und Texte
ausgegeben werden. Siehe Hilfe/Referenz/Serial (rechts unten)
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27
Spaß an Technik: Software
Rechnen mit C
In C lassen sich unabhängig vom Datentyp die Grundrechenarten ausführen *.
var_a = var_b + 20;
var_c = var_b – var_a;
var_b = var_a * 10;
var_a = var_b / 100;
* % geht
nicht bei float !
var_b = var_b % 100; // Divisionsrest errechnen
var_c = var_c + 10; // Ergebnis = alter Wert + 10
var_a = var_b * (var_c + 15); // Anwendung Klammern
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28
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen1 (a)
Initialisierung der seriellen
Schnittstelle
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29
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen1 (b)
Quelle:
http://cyberneticzoo.com/
Anzeige Variablenwert
auf Seriellem Monitor
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30
Spaß an Technik: Software
Debugging mit dem seriellen Monitor
Aufruf des Monitors, der
Mikrorechner bekommt gleichzeitig
einen Reset und startet neu. Wichtig
ist die Einstellung der
Übertragungsrate, der Wert des
Monitors ist unten rechts im Fenster
zu sehen.
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Monitorfenster
31
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen (Änderungen)
Rechnen mit Variablen
Der Blinktakt wird immer schneller bis zum Überlauf der Variable
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32
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen3
(a)
Programm
Zahlen3
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33
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen3 (b)
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34
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen4 (a)
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35
Spaß an Technik: Software
Programm Zahlen4 (b)
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36
Was könnte man noch ausprobieren ?
- Testet mal aus was passiert, wenn Ihr die Variablen mit der Random-Funktion
füllt ! ( Info dazu in Referenz)
- Nehmt Euch einen Piezo-Lautsprecher und einen 150 Ohm-Widerstand mit und
erzeugt mal am Ende des Programms einen Piepton mit der Funktion tone()
(kriegen wir das nächste mal, Info in Referenz)
- Erhöht den Piepton mal bei jedem Durchlauf ! (Achtung, wenn dann jemand
fragt „Soll ich jetzt den roten oder den blauen Draht durchschneiden ?“am besten
aufhören ! )
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37
Anhang
Anhang
Tabellen, Zusatzinfos, Verfahren...
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38
Anhang: Zahlensysteme
Unter http://de.wikipedia.org/wiki/Dualsystem#Entwicklung_des_Dualsystems und
http://www.dualzahlen.de findet man eine Beschreibung des Dualen Zahlensystems.
Dual (Binär) bedeutet 2-wertig. In der Digitaltechnik kann man besonders gut mit 2
Zuständen arbeiten (EIN,AUS).
Negative Zahlen
Wenn negative Zahlen in einer Variablen verwendet werden sollen, dann wird der
Zahlenbereich aufgeteilt
1 Byte
26
64
0
25
32
0
24
16
0
23
8
0
22
4
0
21
2
0
20
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
=0
= 127
Bedeutet neg. 1
Zahl
1
1
1
1
1
1
1
= -126
Wertigkeit: 27
128
Wertebereich: 0
Beispiel:
0
1
0
0
1
0
1
1
= 64+8+2+1= 75
Beispiel:
1
1
0
0
1
0
1
1
= -75
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39
Anhang: Zahlensysteme
Umrechnung positive in negative Werte (Zweierkomplement)
http://www.dualzahlen.de/komplemente.html
Welchen Bitwert bekomme ich, wenn ich eine negative Zahl ablege ?
Wert:
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
1
0
0
Komplement+1: 1
0
1
1
0
1
0
1
Komplement:
= 64+8+2+1= 75
= -75
Bedeutet neg.
Zahl
Wie kann ich aus einem Bitwert einer negative Zahl deren Betrag erkennen ?
Wert:
1
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
Komplement+1: 0
1
0
0
1
0
1
1
Komplement:
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
= -75
40
Anhang: Zahlensysteme
http://www.avrfreaks.net/wiki/index.php/Documentation:AVR_Float
Ablage von Fliesskommazahlen (float) in 4 Byte
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41
Anhang: Zahlensysteme
Speichern von Texten
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42
Anhang: Abkürzungen 10er-Potenzen
Abkürz. Faktur
Potenz
Beispiel
-
1
100
Ohm
kilo
1.000
103
Kiloohm
mega
1.000.000
106
Megaohm
giga
1000.000.00
0
109
Gigaohm
Abkürz.
Faktur
Potenz
Beispiel
milli
1/1000
10-3
Millimeter
mikro
1/1.000.000
10-6
Mikrofarad
nano
1/.1.000.000.000
10-9
Nanofarad
pico
1/1.000.000.000.000
10-12
Picofarad
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43
Anhang: Farbcode Widerstände
Quelle: Wikipedia
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
44
Anhang: Farbcode Widerstände
Quelle: Wikipedia
DARC, OV H08 DK4AQ, Axel Schultze
45
Ende
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46