Programmieren lernen mit dem nanoBoard
Überblick
Überblick
Schlüsselwörter: Elektronik, Bauteile, Löten, Programmieren, Arduino Nano
Unterrichtsfächer: Technik, Informatik, Elektrotechnik
Weitere Fachbereiche: Mikrocontrollertechnik
Altersstufe der Schüler*innen: ab Klasse 9
Zeitrahmen: Löten ca. sechs Unterrichtsstunden, Programmieren anpassbar
Dieses Unterrichtsprojekt von Rainer Lüllmann und Fabian Kuhlmann wurde beim Nationalen Science on Stage Festival 2023 in Bayreuth vorgestellt. Das nanoBoard ist eine Platine für den Arduino Nano. Die Schüler*innen bestücken die Platine und erlernen das Programmieren mit dem Mikrocontroller. Das Projekt lässt sich einfach in den Unterricht integrieren und die handwerkliche Tätigkeit bereitet den Schüler*innen viel Freude.
Überblick
In diesem Projektvideo vom Nationalen Science on Stage Festival erhalten Sie einen kurzen Überblick über das Projekt.
Hier finden Sie das Projektposter zum nanoBoard vom Nationalen Science on Stage Festival.
Am BZTG Oldenburg wird das nanoBoard derzeit im Beruflichen Gymnasium im Kurs Elektrotechnik, in der Berufsfachschule für Informatik sowie in der Fachoberschule Technik genutzt. Die Lernenden bestücken jeweils für sich selbst ein nanoBoard und lernen anschließend mit dieser Platine das Programmieren des Arduino Nano. Sie finanzieren das Material selbst und nehmen das Board am Ende der Schulzeit natürlich mit. Auf diese Weise werden am BZTG Oldenburg ca. 60 Platinen pro Jahr in Betrieb genommen. Die Nutzung in einer allgemeinbildenden Schule sollte ab Klasse 9 in einer Arbeitsgemeinschaft, einem Schwerpunktfach oder in einem Seminarfach möglich sein. Dabei kann auf das regelmäßige Löten der Platinen verzichtet werden. Stattdessen kann einmalig eine feste Anzahl an Platinen erstellt werden, die kontinuierlich genutzt werden.
Benötigte Materialien
- Platinenrohlinge des nanoBoards
- Bauteile gemäß Bestellliste (online)
- Lötkolben inkl. Absaugeinrichtung
- Elektronikwerkzeug (Seitenschneider, Spitzzangen, …)
- PCs oder Laptops mit der Arduino IDE zum Programmieren
Einen Überblick über die Kosten für die Materialien finden Sie in der Tabelle nanoBoard Kosten Muster unter nanoBoard Material.
Als Vorbereitung sind die Platinen sowie alle Bauteile in ausreichender Menge zu beschaffen. Die Platinen können auf Basis der zur Verfügung gestellten Gerber-Dateien direkt bei einem Produktionsbetrieb bestellt werden. Das BZTG Oldenburg lässt die Platinen regelmäßig in größerer Stückzahl fertigen, damit die Versandkosten anteilig nicht so hoch werden. Alternativ könnten Schulen eine niedrige Stückzahl der Platinen mit entsprechender Vorlaufzeit auch vom BZTG Oldenburg gegen Kostenerstattung zur Verfügung gestellt bekommen. Die Bauteile können z.B. bei den Firmen Reichelt sowie Conrad gemäß Bauteilliste bestellt werden. Die Mikrocontroller und OLED-Displays werden von uns regelmäßig bei Online-Anbietern bestellt. Die Kosten belaufen sich auf ca. 25,- Euro pro Board. Die Bestellnummern sowie eine Kostenaufstellung sind abrufbar.
Empfehlenswert ist, dass die Platinen auf Holzbrettchen aufgeschraubt werden, da so die scharfkantigen Bauteilbeinchen nicht die Oberflächen der Schultische verkratzen. Für den Fall eines Fehlers beim Löten sollten Entlötpumpen und/oder Entlötlitze zur Verfügung stehen.
Sofern das OLED-Display fixiert werden soll, kann der notwendige Kunststoffadapter mit einem 3D Drucker selbst erstellt werden. Eine entsprechende stl-Datei steht zur Verfügung. In diesem Fall müssten zusätzlich 2mm-Schrauben beschafft werden.
Vorbereiten des Lötens
Alle Lernenden suchen sich zunächst die benötigten Bauteile zusammen (eine eigene beschriftete Aufbewahrungsbox ist empfehlenswert). Anschließend kann die Lehrkraft alle Bauteile mit der Lerngruppe besprechen. Dazu können die Bauteile z.B. nacheinander von der Lehrkraft unter eine Dokumentenkamera gelegt werden und über Bildschirm oder Beamer gezeigt, deren Funktion besprochen und auf die Polung, bzw. Pin-Belegung eingegangen werden. Dadurch soll das Bewusstsein geschaffen werden, dass die Leuchtdioden und Widerstandsnetzwerke eine zu beachtende Einbaurichtung haben und nicht beliebig eingebaut werden dürfen. Fehler beim Löten sollen so möglichst vermieden werden. Ganz nebenbei kann beim Besprechen die Vollzähligkeit der Bauteile für alle Lernenden sichergestellt werden.
Löten und Testen des nanoBoards
Die Lernenden werden in die Arbeit mit einem Lötkolben eingewiesen. Dazu steht eine Betriebsanweisung zur Verfügung. Wenn keine Vorkenntnisse vorhanden sind, empfiehlt sich ein „Probelöten“. Dazu können Lochrasterplatinen und einfache Widerstände genutzt werden. Neben dem Einlöten von Widerständen kann auch das „Auslöten“ von Bauteilen mit Entlötpumpe oder Entlötlitze geübt werden. Es ist hilfreich, bereits funktionsfähige Muster des nanoBoards zum Nachlöten zu haben, damit möglichst wenige Fehler beim Bestücken und Löten der Bauteile auftreten. Einen Überblick zum erfolgreichen Löten gibt auch dieses Video.
Sobald das Löten vollständig abgeschlossen ist, kann die Funktionsfähigkeit mit dem Testprogramm überprüft werden. Die korrekte Funktion des Testprogramm wird ebenfalls als Video vorgestellt.
Bereits für das Testen des nanoBoards muss ein Computer mit der Software zum Programmieren des Arduino Nano zur Verfügung stehen. Unter Arduino - Home steht die Entwicklungsoberfläche der Firma Arduino zum kostenlosen Download zur Verfügung. Der Umgang mit dieser Oberfläche wird im Rahmen der erstellten YouTube-Playlist erläutert.
Programmieren des nanoBoards
Eine Playlist zum Erlernen des Programmierens mit den nanoBoard steht auf YouTube zur Verfügung:
Diverse Informations- und Arbeitsblätter, die zahlreiche Aufgaben mit steigendem Anspruch enthalten, sind zum Download verfügbar. Zusätzlich gibt es eine Formelsammlung, die die wesentlichen Informationen zum Programmieren mit dem nanoBoard enthält. Diese Formelsammlung wird auch am BZTG Oldenburg den Lernenden zur Verfügung gestellt. Häufig entwickeln die Lernenden schnell sehr individuelle Ideen, die sie mit dem nanoBoard verwirklichen möchten.
Alle Zusatzmaterialien finden Sie hier zum Download.
Die meisten Anleitungen zum Programmieren von Arduino-Boards konzentrieren sich auf die von Arduino zur Verfügung gestellten Befehle/Funktionen. Somit kann mit pinMode(), digitalWrite(), delay(), digitalRead(), analogRead() und analogWrite() ziemlich schnell sehr viel erreicht werden. Da am BZTG Oldenburg bereits seit 2011 mit dem Mikrocontroller ATmega32 von ATMEL gearbeitet wird, werden zum Teil auch Befehle/Register aus dem Hause ATMEL genutzt, die auch unter Arduino zur Verfügung stehen. Die Data Direction Register (DDRx / z.B. DDRD für Port D) ermöglichen das Festlegen der Datenrichtung für alle acht Pins des Ports D in nur einer Zeile und ersetzen damit acht „pinMode()“-Zeilen. Ähnlich ersetzen die Eingangsregister PIN (PINx / z.B. PINC für Port C) mehrere „digitalRead()“-Zeilen, wenn mehrere digitale Pins als Eingang genutzt werden sollen.
Sie finden unten Info- und Arbeitsblätter zu diesen und weiteren Themen:
- Digitale Ausgänge
- DDR und PORT
- for
- if-Kontrollstruktur
- Taster digitalRead
- Tasterabfrage PINC
- AD-Wandlung
- PWM Pulsweitenmodulation
Da auch am BZTG Oldenburg die meisten Lernenden noch nicht über Erfahrung beim Programmieren verfügen, werden auch die Grundlagen der strukturierten Programmierung im Rahmen der Playlist thematisiert. Das bedeutet, dass auch while- und for-Schleife, die Nutzung von Arrays und der Befehl if als Kontrollstruktur erläutert werden.
Da der Arduino Nano auf die Platine lediglich aufgesteckt wird, kann er für andere Projekte vom nanoBoard entfernt werden. Für das Aufstecken wurde sehr bewusst eine zweireihige Buchsenleiste gewählt. Dadurch können auch Kabel (Jumpwire) auf dem nanoBoard ergänzt werden, um ggfs. externe Sensoren direkt auf der Platine mit dem Arduino Nano zu verbinden.
Fazit
Da das nanoBoard für die Lernenden gut zu transportieren und einfach anzuschließen ist, wird die Platine sowohl in der Schule als auch zuhause erfolgreich genutzt. Am BZTG Oldenburg entstehen auf der Basis des Programmierens mit dem nanoBoard viele Projektideen, die zum Teil auch bei Wettbewerben wie Jugend forscht oder der IdeenExpo erfolgreich vorgestellt werden.
Das BZTG Oldenburg kann bei Bedarf kleinere Mengen an Platinen mit etwas Vorlauf zur Verfügung stellen. Der Kontakt zu Herrn Lüllmann kann über info[at]bztg-oldenburg.de hergestellt werden. Das Löten der Platinen kann auch zu einem FabLab oder zu einem anderen Kooperationspartner ausgelagert werden.
2009: Teilnahme IdeenExpo mit dem Projekt „Oldenburger Ablaufhügel“
- Entwicklung und Bau einer Modelleisenbahnanlage mit Mikrocontroller zum automatischen Abkoppeln und Sortieren von Modelleisenbahnwaggons
2011: Teilnahme IdeenExpo mit dem Projekt „Smart Traffic“
- Entwicklung einer Software zur Reduzierung von Wartezeit und Schadstoffausstoß an einer Straßenkreuzung
2012/13: Autostadt Partnerschule „Bau eines Fahrzeugchassis mit Steuerungsplatine“
2013: Teilnahme IdeenExpo mit dem Projekt „Spiel und Spaß mit Mikrocontroller“
- Berührungsfreies Steuern des BRIO-Labyrinths mit Mikrocontroller
2019: Teilnahme IdeenExpo mit dem Projekt „Flipper4two“
- Entwicklung und Bau eines Flippers für zwei gegenüberstehende Spieler
2022: Teilnahme IdeenExpo mit dem Projekt „WINGS – Wireless INput GloveS“
- Entwicklung und Bau von Eingabehandschuhen mit Bluetooth
2023: Teilnahme Nationales Science on Stage Festival mit dem Projekt „Programmieren lernen mit dem nanoBoard des BZTG Oldenburg“
2024: Teilnahme IdeenExpo mit dem Projekt „nano2go“
- Niederschwelliges Angebot zum Einstieg in die Programmierung von Mikrocontrollern
Die Arduino Homepage:
https://www.arduino.cc/Die Software Arduino IDE zum Programmieren:
https://www.arduino.cc/en/softwarePlaylist zum Erlernen des Programmierens mit den nanoBoard:
https://youtube.com/playlist?list=PLCIIrDE9583QNBl8o_JctRZwR4xn11uT_
Über den Autor
Rainer Lüllmann ist Lehrer für Elektrotechnik, Mathematik und Informatik am BZTG Oldenburg. Er ist Diplomingenieur und studierte Elektrotechnik mit der Vertiefungsrichtung Nachrichtentechnik an der Universität der Bundeswehr in Neubiberg bei München.
Am BZTG Oldenburg, an dem er bereits das Referendariat absolvierte, unterrichtet er seit 2002 ausschließlich in Vollzeitschulformen, wie dem Beruflichen Gymnasium, der Fachoberschule Technik sowie der Berufsfachschule für Informatik.
Für sein langjähriges Engagement wurde er im Juni 2023 von der Stiftung NiedersachsenMetall als Weichensteller 2023 ausgezeichnet.
Bild: Peter Kolb
Diese Seite teilen
