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Physical Computing

Einführung mit Arduino und Scratch

MINT Labortage 2018

Donnerstag, 13. September 2018 Hochschule Fulda, Fachbereich Angewandte Informatik

Rabanus-Maurus-Schule Fulda, Klasse 7

Peter Klingebiel, HS Fulda, Fachbereich AI

Physical Computing - Peter Klingebiel - 13. September 2018 2

Ablauf des Labortages 1

• Wer sind wir? – Peter Klingebiel, Dipl.-Ing. Maschinenbau – 21 Jahre Leiter DVZ der Hochschule Fulda,

heute: Dozent im Fachbereich AI

– Vanessa Günzel, Studierende der Informatik



• Wer seid Ihr? – Interesse an Physik und Informatik? – Kenntnisse in Physik und Informatik? – Kenntnisse in Programmieren? – ???

• Thema: Physical Computing

– Was ist das? – Was versteht Ihr darunter?



• Was wollen wir heute machen? – Was ist Physical Computing? – Wie funktionieren Computer? – Was sind Programme? – Grundlagen der Programmierung – einfache Beispiele von Scratch-Programmen

– Experimente und praktische Übungen mit

Arduino und Scratch


Physical Computing 1

• Wikipedia sagt: „Physical Computing bedeutet im weitesten Sinne, interaktive, physische Systeme durch die Verwendung von Hardware und Software zu erstellen.“ https://de.wikipedia.org/wiki/Physical_Computing

https://de.wikipedia.org/wiki/Physical_Computing



• Uni Bamberg:

„Physical Computing sind Anwendungen der Informatik (computing) in direkter Interaktion mit der – physikalischen – Umwelt. Es werden Systeme betrachtet, die ihre eigene Umgebung durch Sensoren erfassen und so auf den jeweiligen Systemkontext angepasst agieren. Anwendungsgebiete von Physical Computing sind interaktive Systeme, mobile Systeme, autonome Roboter oder Smart Environments.“ https://www.uni-bamberg.de/en/ai/smart-environments/teaching/physical-computing/

https://www.uni-bamberg.de/en/ai/smart-environments/teaching/physical-computing/




• Systeme des Physical Computing bestehen aus: • Computern, meistens spezielle Mikrokontroller,

die viele Ein- und Ausgänge zum Anschluß von Sensoren und Aktoren bieten

• Sensoren, mit denen die Umwelt erfasst wird, z.B. Temperatur-, Luftfeuchte-, Helligkeits-, Abstands-Sensoren u.v.a.m.

• Aktoren, mit denen auf die Umgebung eingewirkt werden kann, z.B. Schalter, Motoren u.v.a.m.

• Programme, mit denen die Aufgabenstellung kodiert ist und die im μC ablaufen



Wie funktionieren Computer? 1



• Computer ? – Mikroprozessoren (CPU), -Kontroller (μC) – Ein- und Ausgabe-Schnittstellen, -geräte – Speicher – und und und …

– Hardware („Blech“)

• Computer funktionieren nur mit – Programmen!

– Software


Was sind Programme? 1

• Computer … – … funktionieren nur mit

Programmen / Software • Programme beschreiben …

– … was ein Computer tun soll (Aufgabe, Problem)

– … wie ein Computer seinen Job erledigen soll (Ablauf)

• Programme gibt es für – allgemeine Aufgaben (z.B. Windows) – spezielle Aufgaben (z.B. Physical Computing)


Arduino 2 • Vielzahl an Boards, auch für Sonderbereiche • Vielzahl an Herstellern von Boards und

Komponenten • Vielzahl an sog. Shields, z.B. Ethernet, WiFi,

Sensoren, … • Vielzahl an Komponenten wie LEDs, Sensoren,

Aktoren, Motoren, … • Vielzahl an Einsatzfeldern, z.B. Robotics,

Internet of Things, Hausautomatisierung, Wearables, …

• viele Anleitungen in Literatur und Internet, z.B. – https://funduino.de – http://www.netzmafia.de/skripten/hardware/Arduino/index.html

https://funduino.de/vorwort

http://www.netzmafia.de/skripten/hardware/Arduino/index.html


Arduino 2

• Wikipedia: https://de.wikipedia.org/wiki/Arduino_(Plattform)

• Arduino (zwischenzeitlich auch Genuino) • Open Source Hardware- und Software-Plattform • entwickelt von Massimo Banzi und David

Cuartielles auch für künstlerischen Einsatz von IT-Komponenten

• benamst nach Arduin von Ivrea, der 1002-1014 italienischer König war

• Programmierung in C und C++ in einer eigenen Processing-basierten IDE

• Homepage: https://www.arduino.cc

https://de.wikipedia.org/wiki/Arduino_(Plattform)

https://www.arduino.cc/


Arduino UNO 1

USB-Anschluß

CPU: Atmel ATmega328

Mikrocontroller

Reset-Schalter

Externe Strom-

versorgung

GND Masse

Serielle Pins In und Out

Digitale Ein-/Ausgänge Pin 2 bis Pin 13

GND Analoge Eingänge Pin A0 bis Pin A5

5V 3.3V

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Arduino Nano 1

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USB-Anschluß

GND

Reset- Taster

5V 3.3V

GND CPU Atmel ATmega328

11 digitale Eingänge D0 bis D13

8 analoge Eingänge A0 bis A7

Serielle Pins RX und TX


Schaltung 1

• Nano und LED auf Breadboard


Schaltung 2

• Schaltungsgrafik mit Fritzing-Software

http://www.fritzing.org/


Breadboard 1

• Steckbrett - Schaltungen ohne Löten

Physical Computing - Peter Klingebiel - 13. September 2018

Breadboard 2 • Verbindungen der Lochreihen

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Bus Stripes für VCC und GND

Bus Stripes für VCC und GND

Terminal Stripes für Komponenten


Steckkabel 1

•


LED 1

• Aufbau und Schaltbild einer LED

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Potentiometer 1

• Einfaches Potentiometer 10 kOhm

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PIR Bewegungssensor 1

• Passiver Infrarot Bewegungssensor

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Ultrasonic Entfernungssensor 1

• Ultraschall Entfernungssensor

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Servomotor 1

• Servomotor 0 bis 180 Grad Winkel

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Beispiel: Lego Bauanleitung



• Definition:

„Programmieren ist eine Tätigkeit, bei der versucht wird, durch systematischen Einsatz einer gegebenen Programmiersprache ein gestelltes Problem zu lösen.“ aus: H. Balzert, Lehrbuch Grundlagen der Informatik, 1999

• Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Programmierung

http://de.wikipedia.org/wiki/Programmierung


Was sind Programme? 3 • Definition:

„Algorithmen, die von einem automa-tischen Prozessor abgearbeitet werden, bezeichnet man als Programme. Ein Programm stellt die Realisierung eines Algorithmus dar. Im Gegensatz zu einem Algorithmus ist ein Programm konkreter und eingeschränkter.“ aus: Balzert, Lehrbuch ...

• Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Computerprogramm

http://de.wikipedia.org/wiki/Computerprogramm



• Definition:

„Algorithmus (Plural: Algorithmen), Problemlösungsbeschreibung, die festlegt, wie ein Problem gelöst werden soll.“ aus: Balzert, Lehrbuch ...

• Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Algorithmus

http://de.wikipedia.org/wiki/Algorithmus



• Entwicklung von Programmen: • Aufgabe / Problem so genau wie möglich

beschreiben – Beispiel: Idee / Ziel eines Computerspiels

genau beschreiben • Lösungsweg (Algorithmus) suchen und

so genau wie möglich beschreiben – Bsp: Ablauf des Spiels genau beschreiben

• Programm entwickeln (programmieren) – Bsp: Computerspiel / Ablauf des Spiels in eine

Programmiersprache umsetzen / codieren



• Einfaches Programm: Blinkende LED



• Programmiersprachen • Programme werden in Programmier-

sprachen geschrieben / beschrieben • Programmiersprachen verlangen fast

immer eine exakte Beschreibung der Aufgabe und der Lösung der Aufgabe

• Programmiersprachen sind fast immer sehr pingelig und erfordern die genaueste Einhaltung der Syntax (Rechtschreibung)



• Programm: Blinkende LED • Schaltung

– LED mit Kontroller verbinden – Kathode (-) an GND – Anode (+) an IO-Anschluß, den IO-Pin

• Programmablauf – IO-Pin initialisieren, hier: Pin auf Ausgang

einstellen – in einer Schleife (endlos oder n mal): – Pin (=LED) ein (Pin auf HIGH) und 1 s warten – Pin aus (Pin auf LOW) und 1 s warten



• Scratch-Programm zur blinkenden LED:


Scratch 1


Scratch 2

Prof. Mitchel Resnik, Erfinder von Scratch


Scratch 3

• Besonderheiten von „Scratch“: • einfach und intuitiv zu bedienen • sehr niedrige „Einstiegshürden“ • Programme werden mit Bildchen und

Symbolen spielerisch zusammen-geklickt“ • wie „Spielen mit Legosteinen“ • Scratch: https://scratch.mit.edu/

Programmieren auf der Website im Browser! • mBlock: http://www.mblock.cc/

Download und Programmieren auf eigenem Computer! Hardware kann integriert werden!

https://scratch.mit.edu/

http://www.mblock.cc/


Scratch 4

Die Scratch-Oberfläche / Der Scratch-Editor (Internet) https://scratch.mit.edu/projects/editor/?tip_bar=home

https://scratch.mit.edu/projects/editor/?tip_bar=home


Scratch 5


Scratch 6

Die mBlock-Oberfläche (lokal auf dem PC) http://www.makeblock.com

http://www.makeblock.com/


Scratch 7

Spielfläche Bühne

Bühnenbilder

Figuren Sprites

Programmier-bereich Skripte

Klänge

Kostüme Programmier-

blöcke

Hauptmenü


Grundlagen der Programmierung 1

• Programme werden aus unterschiedlichen Elementen zusammen“gebaut“

• Einfachstes Element ist die Anweisung • Beispiele (in C)

– printf(„Hallo, Welt!\n“); – clear_screen();

• Beispiele (in Scratch) – – –



• C-Programme starten mit main() • Scratch-Programme (Skripte) starten bei

bestimmten Ereignissen • Beispiele

– Grüne Fahne

– Taste

– Nachricht



• C-Programme werden übersetzt und zu einem ausführbaren Programm montiert

• Scratch-Skripte werden durch Zusammen-fügen der Symbole durch Bewegen mit der Maus zusammengebaut



Beispiel: Blinkende LED



• die meisten Programme sind nicht so einfach gebaut. Fast immer ist eine Steuerung des Programmablaufs erforderlich

• Bedingungen: wenn / falls / falls sonst … • Beispiele:

– falls das Licht an ist, dann schalte es aus – wenn das Zimmer aufgeräumt ist, kannst du spielen,

sonst räume weiter auf!



• Schleifen: wiederhole solange bis / wiederhole n mal / wiederhole endlos …

• Beispiele: – solange du die Hausarbeiten nicht fertig gemacht hast,

kannst du nicht spielen gehen – laufe zehn Runden um den Sportplatz



• Objekte: Scratch hat als Grundelement der Programmierung Objekte (Figuren oder Sprites genannt) – werden über Skripte programmiert / gesteuert – haben Eigenschaften, z.B. Kostüme – kommunizieren miteinander, schicken und

empfangen Nachrichten

Beispiele 1


Frühstücksroboter von Simone Giertz (auf youtube) Lippenstiftroboter von Simone Giertz (auf youtube)

https://www.youtube.com/watch?v=E2evC2xTNWg



https://www.youtube.com/watch?v=WcW70-6eQcY


Und jetzt: selber programmieren …


http://ml.rz.hs-fulda.de/mint-tschuess.sb2

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