Hinweise für die mündliche Prüfung
Erklärungen anhand von grafischen Darstellungen
Erkläre das Prinzip eines digitalen Ausgangs eines Mikrocontrollers anhand eines U-t-Diagramms!
Wird ein I/O Pin eines Mikrocontrollers als digitaler Ausgang konfiguriert, so kann dieser die beiden Zustände HIGH und LOW annehmen. Diese können Software-seitig gesetzt werden. Elektrisch betrachtet bedeutet dies, dass beim Zusand HIGH eine Spannung von 5V zwischen diesem Pin und dem GND Pin und beim Zustand LOW eine Spannung von 0V zwischen diesem Pin und dem GND Pin anliegt.
Erkläre das Anschließen und Ein- und Ausschalten einer LED an einem digitalen Ausgang eines Arduino UNO Boards!
Eine Leuchtdiode wird über einen Vorwiderstand zwischen einen PIN und GND geschaltet. Mit dem Vorwiderstand wird Spannung eines PINs von 5V auf die Bestriebsspannung einer Leuchtdiode von 1,9V reduziert. Der PIN wird im Programm des Mikrocontrollers als digitaler Ausgang definiert und kann von diesem auf den Zustand HIGH (5V) oder LOW (0V) gesetzt werden.
Erkläre das Prinzip eines digitalen Eingangs eines Mikrocontrollers anhand eines U-t-Diagramms!
Konfiguriert man in einem Mikrocontroller-Programm einen I/O Pin als digitalen Eingang, so kann der Mikrocontroller überprüfen, ob bei diesem Pin eine Spannung anliegt, die einem HIGH-Zustand entspricht (in der Regel 5V) oder eine Spannung, die einem LOW-Zustand entspricht (0V).
Damit es bei einem solchen digitalen Pin nie zu einem elektrisch undefinierten Zustand kommt, der bei der Spannungsmessung auch zu zufälligen und unvorhersehbaren Ergebnissen führt, werden bei digitalen Eingängen meist PullUp-Widerstände verwendet. Damit ist zum Beispiel beim Emitteln des Schaltzustands eines Tasters immer eindeutig gewährleistet, dass an dem Pin exakt eine Spannung von 0V oder 5V anliegt - unabhängig davon, ob der Taster gedrückt ist, oder nicht.
Erkläre das Anschließen und das Einlesen des Zustands eines Tasters an einem digitalen Eingang eines Arduino UNO Boards!
Ein PIN wird im Programm des Mikrocontrollers als digitaler Eingang festgelegt. Dieser PIN wird über einen Widerstand mit einem Wert von 10kOhm - der hier als PullUp-Widerstand fungiert - mit der Versorgungsspannung von 5V verbunden. Durch diesen Vorwiderstand liegt nun grundsätzlich eine Spannung von 5V an dem digitalen Eingangspin an, was dem Zustand HIGH entspricht, wenn dieser vom Programm des Mikrocontrollers ermittelt wird.
Zusätzlich wird der digitale Eingangspin über einen Taster mit GND verbunden. Wird der Schaltkontakt im Taster geschlossen, so fließt der gesamte Strom, der vom 5V PIN des Arduino Boards über den Widerstand zum digitalen Eingangspin fließt, über den Taster zu GND ab und am digitalen Eingangspin liegt eine Spannung von 0V an. In diesem Fall würde das Programm des Mikrocontrollers den Zustand LOW ermitteln.
Erkläre das Prinzip eines analogen Eingangs eines Mikrocontrollers anhand eines U-t-Diagramms!
Analoge Eingangspins eines Mikrocontrollers sind intern an einen ADC (Analog Digital Converter) angeschlossen. Dieser kann analoge Spannungswerte messen und diese dann digitalen Werten zuordnen. Hat ein ADC zum Beispiel eine Auflösung von 10bit, so können die an einem analogen Eingang gemessenen Spannungswerte 1024 unterschiedlichen diskreten Zahlen zugeordnet werden. 0V würde der Zahl 0 und 5V würde der Zahl 1023 entsprechen.
In der Abbildung sieht man ein analoges Spannungssignal wie es zum Beispiel von einem Sensor (Temperatursensor, Lichtsensor, ...) kommt und die gemessenen Spannungswerte von einem ADC den 1024 verschiedenen Digitalwerten zugewiesen werden.
Erkläre das Anschließen eines Potentiometers und die ADC-Wandlung der variablen Spannung an einem analogen Eingang eines Arduino UNO Boards!
Zum Steuern eines Programms in einem Mikrocontroller kann zum Beispiel ein Potentiometer verwendet werden. Wird dieses mit den beiden äußeren Kontakten an die Versorgungsspannung 5V und GND angeschlossen und mit der mittlere Kontakt mit einem analogen Eingangspin eines Mikrocontrollers verbunden, so kann man damit kontinuierliche Spannungen zwischen 0V und 5V am Eingangspin erzeugen, wenn man die Achse des Potentiometers dreht.
Diese werden vom ADC in ganzzahlige Werte zwischen 0 und 1023 umgewandelt, welche im Programm weiterverarbeitet werden können um zum Beispiel verschiedene Aktionen in Abhängigkeit von der Eingangsspannung (= Position der Drehachse des Potentiometers) auszulösen.
