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In der Ideenwerkstatt der Natur Die große Baubox Programmier- Werkstatt

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In der Ideenwerkstatt der NaturDie große Baubox

Programmier-Werkstatt

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ACHTUNG! Für Kinder unter drei Jahren nicht geeignet. Erstickungsgefahr, da kleine Teile verschluckt oder einge-atmet werden können.ACHTUNG! Nicht geeignet für Kinder unter 14 Jahren.Anweisungen sind beigefügt und müssen unbedingt beachtet werden. Verpackung und Anleitung aufbewahren, da siewichtige Informationen enthalten! Technische Änderungen vorbehalten.Zusätzlich benötigt: Computer mit Internetanschluss und Windows- oder Linux-Betriebssystem, einige haushalts-übliche Gegenstände.

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Programmier-Werkstatt

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Autor: Dr. Martin MüllerArt & Design: www.ideehoch2.deLektorat: Toni SchmidSatz: JournalMedia GmbH

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1. Arduino und ArduBlock ....................................................................... 81.1 Computer vorbereiten...........................................................................9

2. Bauteile............................................................................................... 142.1 Minerva-Shield....................................................................................142.2 Arduino................................................................................................16

3. Projekte.............................................................................................. 183.1 Blinklicht .............................................................................................183.2 Blinken, Knacken, Tönen ....................................................................263.3 Wechselblinker ...................................................................................313.4 Lauflicht ..............................................................................................363.5 Ampel ..................................................................................................373.6 Ampelkreuzung...................................................................................383.7 Ein-Aus-Taster....................................................................................403.8 Fußgängerampel.................................................................................423.9 Würfel..................................................................................................453.10 Martinshorn.........................................................................................483.11 Sondersignalanlage ............................................................................493.12 Zweiklanghorn mit besonderer Tonfolge ...........................................503.13 Zufallsorgel .........................................................................................523.14 Sirene ..................................................................................................543.15 US-Polizeisirene .................................................................................563.16 Zufallssirene .......................................................................................583.17 Alarmanlage........................................................................................603.18 LED-Dimmer.......................................................................................623.19 Binärzähler .........................................................................................663.20 BCD-Zähler .........................................................................................723.21 Messwertanzeige am Computer.........................................................763.22 PWM-Messwertanzeige ......................................................................79

Inhaltsverzeichnis

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Inhaltsverzeichnis3.23 Messwertanzeige mit LEDs ................................................................803.24 Messwertanzeige mit 8 LEDs .............................................................813.25 Binäranzeige .......................................................................................843.26 Binäranzeige mit Messbereichszuordnung........................................873.27 BCD-Anzeige .......................................................................................903.28 Akustische Messwertanzeige .............................................................933.29 Intervallpiepser...................................................................................943.30 Bleistiftorgel .......................................................................................953.31 Positionsblinker ..................................................................................963.32 Lichtschranke .....................................................................................983.33 Wolkenzähler ......................................................................................993.34 Theremin...........................................................................................1033.35 Klassisches Reaktivlicht ...................................................................1043.36 LED als Lichtsensor..........................................................................1073.37 Reaktivlicht mit LED als Lichtsensor ...............................................1083.38 Fernbedienungstester ......................................................................1103.39 IR-Entfernungsmesser .....................................................................1113.40 Frostwarner ......................................................................................1143.41 Thermometer ....................................................................................1163.42 Blumentopfwächter ..........................................................................1183.43 Füllstandsanzeige.............................................................................1203.44 Reaktionstester.................................................................................1253.45 Müdigkeitsmessgerät .......................................................................1273.46 99 Sekunden......................................................................................130

4. Anhang ............................................................................................. 1364.1 Kompatibilität von Arduino-IDE und ArduBlock .................................1364.2 Treiber .................................................................................................1364.3 Linux, MacOS .......................................................................................1374.4 ArduBlock-Troubleshooting................................................................1374.5 Bauteile................................................................................................1374.6 Minerva-Shield ....................................................................................138

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WICHTIGE INFORMATIONENUm das Minvera-Shield mit dem Mikro-controller wie im Buch beschrieben einset-zen zu können, brauchst du die Arduino-IDEund den Zusatz ArduBlock. Beides findet sichzwar auch zum freien Download im Internet,aber für deine Programmierwerkstatt soll-test du unbedingt die angepasste Versionverwenden, die du unter die du unter dieserURL herunterladen kannst: http://bit.ly/baubox-programmierwerkstatt. Sobald dudiese Adresse im Browser ansteuert, öffnetsich das Download-Fenster. Speichere dieDatei an einem Ort, an dem du sie gut wie-derfindest, zum Beispiel direkt auf demDesktop. Wie du die Software auf deinemComputer installierst, erfährst du in Kapitel 1dieses Buches.

Einige der in diesem Buch abgedrucktenArduBlock-Sketches sind sehr lang, weswe-gen sie über mehrere Seiten verteilt im Buchabgedruckt sind. Geht ein Sketch auf derfolgenden Seite weiter, erkennst du dies andiesem Symbol:

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1 Arduino und ArduBlock

Seit 2005 kann man unter demBegriff „Arduino“ Einplatinencompu-ter kaufen. Seit Kurzem wird ausmarkenrechtlichen Gründen auch dieBezeichnung „Genuino“ verwendet.Umgangssprachlich wird jedochweltweit der Begriff Arduino benutzt.Arduinos besitzen einen USB-An-schluss. Damit können sie mit einemLaptop oder PC verbunden und pro-grammiert werden. Sie verfügenüber etliche weitere Anschlüsse, andie man Schalter, Leuchtdioden,unterschiedliche Sensoren (z. B. fürLicht und Temperatur), Flüssigkeits-kristallanzeigen (LCD) und vielesandere anschließen kann. Es gibtinzwischen eine ganze Familie vonArduino-Platinen, die sich ähneln,aber in einzelnen Merkmalen unter-scheiden.

Arduino-Platinen werden im Allge-meinen als „Board“ bezeichnet. Esgibt vorgefertigte Platinen, die bei-spielsweise die zuvor erwähntenzusätzlichen Bauteile enthalten. Siewerden direkt auf die Anschlüsseeines Arduino-Boards aufgesteckt.Eine solche Platine bezeichnet manals „Shield“.

Mittlerweile kann man auch Ardui-no-Nachbauten (man nennt sieKlone; engl.: Clones) erhalten. Siewerden oftmals als „Arduino-kompa-tibel“ angeboten. Diese Boardsunterscheiden sich von den Original-boards häufig nur darin, dass sie fürdie Verbindung zum PC oder Laptopüber USB einen anderen Bausteinverwenden. Ein solcher Nachbauliegt auch dem Minerva-Shield bei.

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Damit du einen Arduino programmie-ren kannst, benötigst du ein Pro-gramm, das auf einem PC oder Lap-top ablaufen muss. DiesesProgramm wird als IDE (integrierteEntwicklungsumgebung; engl.: Inte-grated Development Environment)bezeichnet. Man kann sie frei ausdem Internet herunterladen. Für dieProjekte mit dem Minerva-Shieldsolltest du unbedingt die Versionbenutzen, die du unter http://bit.ly/baubox-programmierwerkstatt her-unterladen kannst. Programme fürden Arduino werden als Sketchebezeichnet. Gerade am Anfang ist esungewohnt, sich in die Art und Weiseder Programmierung mit der Ardui-no-IDE einzudenken. Um dir denEinstieg in sie zu erleichtern, gibt eseinen Zusatz für die Arduino-IDE.Dieser Zusatz heißt ArduBlock. Aucher ist im Internet frei verfügbar. ZumDownload steht eine an das Miner-va-Shield angepasste Version vonArduBlock bereit. Sie befindet sichbereits im Arbeitsverzeichnis derArduino-IDE. Du solltest diese unbe-dingt verwenden. ArduBlock stellteine grafische Benutzeroberflächezur Verfügung. Mit wenigen Maus-klicks kannst du so auch anspruchs-volle Anwendungen für den Arduinoerstellen.

Jetzt erfährst du, wie ein Arduino oderArduino-kompatibles Board mit demPC oder Laptop verbunden wird. Eswird erklärt, wie die IDE für denArduino und ArduBlock an einemWindows-System (ab Windows XP)betrieben wird. Im zweiten Kapitellernst du das Minerva-Shield kennen.Du erfährst etwas über die Bauteileund Anschlüsse des Minerva-Shieldsund was du zusätzlich mit ihm verbin-den kannst. Im dritten Kapitel geht esdann los mit den Projekten.

1.1 COMPUTERVORBEREITENDu solltest unbedingt die bereitge-stellte Software verwenden. Die Soft-ware funktioniert unter Windows abWindows XP.

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1 Arduino und ArduBlock

Entpacke einfach den Ordner„67018-2-Programmierwerkstatt_Nano“ auf dem Desktop, wie es dieAbbildung auf der vorhergehendenSeite zeigt.

Verschiebe dann aus dem Ordner„Nano“ die in ihm befindlichen Ver-zeichnisse und Dateien auf denDesktop.

Schließe den Arduino über ein pas-sendes USB-Kabel an einen freienUSB-Port des PCs oder Laptops an.Nach einem kurzen Moment erkenntWindows die neue Hardware undordnet ihr im besten Fall selbststän-dig den entsprechenden Treiber zu.

Findet Windows von alleine keinenpassenden Treiber, so muss mandiesen selber installieren.

Zunächst wird das Board wieder vomPC/Laptop getrennt.

Starte das Programm „CH341SER“mit einem Doppelklick.

Es kann sein, dass du zustimmenmusst, diesen nicht von Microsoftautorisierten Treiber tatsächlich zuinstallieren.

Klicke dann auf „INSTALL“.

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Nachdem der Treiber erfolgreichinstalliert wurde, wird das Board(ggf. nach einem Neustart vonWindows) erkannt.

Schließe das Board wieder mit demUSB-Kabel an den Rechner an. Öffnemit einem Doppelklick das Pro-gramm „arduino.exe“ im Ordner„arduino-1.8.5+ArduBlock“. Es kannsein, dass du dem Programm erlau-ben musst, einen Sketchbook-Ordneranzulegen.

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Wenig später meldet sich dieArduino-IDE mit diesem Fenster.

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1 Arduino und ArduBlock

Dann muss man noch die verwendeteSchnittstelle (Port) festlegen. Solltenhier mehrere Schnittstellen zur Aus-wahl stehen, musst du ausprobieren,welche die richtige ist. Wird von derArduino-IDE keine Schnittstelleangeboten, ist der Treiber nicht odernicht richtig installiert. Installiere ihnwie weiter vorn beschrieben.

Im selben Menü wählst du unter Pro-zessor Atmega 328P aus.

Im Menü Werkzeuge wählst du nundas Board (Arduino Nano) aus.

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Im Menü Werkzeuge findest du auchden Punkt ArduBlock.

Wählt man ihn aus, so meldetsich ArduBlock mit diesemFenster. Nun sollte dein Boardbereit sein.

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2 Bauteile

Die Eingänge A5/D19, A4/D18, A3/D17 sind über Widerstände mit derVersorgungsspannung des Arduinoverbunden und auf die 3 Sensorfel-der am unteren Rand des Minerva-Shields herausgeführt.

2.1 MINERVA-SHIELD

Die für die Projekte notwendigenBauteile befinden sich fast alle aufdem Minerva-Shield. Nur den Laut-sprecher und selbstgebaute Senso-ren musst du ans Minerva-Shieldanschließen. Für den Selbstbau vonSensoren benötigst du einige Utensi-lien, die du bestimmt zu Hause hast.Hierzu gehören Nägel, Klebeband,Löffel und eine Tasse.

Die Ausgänge D2 bis D9 sind mitLeuchtdioden (LEDs) unterschiedli-cher Farbe auf dem Minerva-Shieldverbunden.

Am Eingang A7 ist ein Temperatur-sensor (NTC) mit zusätzlichemWiderstand, am Eingang A6 einregelbarer Widerstand (Trimmpoti)angeschlossen.

An A0/D14 ist eine Infrarot-Leucht-diode (IR-LED), an A1/D15 ein Foto-transistor und an A2/D16 eine roteLED angeschlossen.

Um Projekte zu verwirklichen, benötigst du einen Arduino und weitereelektronische Bauteile. Nur so kann der Arduino seine Aufgabenerfolgreich erfüllen. Eingaben und Messgrößen werden verarbeitet undErgebnisse optisch oder akustisch angezeigt.

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Die Sensorfelder haben Löcher, an die Krokostrippenangeklipst werden können.

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2 Bauteile

2.2 ARDUINO

Stecke den Arduino in die für ihnvorgesehene Buchsenleiste desMinerva-Shields. Achte darauf,dass alle Pins des Arduino in denBuchsenleisten stecken. Kein Pindarf überstehen. Der Arduinomuss so aufgesteckt werden, dasssich sein USB-Anschluss nebender Buchse für die externe Versor-gungsspannung auf dem Miner-va-Shield befindet.

Es ist wichtig, dass du den ArduinoNano genau wie beschrieben aufdas Minerva-Shield aufsteckst.Steckst du ihn verkehrt auf, könnenArduino und Minerva-Shieldbeschädigt werden.

Am AusgangD10 befindetsich eine Ver-stärkerstufe, ander du einenLautsprecheransteckenkannst. Es gibtzwei Möglich-keiten, denLautsprecher anzuschließen. Je nachAnschluss werden die Töne laut oderleise wiedergegeben.

Dem Minerva-Shield liegen Füße ausKunststoff bei. Stecke jeweils einenvon ihnen von unten in die Löcherzwischen den zwei Buchsenleisten.Dadurch kannst du das Miner-va-Shield besser auf eine glatteOberfläche legen.

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Dagegen kannst du etwas unterneh-men, indem du die Leuchtdiode miteinem dunklen Filzstift bemalst.

Jetzt kann es losgehen. Die erstenProjekte werden in allen Schrittensehr genau erklärt. Am Anfang gehtes darum, sich in der Programmier-umgebung von ArduBlock zurechtzu-finden. Später wirst du lernen, wieder Arduino Sensoren abfragt, Töneerzeugt und Messwerte anzeigt. AmEnde mancher Projekte bekommstdu Vorschläge, wie du das Projektselbstständig verändern kannst. Viel-leicht fällt dir aber auch etwas ganzNeues ein?

Wie beschrieben muss der Treiberfür den beigelegten Arduino NanoClone installiert und der Arduinorichtig auf das Minerva-Shield aufge-steckt sein. Achte darauf, dass dieArduino-IDE mit den richtigen Ein-stellungen für Board, Prozessor undPort startet.

Über den USB-Anschluss wird dasBoard mit einem PC oder Laptopverbunden. Arduino Nano und Miner-va-Shield erhalten darüber auch ihreBetriebsspannung. Über eine zusätz-liche Buchse auf dem Minerva-Shieldkönnen Arduino und Minerva-Shieldmit Strom versorgt werden, wennkein Computer angeschlossen ist.Die auf den Arduino übertragenenProgramme laufen ab. Geeignet istein handelsübliches Steckernetzteilmit einer Spannung von 9 V undeinem Strom von etwa 200 mA.

Auf gar keinen Fall dürfen derArduino oder das Minerva-Shielddirekt mit 230 V Netzspannungverbunden werden. Das ist lebens-gefährlich!

Auf dem Arduino-Clone befinden sich4 Leuchtdioden. Eine von ihnenleuchtet dauerhaft, wenn der Arduinomit Strom versorgt wird. Es kannsein, dass dieses Licht sehr grell ist.

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3 Projekte

3.1 BLINKLICHT

Als Erstes bringst du eine Leucht-diode zum Blinken.

Starte das Programm arduino.exeim Ordner arduino-1.8.5+ArduBlockmit einem Doppelklick.

Nach einem Moment meldet sichdie Arduino-IDE.

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Auf der Arbeitsfläche befindet sichbereits der gelbe Block Wiederholefortlaufend.

Im Menüpunkt Werkzeuge klickst duArduBlock an.

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Automatisch wird vorgeschlagen, dass Pin D2 auf HIGH gesetzt wird. HIGHentspricht ungefähr der Versorgungsspannung des Arduino von 5 V. Indiesem Projekt soll die blaue LED an Pin D9 angesteuert werden. Klickstdu auf den kleinen braunen Block, auf dem D2 steht, so öffnet sich einAuswahlmenü, aus dem du D9 wählst.

Wenn das Programm später auf den Arduino übertragen wird, wird dieserBefehl dafür sorgen, dass die blaue LED aufleuchtet.

Aus dem Menüpunkt Pins ziehst du mit der Maus den Block Setze Digital Pinauf in die Klammer am rechten Rand von Wiederhole fortlaufend, sodass erhörbar einrastet.

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Aus dem Menü Steuerung wird der Block Warte MILLIS unter den BlockSetze Digital Pin auf geschoben. Warte MILLIS hat den vordefinierten Wert1000. Das bedeutet, dass das Programm nun 1000 ms (Millisekunden; dasentspricht einer Sekunde) wartet, bevor es den nächsten Befehl ausführt.

Klicke nun mit der rechten Maustaste auf den Block Setze Digital Pin auf, dersich schon auf der Arbeitsfläche befindet. Es öffnet sich ein Menü, aus demdu den Punkt klonen auswählst.

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Die so nochmals vorhandenen und miteinander verbundenen Blöcke SetzeDigital Pin auf und Warte MILLIS samt anhängender Variablen werdenunterhalb des bereits vorhandenen Blocks Warte MILLIS eingefügt.

Der Wert HIGH im unteren Setze Digital Pin auf-Block wird auf LOW ge-ändert. LOW bedeutet, dass der Pin mit 0 V, oftmals auch GND genannt,verbunden wird. Dies entspricht häufig dem Minuspol einer Spannungsquelle(Batterie oder Netzteil).

Schon ist das erste Programm fertig. Zunächst wird Pin D9 auf HIGH gesetzt.Die zugehörige LED leuchtet auf. Dann wird eine Sekunde gewartet. Jetztwird Pin D9 auf LOW gesetzt, dadurch erlischt die Leuchtdiode. Es wird wie-der eine Sekunde gewartet, bevor sich der Programmablauf wiederholt.

Klicke jetzt auf den Button Hochladen auf den Arduino oberhalb der Arbeits-fläche.

Es kann sein, dass sich jetzt ein Fenster öffnet, das nachfragt, ob derSketch der Arduino-IDE gespeichert werden soll. Da du ausschließlichArduBlock-Sketche speicherst, kannst du in diesem Fenster auf Abbrechenklicken.

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Jetzt wird der Sketch zunächst so übersetzt (kompiliert), dass der Arduinoetwas damit anfangen kann. Dann werden die Daten auf den Arduino über-tragen. Ist die Übertragung abgeschlossen, startet das Programm auf demArduino automatisch. Die LED an Pin D9 blinkt.

Schaust du dir das Fenster der Arduino-IDE an, kannst du dort den Fort-schritt der Übersetzung und des Hochladens mitverfolgen. Auch kannst duim Programmfenster der IDE sehen, wie dein Sketch aussieht, wenn du ihndirekt in der IDE programmiert hättest.

Werden Leuchtdioden direkt an eine Spannung von 5 V angeschlossen, sowerden sie zerstört. Damit das nicht passiert, muss ein Widerstand zwischenLeuchtdiode und Spannungsquelle geschaltet werden. Auf dem Minerva-Shieldsind die Vorwiderstände für die LEDs selbstverständlich vorhanden. Dubrauchst dich darum also nicht zu kümmern.

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Um den erstellten ArduBlock-Sketch abzuspeichern, klickst du auf denButton Speichern oberhalb der Arbeitsfläche.

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Wie bei Windows üblich, musst du Speicherort und Dateinamen auswählen.

Das erste Projekt sollte den Namen „Blinklicht“ erhalten.

TIPPEs kann sinnvoll

sein, sich mit demDateinamen an denÜberschriften der Kapitel

dieser Beschreibung zuorientieren.

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3.2 BLINKEN, KNACKEN, TÖNEN

Pin D10 des Arduino ist mit einer Verstärkerstufe auf dem Minerva-Shieldverbunden. Hier kannst du den Lautsprecher anschließen. Der Anschluss fürden Lautsprecher besteht aus 3 Pins. Steckst du den Lautsprecher an denmittleren und an den näher am Rand der Platine liegenden Pin an, werdendie Signale mit verminderter Lautstärke wiedergegeben. Verwendest du denmittleren und den weiter innen liegenden Pin, erreichst du die maximalmögliche Lautstärke.

Als Erstes lädst du den hoffentlich zuvor abgespeicherten ArduBlock-SketchBlinklicht.abp. Dazu klickst du auf den Button Öffnen oberhalb derArduBlock-Arbeitsfläche und wählst dann die entsprechende Datei aus.

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Füge dann aus dem Menü Pins den Block Setze Digital Pin auf unter den schonvorhandenen oberen Setze Digital Pin auf-Block. Ändere Pin D2 auf Pin D10.

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3 ProjekteDann fügst du den gleichen Block unterhalb des untersten bereits vorhande-nen Setze Digital Pin auf-Block ein. Ändere wieder Pin D2 in Pin D10. Undder Wert HIGH änderst du auf LOW.

Nachdem du den Sketch auf den Arduino hochgeladen hast, blinkt die blaueLED an Pin D9, und aus dem Lautsprecher hörst du ein rhythmisches Knacken.

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Verändere jetzt die Werte beider Warte MILLIS-Blöcke und lade den geänder-ten Sketch auf den Arduino. Probiere die Zahlenwerte 500, 100, 10 und 1 aus.Was fällt dir auf?

Mit dem Button Speichern als speicherst du diesen Sketch als „Knacken“ ab.

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Haben beide Warte MILLILS-Blö-cke den Wert 1000, leuchtet dieLED für eine Sekunde auf (Impuls-dauer) und bleibt dann für eineSekunde dunkel (Pausendauer),bevor sie erneut aufleuchtet.Diese Gesamtzeit wird als Perio-dendauer T, Maßeinheit Sekunde[s], bezeichnet. In der Technik istes jedoch üblicher anzugeben, wieoft sich ein Vorgang in einerSekunde wiederholt. Dies wird alsFrequenz f bezeichnet. Die Einheitist Hertz [Hz].

Es gilt also: f [Hz] = 1 / T [s]

Beim Blinklicht beträgt also dieFrequenz 1 / 2 s = 0,5 Hz.

Du kannst die Variable „1000“, diedem Block Warte MILLIS ange-hängt ist, einfach überschreiben.So veränderst du Blinkmuster undKnacken hinsichtlich Frequenzund dem Verhältnis von Impulsund Pausendauer.

Ab welcher Frequenz nimmt mandas Blinken nicht mehr als Blin-ken, sondern als Dauerleuchtenwahr?

Wie verändert sich das Knackenmit zunehmender Frequenz?

Wie leuchtet die LED, wenn dieImpulsdauer auf 9 ms und diePausendauer auf 1 ms gesetztwird?

Wie leuchtet sie, wenn die Impuls-dauer 1 ms und die Pausendauer9 ms beträgt?

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In der Ideenwerkstatt der NaturDie große Baubox

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tACHTUNG! Für Kinder unter drei Jahren nicht geeignet. Erstickungsgefahr, da kleine Teile verschluckt oder einge-atmet werden können.ACHTUNG! Nicht geeignet für Kinder unter 14 Jahren.Anweisungen sind beigefügt und müssen unbedingt beachtet werden. Verpackung und Anleitung aufbewahren, da siewichtige Informationen enthalten! Technische Änderungen vorbehalten.Zusätzlich benötigt: Computer mit Internetanschluss und Windows- oder Linux-Betriebssystem, einige haushalts-übliche Gegenstände.

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