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

Abb. 1: Klassische Vorgehensweise bei der Produktentwicklung nach dem V-Modell.

In diesem Abschnitt wird die Entwicklungsarbeit bei der Konzeption des Mikrocontroller-Anwenderbaukastens
erläutert. Das Rahmenwerk für die Arbeit stellt das V-Modell dar. Die Entwicklung folgt gemäß den einzelnen Bausteinen des Modells.

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.

Tabelle 1: Anforderungsliste

ID	Kategorie	Bezeichnung	Definition	Kommentar	Genehmigung
01	muss	Preis	Der Kasten muss möglichst günstig sein um ihn für Schulen oder einkommenschwächere Menschen finanzierbar zu machen und somit einer breiteren Masse den Zugang zu ermöglichen	" "
02	muss	Komponentenzahl	Es müssen, neben den Komponenten für die mitgelieferten Projekte, weitere Standard-Bauteile enthalten sein	" "
03	muss	Kompatbilität mit der Arduino IDE	Der Mikrocontroller muss in der Arduino IDE programmiert werden können und bestenfalls die gleiche Architekur aufweisen	" "
04	muss	Verfügbarkeit	Der Mikrocontroller und die Bauteile müssen über längere Zeit lieferbar sein	" "
05	muss	Händler	Mindestens zwei verschiedene Händler, bestenfalls deutsch (verkürzte Lieferzeiten), müssen über ausgewählte Sortiment verfügen	" "
06	soll	Gewicht und Optik	Das Gewicht des Baukastens sollte nicht zu hoch ausfallen sein und durch ein ansprechendes Design auffallen	" "
07	muss	Sicherheit	Von den einzelnen Bestanteilen des Baukastens darf keine Gefahr ausgehen und es dürfen keine Projekte mit hohen Strömen und/oder Stromstärken entwickelt werden	" "
08	soll	Geometrie	Der Baukasten-Koffer sollte eine angenehme Größe aufweisen	" "
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	" "
10	muss	Schwierigkeitsgrad 2	Umfangreichere Projekte müssen mit den ausgewählten Bauteilen ermöglicht werden	" "
11	muss	Zeitgemäß	Um die Begeisterungsfähigkeit zu steigern müssen die Projekte aktuelle verbreitete Technologien ansprechen	" "
12	muss	Software 1	Der Programmcode darf nicht zu umfangreich sein	" "
13	muss	Software 2	Die Funktionen des Programmcodes müssen veränderbar sein um zu zeigen wie bereits wenige Änderungen das Projekt nach den eigenen Vorstellungen beeinflussen können	" "
14	soll	Programmiersprachen	Der Mikrocontroller sollte neben der Arduino IDE weitere Sprachen untersützen können	" "

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:

1. Gaming / Gesellschaft
2. Medizin
3. Musik
4. Robotik
5. 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:

1. Einsatz von Breakout-Out Boards bei der Verwendung von elektronischen Bauteilen um den Schaltungsaufbau zu vereinfachen
2. 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 + alle weiteren Verbindungen
3. Kompliziertere Schaltungen auf mehrere Breadboards aufteilen bzw. modular arbeiten (große Schaltung aufteilen)
4. Vereinfachte Funnktionen zum ansprechen üblicher Arduino-Komponenten entwickeln
5. Arduino IDE samt eigener Bibliotheken, ArduBlock (Blocksprache), Fritzing, Processing auf einem USB-Stick installieren um jegliche Vorbereitungen zu eliminieren
6. Circuit-Scribe Stift zum einführen in das zeichnen von Schaltkreisen verwenden z.b. Smiley mit LED's oder Fernsteuerung der LED's mit einer Fernbedienung. Die Programmierung beim Circuit-Scribe Stift mit ArduBlock vornehmen

Komponentenspezifikation

Nach der Auswahl in der Projekt- und Bauteilkategorien wird in diesem Schritt festgelegt, welche Projekte aus den festgelegten Kategorien konkret umgesetzt werden.

1. Gaming / Gesellschaft → Buzzerspiel mit drei LED's und sechs Tastern (mit bunten Kappen) und 3D-gedruckten Tasterhalterungen.

Tabelle 1: Bauteile Gaming / Gesellschaft

Bauteil	Bild	Preis	Lieferant
Seeeduino 4.2	Datei:Seeeduino 4.2.png

1. Medizin → Medizinstation mit einem Pulssensor, kontaktlosem Thermometer, einer LED zur visuellen Wiedergabe des Pulses und ein LCD-Bildschirm (16x2). Zusätzlich wird das Programmiertool Processing verwendet.
2. Musik → Musik-Aufnahmetool. Mehrere taster, ein Lautsprecher, ein Poteniometer, ein LCD-Bildschirm und entweder ein mp3-Modul zum speichern der Melodien oder ein ISD1820 Sprachrekorder-Modul zur Aufnahme und Wiedergabe der Melodie.
3. Robotik → Ein vollständig 3D-druckbares Fahrzeug mit zwei Rädern, kontinuierlichen Servos. Der Roboter / das Fahrzeug modul erweitert werden. Eine 3D-gedruckte Halterung für einen standard HC-SR04 Ultraschallsensor wird bereits im Baukasten enthalten sein. Das Projekt wird durch eine in eigenarbeit entwickelte App über ein Bluetooth-Modul (HC-06) gesteuert, die mithilfe von MIT App Inventor programmiert wird.
4. Umwelt → Eine Wetter- bzw. Umweltstation mit mit handelsüblichen Sensoren wie TMP 36, DHT 11, LDR, MQ5-Gassensor. Die Daten werden über Bluetooth live an eine eigens entwickelte App gesendet und grafisch in Echtzeit dargestellt. Für dieses wird ein 3D-gedrucktes Gehäuse z.b. in Form eines kleines Häuschens erstellt.

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.

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)

1. Nutzen Sie Aufzählungen
   • mit verschiedenen Schachtelungen
   • und so weiter
2. 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).

Abb 2: Beispiel <br clear=all>

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).

Abb 3: Beispiel wikitable

Hier geht es weiter mit dem Text.

Tabellen (wird entfernt)

Tabelle 1 zeigt ein schönes Beispiel.

Tabelle 1: Beispieltabelle

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 $y = \int\limits_0^2 {\sin \frac{x}{2}dx}$.

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. .

Quelltext (wird entfernt)

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