(september & oktober 2020)

De Arduino Student Kit en het Arduino certificaat

Onlangs heb ik de Arduino Student Kit beoordeeld, en vooral over het Arduino Fundamentals Exam ben ik erg enthousiast. Zelf scoorde ik 96%, en ik ben benieuwd hoe jullie het gaan doen!

Deze kit is bedoeld om thuis en op school zelf aan de slag te gaan met de Arduino. Alles wat je nodig hebt ontdek je met de online lessen van Arduino. Deze online lessen zijn in het engels, wat handig aansluit op het examen. Onderweg zie je voldoende extra informatie om jezelf goed voor te kunnen bereiden op dit examen.

Als leerkracht kan je deze lessen met je klas doen. Zorg ervoor dat de leerlingen zelf hun weg weten te vinden in de online informatie. Je plant 11 lessen in, namelijk één voor de introductie en daarna 10 lablessen. De meeste lessen duren ongeveer twee uur (90-135 minuten), en de lessen 5 en 10 duren drie uur (180 minuten).

Met de stappen hieronder zie je alvast wat je op deze reis kunt verwachten. De tekst is daarmee absoluut niet bedoeld als vervanging voor het online lesmateriaal van Arduino.

Les 0. Unboxing, inloggen in de lessen, installeren van de IDE

Wat zit er in de box

In de box zien we een aantal onderdelen:

  • De Arduino Uno R3
  • USB kabel
  • Een klein doosje met electronica en componenten
  • De 9V batterij
  • Multi-meter met boekje en meer draden
  • Een geel plankje met kunststof onderdelen
  • De kaart ‘Arduino Student Kit’ met op de achterkant jouw persoonlijke activatie code

Het kleine doosje geeft ons een aantal interessante speelgoedjes:

  • Breadboard 
  • Lange, middellange, korte jumper wires in verschillende kleuren
  • Verschillende weerstanden
  • Extra lange jumper wires in rood en zwart
  • Leds
  •    Fototransistors (transparant zoals een led, maar plat aan de bovenkant)
  • Drukknopjes
  • Potmeters met witte draaiknopjes
  • Condensators
  • een transistor dit is een temperatuur sensor
  • Buzzer
  • aansluiting voor 9V batterij
  • boutjes en moertjes voor het gele plankje
  • een servo

Als docent bespreek je kort waar elk onderdeel voor is. We laten in onze toelichting zien wat alles is. Klik op de link om er meer over te leren.

Eerste keer: activeren van de kit

Om te beginnen pak je de kaart met jouw persoonlijke activatie code. Deze code kan je maar één keer claimen, en daarvoor ga je naar; http://studentkit.arduino.cc

Als je daar de code invult wordt de online lessenserie aan jouw account toegevoegd. Echter, indien je een error krijgt ‘This code was already redeemed. Log in below’ dan heb je de code al gebruikt. Klik dan op ‘login as student’ om te proberen verder te gaan.

Zodra je een inlog hebt aangemaakt kan je naar de lessen via https://www.arduino.cc/education – klik indien nodig rechts boven om in te loggen. Je wordt dan doorgestuurd naar jouw Student Kit learning pagina https://studentkit.arduino.cc/

Naar de lessen

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. Deze ziet er zo uit:

Je ziet daar een aantal lessen:

  • 0. Getting started. Exploring the hardware, software and safety guidelines
  • 1. Electricity Basics. Electricity, components and circuits.
  • 2. Ohm’s Law. How electricity behaves in a circuit.
  • 3.  Traffic Signals. Program the arduino. Use the multimeter.
  • 4. Dimmer Switch. Read a potmeter to program lights.
  • 5. Holiday Lights. Program different lights.
  • 6. Sports Robot. Program a servo.
  • 7. Windshield Wipers. Servo controlled by signals. Software structures.
  • 8. Musical Keyboard. Program the buzzer.
  • 9. Light Wave Radar. Read a photo transistor.
  • 10 Smart Greenhouse. Use what you learned to build a climate control system.

Ook kan je op deze pagina het logboek downloaden. De oefenvragen hierin zijn relevant voor het examen, dus vergeet niet om elkaar hier op te wijzen!

Navigeren: Bovenaan het scherm kies je ‘Getting Started’ om naar deze pagina terug te gaan, of je kiest bij ‘Lessons’ welke les je wilt doen.

We beginnen nu met les 0. Getting Started

  • Lees de tekst over de verschillende onderdelen goed door. Je krijgt hier tips waar je later bij het examen wat aan hebt.
  • We bouwen het gele bordje: Haal alle gele stukjes los en zet de 4 (identieke) voetjes in de hoekgaatjes van het bord; overige stukjes hebben we nu niet nodig. Schroef de Arduino vast op de aangegeven plek. Hiervoor heb je een schroevendraaier nodig, of je kiest ervoor om het doorzichtig plastic houdertje weg te laten. Het breadboard plak je vast op de plek zodat aansluiting 1a dicht bij de reset knop van de Arduino zit.
  • Installeer de IDE: voor windows, Mac, Linux

De IDE verkennen en je eerste Blink

Open de Arduino IDE. Klik linksboven op File/bestand, Examples, 01 Basics, en kies dan Blink. De file (ze noemen dit een Sketch) opent in een nieuw venster; voor het gemak sluit je dan het vorige venster.

We kijken naar de code. Herken dat het eerste grijze deel een opmerking is. Het gedeelte daarna met afwisselende kleuren is dan de echte code. Deze willen we naar de arduino sturen.

Sluit de Arduino aan met de USB kabel. Kies in het menu Tools, Boards, en kies Arduino Uno. In het Tools menu kies je Port, en kies het hoogste nummer. (op de Mac kies je /dev/tty.usbmodem, of in Linux kies je iets wat lijkt op /dev/ttyACM)

Klik op de tweede ronde knop linksboven om je programma naar de Arduino te sturen. Als het goed is gaat er op de Arduino nu een led knipperen.

Zoek in je programma op twee plaatsen het getal 1000. Verander dit in 200 en 2000, en upload opnieuw. Zie je dat het knipperen nu in een ander ritme gaat?

Veiligheid

Lees verder over de veiligheid. Hierover volgen vragen in het examen. Doe in je notebook de safety quiz.

Les 1. Componenten en circuits

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 1. Electricity basics.

Zelf geef ik in mijn lessen geen instructie voor de componenten en spring ik meteen naar het hands-on programmeren. Echter, in het examen is de toelichting van deze les erg belangrijk.

Mijn uitleg is vrij kort: Voor ons is het belangrijk om te onthouden is dat met stroom alles stuk kan gaan. Dat is vervelend want dan doen de onderdelen van je set het niet meer. Vooral de LEDs en de 9 Volt batterij zijn geen vrienden. Bij 9 volt gaat een LED gewoon stuk, en dan kan je hem beter weg gooien. Maar drie of vier LEDS op een rijtje kan wel. En een LED en een weerstand van 560 Ohm op een rijtje werkt ook prima. Dit ‘op een rijtje’ heet ‘in serie’, en de spanning of het voltage verdeelt zich dan over de componenten.

Met het breadboard bouwen we een circuit met het breadboard, een 560 Ohm weerstand (goud-bruin-blauw-groen of bruin-zwart-zwart-blauw-groen) van rood naar 1a, een gele LED van 1e naar 1f, een jumper van 1f naar zwart. We sluiten de batterij aan.

Lees de online lessen rustig door. Daarin kom je bij een oefening om de kleurcodes van de weerstand te lezen. We gebruiken daarvoor een online converter, zoek er maar eens een op het internet.

De lessen leggen uit dat bij de LED de lange pin (Anode) bij de plus hoort, en in de Arduino schema’s heeft deze onder het kopje ook een knikje. Aan de min kant (cathode) heeft het kopje een plat kantje. Dit is belangrijk om te werken met de schema’s op het examen.

Verder wordt bij de bouwstappen veel uitgelegd over de verschillende onderdelen. Dit is nuttig om in volgende lessen de opdrachten goed uit te kunnen voeren. Lees dit allemaal eens aandachtig door.

Het werkboek geeft een paar vragen waarvoor je nog wat exxtra speelt met het circuit wat je zojuist hebt gebouwd. Hiermee krijg je beter inzicht in hoe LEDs en weerstanden samenwerken. Doe deze oefening.

Les 2. De wet van Ohm, serie en parallel schakelingen naast de Arduino

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 2. Ohm’s Law.

Op het breadboard zetten we een 220 Ohm weerstand (rood-rood-bruin-goud) in Rood naar 2d, een rode LED van 2e naar 4e, en een korte jumper naar zwart. Rood verbinden we aan Arduino poort 13 en zwart aan Arduino GND.

In de Arduino IDE openen we weer de voorbeeld Blink. We stellen het programma in op een langzame blink.

De lessen leggen uit wat een multimeter doet. Lees dat eens rustig na. Het is goed om te weten hoe je je multimeter instelt om Volt of Ampere te meten.

Er volgt een oefening om met de multimeter op verschillende punten het circuit door te meten. Volg de instructie en noteer de resultaten in het logboek.

Daarna bouw je het schema om tot verschillende serie schakelingen, om te ervaren wat er gebeurt. En daarna doe je dit ook met een parallel schakeling. Tijdens deze oefeningen wordt verder uitgelegd hoe de stroom door het circuit loopt. Er zijn uitstapjes om meer te leren over de verschillende onderwerpen die aan bod komen. Het logboek geeft een aantal vragen om te zien of je deze kennis goed kunt toepassen.

Les 3. Verkeerslicht met de Arduino, digitale signalen

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 3. Traffic Signals.

In deze les vertaal je de stappen die een stoplicht maakt naar pseudo-code, en daarna naar echte code. Je leest over het verschil tussen analoge componenten en digitale onderdelen.

We bouwen een schema met drie LEDs elk in serie met een 220 Ohm weerstand, op Arduino poort 3, 4, en 5 (groen, rood, orange). De lesbeschrijving helpt ons een nieuw programma te beginnen, en legt stap voor stap uit waar de onderdelen van de code voor zijn. We leren over de IDE en de compiler, en waarom er errors kunnen komen tijdens het programmeren.

We voegen remarks toe om de code voor ons beter leesbaar te houden – dit is belangrijk in de beoordeling van de opdrachten. De lessen leggen wat uit over pseudo code en hoe het ons helpt om stapsgewijs ons programma te maken.

Vervolgens voegen we een drukknop toe met een 10k weerstand. Er volgt een uitleg over pull-down resistors. Het programma pas je aan, en er volgt een uitleg over conditional statements. Met de multimeter meet je een aantal punten om te controleren of de Arduino kan zien wat de schakelaar doet.

Met vragen in het logboek kan je zien of je de informatie van deze les goed kunt gebruiken.

Les 4. Een dimmer, analoge signalen

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 4. Dimmer Switch. In deze les gaan we veel programmeren.

In deze les wordt uitgelegd wat een potmeter doet. We bouwen een circuit met een breadboard, een potmeter in 28e, 30e en 29g. Met een multimeter meten we dat de weerstand verandert als we draaien aan de potmeter.

We bouwen het circuit verder met drie blauwe LEDS, elk met een 220 Ohm weerstand, op poort 9, 10 en 11 van de Arduino. De potmeter wordt aangesloten op 5V, GND en A0.

Stapsgewijs bouwen we een programma, waarbij nu ook het gebruik van variabelen en hun scope wordt uitgelegd. Nieuw zijn nu analogRead en analogWrite, waarbij PWM wordt uitgelegd. Hiermee beheerzen we nu ook de analoge mogelijkheden van de Arduino.

Met de Serialmonitor bekijken we op de computer de output van de Arduino. Het begrip Baud wordt toegelicht.

Les 5. Zelf een lichtmachine ontwerpen en bouwen. Extra lang.

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 5. Holiday Lights. In deze les ga je zelf een project bouwen, en daarvoor zal extra tijd nodig zijn.

In de online uitleg voor dit hoofdstuk lees je veel achtergrond informatie welke helpt bij de uitvoering. Je wordt gevraagd om samen te brainsstormen, circuits te ontwerpen, pseudocode te schrijven en echte code te bouwen.

De opdracht is een lichtmachine te ontwerpen met:

  • 4 tot 8 LEDs die door het programma worden bediend
  • drukknop met pulldown resistor om het programma te bedienen
  • potmeter die invloed heeft op het programma
  • digitaal en analoog – gebruik minstens één digitale en één analoge pin
  • weerstanden – elke LED (of elke serie met LEDs) heeft één weerstand in serie
  • beperk je tot componenten die in de eerste 4 lessen zijn gebruikt
  • variabele- je programma gebruikt minstens één variabele
  • conditional statement – je programma gebruikt minstens één conditional statement
  • stroom – op geen enkel deel van je circuit is de stroom groter dan 25 milli-ampere, toon dit aan in je logboek met een meting of berekening

In de online lessen staan veel tips, aanwijzingen en veel uitleg. Lees dit aandachtig door. Vul je resultaten in op het logboek.

Teams demonstreren hun project resultaat.

Les 6. Sport robots – iets laten bewegen

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 6. Sports Robots.

Op een breadboard bouwen we eerst een circuit met een 100 microfarad condensator, een 10k weerstand en een drukknop. Met de 9V batterij laden we de condensator op en met de knop ontladen we deze weer over de weerstand. We leren zo hoe de condensator een spanning kan vasthouden.

Daarna vertelt de online les over servo’s en motors.

Op het breadboard bouwen we een schema met een servo, jumperwires , een potmeter en een 100 microfarad condensator. De condensator voorkomt dat de servo tijdens het bewegen de spanning van de Arduino te veel omlaag trekt.

Bij het maken van het programma leren we over het gebruik van libraries met de classes en methods. Constanten worden uitgelegd. De map() functie wordt tooegelicht. Stap voor stap wordt zo in de instructie het programma opgebouwd en toegelicht. De serial monitor gebruiken we weer om de resultaten op ons scherm te bekijken.

Met karton maak je een arm of een been van ongeveer 20 centimeter. Met plakband zet je deze vast op je servo. Gebruik bijvoorbeeld een prop papier als denkbeeldige bal. Pas je programma aan om je robot tegen de denkbeeldige bal te laten schoppen. In de online instructie staat alles stap voor stap uitgelegd.

In het logboek wordt gevraagd om de robot nu op verschillende manieren tegen de bal te laten schoppen om te kijken hoe ver de bal komt. Vul de tabel in.

Les 7. Ruitenwissers – programmeren en besturen van een complex apparaat

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 7. Windshield Wipers.

In deze les leer je om verschillende software structuren te gebruiken om een ruitenwisser in verschillende standen je ruiten te laten wissen. De online instructie vertelt stap voor stap hoe je het circuit bouwt. Als dat klaar is knip je van karton een ruitenwisser, welke je met plakband aan de servo maakt.

Stap voor stap wordt je geholpen bij het maken van het programma, waarbij je weer nieuwe dingen leert. De serial monitor helpt ons om te zien of de interactie met je componenten goed werkt. Je ziet hoe de instructies switch/case/break werken. Stap voor stap groeit je ruitenwisser programma om ook ‘intermittent’ mode toe te voegen. Met een LED als ‘ruitensproeier’ maak je jouw programma compleet.

In het logboek vul je een korte vragenlijst in.

Les 8. Muziek componeren

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 8. Musical Keyboard.

In deze les zie je duidelijk hoe programmeren helpt bij STEAM in het onderwijs: we ontdekken hoe we verschillende toonhoogtes geluid maken. We ontdekken hoe een piezo werkt, we leren programmeren met arrays, en in de electronica ontdekken we de ‘resistor ladder’.

In een eerste lab bouw je een eenvoudig schema met de buzzer, en je gebruikt het Blink voorbeeld om geluid af te spelen.

Daarna bouw je een wat ingewikkelder schema met 4 drukknoppen met elk een verschillende weerstand, parallel op poort A0. Hiermee heb je een ‘resistor ladder’ gebouwd om verschillende noten te spelen. Een 5e drukknop gaat op poort 3 om de toonhoogte verder op te schuiven. Stap voor stap bouw je het programma, waarbij je nieuwe dingen leert over programmeren.

Met de multimeter meet je het voltage voor de verschillende tonen. Je verwerkt dit in de tabel in je logboek.

Les 9. Lichtscanner

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 9. Light Wave Radar.

In deze les ontdekken we aspecten van het grdrag van licht. Je gebruikt functies voor herhaalde code.

Je bouwt een schema met het breadboard, de foto transistor en enkele andere componenten. We bouwen een eenvoudig programma om de lichtsterkte te meten, en met de serial monitor kunnen we meekijken op ons scherm. We zien verder hoe we serial kunnen gebruiken om opdrachten aan de Arduino te geven.

Daarna bouw je met een servo een lichtscanner. Met de foto transistor op de servo (plakband nodig) kan je Arduino hiermee rondkijken om de lichtsterkte in de kamer in kaart te brengen. Ook bij deze oefening wordt je stap voor stap begeleid bij het programmeren en bouwen. Ik vind het een erg leerzame en mooie oefening.

Les 10. Zelf een klimaatbeheersing ontwerpen. Extra lang.

Via https://studentkit.arduino.cc/ kom je op jouw Student Kit learning pagina. We kiezen bovenin bij ‘Lessons’ voor 10. Smart Greenhouse. In deze les ga je zelf een project bouwen, en daarvoor zal extra tijd nodig zijn.

Teams worden gevraagd te brainstormen, een ontwerp te maken en te bouwen. De online instructie geeft veel steun bij de aanpak.

Het klimaatbeheersing systeem wat jullie ontwerpen en bouwen moet voldoen aan:

  • Twee LEDs, enk met een weeerstand in serie
  • Twee handbedienbare bedieningselementen (drukknop, potmeters en/of serial)
  • Servo met 100 microfarad condensator
  • Digitaal en analoog – gbruik minimaal één digitale pin en één analoge pin
  • Weerstanden – elke LED heeft een serie weerstand, elke drukknop heeft een pulldown weerstand
  • Sensors – gebruik minimaal twee sensors, een licht sensor en een temperatuur sensor (zie betreffende oefening)
  • Buzzer – gebruik de busser als alarm, of als alert dat iets met de handbediende bedieningselementen moet worden ingesteld
  • Functions – gebruik in de software minimaal één called function

De online instructie geeft voldoende instructie en achtergrond informatie om de keuzes te maken bij het ontwerpen en bouwen van dit project. De temperatuursensor wordt toegelicht.

Een overzicht van les 5 t/m 9 geeft aan waar de studenten hun voorbeeld ontwerp met code kunnen verzamelen.

Teams houden een presentatie aan de rest van de klas. De richtlijnen voor deze presentatie staan in de online les.

Conclusie

DeArduino Stident Kit geeft met de bijbehorende online begeleiding een zeer uigebreide introductie in electronica, de Arduino en het programmeren hiervan.

Studenten zullen in de regel graag met de labs willen beginnen. Door de mooie manier waarop deze labs en de theorie is verweven wordt de leerstof op een aantrekkelijke manier aangeboden. Het wordt zo makkelijker om alle onderwerpen te leren beheersen die bij het examen aan bod zullen komen.

De afbeeldingen, woordkeuze en de manier van aanbieden in de online training geeft bovendien een goede voorbereiding op het Arduino Fundamentals Exam