Konzeption und Entwicklung eines Mikrocontroller-Anwendungsbaukastens in Verbindung mit 3-D-gedruckten Komponenten für Schülerinnen und Schüler
Autor: Alexander Gossen
Studiengang: Business and Systems Engineering
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Mirek Göbel & Prof. Dr.-Ing Petra Rolfes Gehrmann
Kategorie: Masterarbeit
Projektlaufzeit: SoSe 21 - WiSe 21
Einleitung
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein Mikrocontroller-Baukasten für Schülerinnen und Schüler ab der Sekundarstufe entworfen, damit diese einen Eindruck dafür bekommen, wie einfach spannende Projekte umgesetzt werden können. Die Entwicklungsarbeit richtet sich nach dem typischen Ablauf des V-Modells. Zu den Aufgaben zählen die Auswahl einer geeigneten Mikrocontroller-Platine sowie die Auswahl von elektronischen Bauteilen und Komponenten wie Sensoren und Aktoren. Darüber hinaus werden Potentiale der zur Verfügung stehenden Technik analysiert und in die Entwicklung eingebunden. Die Konzeption von interessanten Projekten ist ein weiterer wichtiger Bestandteil dieser Arbeit. Dafür sollen Projekte entwickelt werden, die einen Einblick in unterschiedliche Bereiche geben. Die Entwicklung der Projekte wird durch 3D-gedruckte Komponenten erweitert.
Entwicklung
In diesem Abschnitt wird die Entwicklungsarbeit bei der Konzeption des Mikrocontroller-Anwenderbaukastens
erläutert. Das Rahmenwerk für die Arbeit stellt das V-Modell dar.
Anforderungen
Im ersten Schritt werden die Anforderungen definiert. Die Anforderungen werden in zwingend erforderliche und wünschenswerte Anforderungen aufgeteilt. Eine Liste aller Anforderungen findet sich in der nachfolgenden Tabelle.
ID | Kategorie | Bezeichnung | Definition | Kommentar | Genehmigung |
---|---|---|---|---|---|
01 | muss | Preis | Der Kasten muss möglichst günstig sein | "" | genehmigt |
02 | muss | Komponentenzahl | Es müssen, neben den Komponenten für die mitgelieferten Projekte, weitere Standard-Bauteile enthalten sein | "" | genehmigt |
03 | muss | Kompatbilität mit der Arduino IDE | Der Mikrocontroller muss in der Arduino IDE programmiert werden können und bestenfalls die gleiche Architekur aufweisen | "" | genehmigt |
04 | muss | Verfügbarkeit | Der Mikrocontroller und die Bauteile müssen über längere Zeit lieferbar sein | "" | genehmigt |
05 | muss | Händler | Mindestens zwei verschiedene Händler, bestenfalls deutsch (verkürzte Lieferzeiten), müssen über ausgewählte Sortiment verfügen | "" | genehmigt |
06 | soll | Gewicht | Das Gewicht des Baukastens sollte nicht zu hoch ausfallen sein | "" | genehmigt |
07 | muss | Sicherheit | Von den einzelnen Bestanteilen des Baukastens darf keine Gefahr ausgehen | "" | genehmigt |
08 | soll | Geometrie | Der Baukasten-Koffer sollte eine angenehme Größe aufweisen | "" | genehmigt |
09 | muss | Schwierigkeitsgrad 1 | Die Gestaltung der Beispielprojekte darf nicht zu komplex sein und bei der Auswahl der Komponenten müssen möglichst komfortable Bauteile ausgewählt werden | "" | genehmigt |
10 | soll | Schwierigkeitsgrad 2 | Das Gewicht des Baukastens sollte nicht zu hoch sein | "" | genehmigt |
Funktionaler/technischer Systementwurf
Im nächsten Schritt wird ein Entwurf des Systems ausgelegt. Der Baukasten zielt darauf ab, eine breite Palette von jungen Menschen für das Thema Mikrocontrolling zu begeistern. Im ersten des Entwurfs werden daher unterschiedliche Fachbereiche ausgesucht, in den Mikrocontroller eingesetzt werden. Diese Bereiche unterscheiden sich stark vom fachlichen Standpunkt, vereinen jedoch allesamt das Thema Mikrocontrolling und geben den jungen Menschen somit einen Einblick in die Allgegenwärtigkeit von hardwarenaher Programmierung und Elektronik.
Ausgehend von der Literaturrecherche werden folgende Fachbereiche definiert um ein breites Spektrum von jugendlichen abzudecken:
- Gaming / Gesellschaft
- Medizin
- Musik
- Robotik
- Umwelt
Nach der Auswahl der Fachbereiche stellt sich die Frage, wie ein Projekt in diesen Kategorien möglichst einfach und ohne Frustration umgesetzt werden kann. Aufgrund einer vorhegenden Recherche und Analyse etablierter deutscher (Hobby-)Elektronik-Händler im Bezug auf das Sortiment und die Möglichkeiten werden folgende Richtlinien festgelegt:
- Einsatz von Breakout-Out Boards bei der Verwendung von elektronischen Bauteilen um den Schaltungsaufbau zu vereinfachen
- Einhaltung einer allgemeingültigen Farbcodierung bei der Verkabelung
- Maximal fünf bis sechs verschiedenfarbige Jumperkabel
- Rot = vcc, schwarz = gnd, blau = digital I/O, orange = analog, grün/gelb = sda/scl
- Musik
- Robotik
- Umwelt
Komponentenspezifikation
Implementierung
Komponententest
Ergebnisse
In diesem Abschnitt wird das Ergebnis der Entwicklungsarbeit präsentiert.
Zusammenfassung und Ausblick
Was ist das Ergbnis? Das Ergebnis dieses Artikels ist eine Vorlage, mit der Nutzer des Wikis schnell und leicht eigene Artikel verwirklichen können. Diese Vorlage ist Bestandteil der Anleitungen aus den How-To's.
Literatur- und Quellenverzeichnis
Inhalt (wird entfernt)
Dieser Artikel ist aus der Kategorie "How-To". Die Gliederung des Inhalts hängt stark von Ihrem individuellen Projekt ab. Benutzen Sie einen leicht nachvollziehbaren roten Faden und gliedern Sie nach gesundem Menschenverstand!
Unterabschnitt (wird entfernt)
- Nutzen Sie Aufzählungen
- mit verschiedenen Schachtelungen
- und so weiter
- zweite Ebene
- mit erneuter Unterebene
Bilder (wird entfernt)
Bauen Sie Bilder ein, am Besten mit darin gekennzeichneten Stellen, die Sie dann im Text erklären. Referenzieren Sie Bilder und Tabellen konsequent im Text. Zitieren Sie ggf. die Bildurheber.
(wird entfernt)Bilder in den Text einbetten
Wenn Sie Bilder anzeigen möchten, ohne dass der Artikel links oder rechts weiter läuft, können Sie den Textfluss mit dem Befehl <br clear=all> stoppen (vgl. Abb. 2).
Alternativ können Sie das Bild in einer "wikitable" anzeigen lassen. Dadurch wird das Bild auch auf Bildschirmen mit einer anderen Auflösung in der richtigen Darstellungsart angezeigt (vgl. Abb. 3).
Hier geht es weiter mit dem Text.
Tabellen (wird entfernt)
Tabelle 1 zeigt ein schönes Beispiel.
Spalte 1 | Spalte 2 | Spalte 3 |
---|---|---|
blabla | sowieso | sowieso |
test | sowieso | test1 |
Formeln (wird entfernt)
Für Formeln nutzen Sie die <math>-Umgebung.
Dieser Quelltext
<math> y = \int\limits_0^2 {\sin \frac{x}{2}dx}</math>
wird dann so dargestellt .
Eine Übersicht über die Befehle findet sich z. B. hier: Gleichungen in math.
Sonderzeichen (wird entfernt)
Sonderzeichen setzen Sie einfach über [Alt]+ANSI Code z.B. [Alt]+0177: ±
Übersicht der ANSI-Code Sonderzeichen
Alternativ kann der Unicode eingegeben werden z.B. ❶ für ❶.
Formatierung (wird entfernt)
Nutzen Sie zur Formatierung Beispiele, z. B. aus dem weltbekannten Wikipedia selbst (das ist die gleiche Syntax!) oder anderer Hilfeseiten wie z. B. [2].
Quelltext (wird entfernt)
Anleitung und Beispiele zum Einbinden von Quelltext finden Sie hier: Quelltext_einbinden.
Zitieren (wird entfernt)
Fremdquellen sollten Sie auf jeden Fall zitieren. Internetquellen können Sie einfach verlinken. Literatur zitieren Sie bitte nach DIN ISO 690:2013-10.
- ↑ © Mirek Göbel - Eigenes Werk
- ↑ Hilfeseite des Wikimedia-Projekts