Mit Arduino einen 2-Bit-Umwandler bauen

Übersicht

Sekundarstufe

Physik, Mathematik, Informatik, Technik

Quantencomputing

Deutsch

Auf einen Blick

Schlüsselbegriffe: Umwandler, Binärzahl, Dezimalzahl, Steckbrett, Schaltkreis, Arduino, Tinkercad
Alter: 14 – 17 Jahre
Erforderliche Kenntnisse/Fähigkeiten: Grundlagen der Elektronik, Programmieren mit Arduino, Schaltkreisdesign, Arbeiten in der virtuellen Umgebung von Tinkercad, grundlegendes Verständnis von Quantenkonzepten
Zeitrahmen: 1-2 Stunden, um mit Tinkercad den Schaltkreis zu entwerfen und einen einfachen Arduino-Code auf den Microcontroller zu laden..

Autor: Astrinos Tsoutsoudakis (GR)

Inhaltsübersicht

Konzeptionelle Einführung
Benötigte Materialien
Aufgaben für Lehrkräfte/Schüler*innen

Zusammenfassung

In dieser Unterrichtseinheit wird mit Arduino ein 2-Bit-Umwandler für positive Zahlen entworfen und gebaut. Am Eingang werden zwei Bits eingegeben (also 00, 01, 10 oder 11) und am Ausgang die dazugehörige Dezimalzahl ausgegeben (also 0, 1, 2 oder 3). Die Binärzahl wird über einen Schalter oder Taster eingegeben, und die Ausgabe erscheint auf einem LCD-Display oder einer LED-Anzeige.

Dieses Projekt ist eine perfekte Einführung in folgende Themen:

- Binärzahlen: Verstehen, wie die Kombination von Nullen und Einsen jede beliebige Dezimalzahl darstellen kann.
- Digitale Logik: Verstehen, wie ein physikalischer „Ein“- oder „Aus“-Zustand in einen digitalen Wert übersetzt wird.
- Mikrocontroller-Programmierung: Lernen, wie man Code schreibt, der physikalische Eingaben liest und physikalische Ausgaben steuert.

Quantencomputing von Bits zu Quantensprüngen teaser

Konzeptionelle Einführung Konzeptionelle Einführung

Wir begeben uns auf eine Reise in die geheime Sprache der Computer: Binärcode. Alles, was ein Computer tut, vom Anzeigen eines Bildes bis zum Abspielen eines Liedes, basiert auf nur zwei einfachen Zahlen: 0 und 1. Dies ist die zugrundeliegende Sprache aller digitalen Elektronik.

Diese Aktivität ist ein fantastisches praktisches Projekt, das diese Begriffe mit Leben füllt. Ihr werdet ein Gerät bauen, das wie ein Übersetzer funktioniert. Ihr sprecht den Arduino in seiner eigenen Sprache an, der Binärsprache, und er übersetzt das, was ihr sagt, in eine Sprache, die ihr besser versteht: Dezimalzahlen.

Stellt euch vor, ihr habt zwei Lichtschalter. Jeder Schalter kann entweder ein (1) oder aus (0) sein.

Der rechte Schalter hat den Wert 1.
Der linke Schalter hat den Wert 2.

Durch Betätigen dieser Schalter könnt ihr jede beliebige Zahl von 0 bis 3 erzeugen!

Mit dem Arduino, einem winzigen, aber leistungsstarken Computer, werden die Schalterstellungen ausgewertet, es werden blitzschnell einige Berechnungen durchgeführt und anschließend auf dem Display sowohl die eingegebene Binärzahl als auch die dazugehörige Dezimalzahl angezeigt.

Umrechnung von 2‑Bit‑Binärzahlen in Dezimalzahlen

Binär	Dezimal
00	0
01	1
10	2
11	3

Benötigte Materialien:

Software: Arduino IDE
Online-Tool: www.tinkercad.com

Hardware

Name	Menge	Bauteil
U1	1	Arduino-Mirkocontroller Uno R3
U2	1	MCP23008-based, 32 (0 x 20) LCD-Anzeige 16 x 2 (I2C)
S1/S2	2	Schiebeschalter
R1 / R2	2	Widerstand 10 kΩ

Aufgaben für Lehrkräfte

Tinkercad Classrooms installieren, Arduino-Code-Vorlagen und Schaltpläne zur Verfügung stellen.
Die Umwandlung von Binär- in Dezimalzahlen einführen (Einführung in binäre Zahlen).
Den Schüler*innen helfen, die elektronischen Bauteile – Widerstände, Taster oder Schalter, LCD-Anzeige – richtig zu platzieren.
Schüler*innen bei den Programmieraufgaben unterstützen.
Zu Fragen und Diskussionen ermuntern.
Mit kurzen Quizfragen, Diskussionen oder Mini-Präsentationen überprüfen, was die Schüler*innen verstanden haben.

Aufgaben für Schüler*innen

Grundlagen der Elektronik und Programmierung erlernen.
Den Schaltplan mit Tinkercad erstellen, Code hochladen und verändern.
Die Vorgehensweise dokumentieren sowie Ergebnisse und Schwierigkeiten präsentieren.
Kreativ über Verbesserungsvorschläge nachdenken.