Het aansturen en regelen van apparatuur door middel van microcontrollers is niet meer weg te denken. Onze studenten zullen in hun latere werkomgeving veelvuldig te maken krijgen met installaties met één of meer microcontrollers.

Beknopte beschrijving

Studenten maken in deze serie van lessen en labs kennis met het programmeren van microcontrollers. Hiermee vormen we de koppeling tussen de applicatieontwikkeling (programmeren) en de aansturing van apparatuur (electrotechniek). De kennis en ervaring uit deze serie dient als voorkennis voor een beroepsoriëntatie, of als basis voor een verdere studiekeuze.

Studenten leren eenvoudige schakelingen te bouwen, en sluiten deze aan op de microprocessor. Studenten maken kennis met programmeervaardigheden en programmeren een eenvoudige toepassing met de Arduino. Na deze serie kunnen de deelnemers zelf een eerste programmeerbaar prototype ontwerpen en bouwen.

Doelgroep

De serie lessen en labs is ontworpen als blok van circa 3 maanden voor MBO studenten. Door tijdens de uitvoering te variëren in diepgang is de serie geschikt voor een breed publiek.

Voorkennis

Geen voorkennis benodigd.

Vervolg

De opgedane vaardigheden worden vervolgens toegepast in een specifieke toepassing, in een volgend blok:  https://junioriot.nl/leerlijn-arduino-gps-tracker-op-ttn/

Lesduur

Een blok van circa 3 maanden, wekelijks één les van 90-120 minuten aangevuld met lab van 90-120 minuten.

Leerinhoud, kerndoelen

  • technologievaardigheden aan kunnen leren
  • initiatief nemen, zelfregulatie, samenwerken
  • ICT vaardigheden, bedienen en toepassen van computerapparatuur

Sluit aan op

  • Cisco NetAcad, IoT Fundamentals: Connecting Things

Technologievaardigheden

  • Electronica:
    • herkent en realiseert eenvoudige circuits
    • solderen, stroomkring, circuits bouwen en ontwerpen
    • eenvoudige schema’s van electronica kunnen lezen
    • meet- en test apparatuur hanteren
  • Microcontrollers:
    • onderdelen herkennen rond de microcontroller en functie benoemen
    • verschillende singleboard computers en single chip oplossingen herkennen
    • toepasbaarheid benoemen van verschillende soorten computers/chips voor programmeerbare schakelingen
    • het realiseren en herkennen van programmeerbare schakelingen
  • Programmeren: programma’s in C++ herkennen, en kunnen aanpassen
    • eenvoudige programma’s herkennen en interpreteren
    • zelf programmeren voor de microcontroller ten behoeve van de aansturing van apparatuur of componenten
    • schema’s van programmeerbare schakelingen herkennen (blokschema, ladder)
  • Sensoren en actuators: sensoren toepassen en uitlezen, data verwerking en data communicatie en/of aansturing van actuator
    • herkennen en benoemen van verschillende sensoren en actuators en beschrijven van de toepassing
    • volgens instructie bouwen en programmeren van een vereenvoudigde toepassing met sensoren en motor

Werkplaats inrichting

Benodigde werkplek, gereedschappen, machines:

  • Laptop met Arduino IDE, drivers voor arduino Nano, USB aansluitsnoer voor arduino
  • Eenvoudige soldeerwerkplek; temperatuurgestuurde electronisch regelbare soldeerbout voor electronica tussen 8 en 60 watt, matje, steun, spons; 0,5 mm soldeertin (loodhoudend)
  • Lesomgeving met scherm, verlengsnoeren, verdeelplankjes, werktafels voor eenvoudige lab omgeving. Indien heel veel wordt gesoldeerd (dat is niet het geval) dan ook puntafzuiging, anders voldoende ventilatie via raam. Evt koolfilterventilator.
  • Lipo batterij laders, lijmpistool, tie-reps, tape

Materialen

Materialen per deelnemer-

  • Trilrobot, RGB licht circuit, PCB oefening. per student: 4x CR2032 batterij, 4x batterijhouder, 10x LED, 1x RGB LED, 8x schakelaar, 3x druk knopje, 1x trilmotor 3v, 1x mini pcb, single core snoertjes
  • Arduino programmeren, per student: 1x Arduino Nano 168, 3x LED, 1x RGB LED
  • Arduino Neopixel; per drie studenten: 1x Adduino Nano 168, 1x neopixel stick; headers, jumper wires, breadboard
  • Motor control oefening, afstand sensor oefening en de sensor stopwagen challenge: Per drie studenten: 1x Adduino Nano 168, 1x ultrasoon sensor, 1x motorcontroller board, 1x 3-6v motor met wielen, 9v batterij, 9v batterij aansluitkabel, jumper wires, snoertjes

Cijfers en score

Labtoets

De labtoets bestaat uit een terugkerend pitch moment, per persoon. In elke lab kan je worden gevraagd om even uit te leggen wat je doet. Denk je in dat dit de manager van je manager is, die heel even komt kijken wat er speelt op de werkvloer. Je pitch is kort, helder en getuigt van kennis en inzicht.

Zelf zorg je dat je aan de beurt komt. Dit kan dus niet allemaal in de laatste minuten van het lab. De eerste ronde is een oefening en telt niet mee.

  • Techniek, correct en voldoende inhoud
  • Beknopt, past het in 30-90 seconden (beknopt) of heb je 5 minuten nodig (niet beknopt)
  • Volledigheid, vertelt je verhaal wat we in je Lab zien
  • Passie, kan je op de toehoorder overbrengen waarom we jouw oplossing een goede is. Of laat horen dat je in de nacht doorwerkt. Of verras ons met extra’s.
  • Lab resultaat, heb je kunnen bouwen wat de bedoeling was

Je scoort maximaal 5 maal 2 punten, en je cijfer is een optelling hiervan.

Lab log

Je persoonlijke lablog schrijf je op een manier dat wij er (al dan niet publiek) bij kunnen. Je kunt hierin jouw resultaat van je wekelijks labs beschrijven, gemiddeld een half A4 per Lab inclusief foto’s. En daarbij beschrijf je ook jouw eindproject, wat je als een overdrachtsdocument schrijft aan een collega die met dezelfde training jouw werk gaat voortzetten.

Hierin scoor je punten op dezelfde criteria: Techniek, Compactheid, Volledigheid, Passie en Resultaat.

Lesprogramma

Elk blok kent 10 weken, waarvan één is gereserveerd als bufferweek.

Week 1. Introductie en eerste lab

  • Theorie. Doel is een interessante benadering geven aan de lesstof rond hardware en IOT. Onze aanpak is gericht op de LABs, en ondertussen groeien we in werknemervaardigheden.
    Zelfregulatie en samenwerken. https://junioriot.nl/zelfregulatie-en-samenwerken/
  • Theorie NetAcad: 0. Welcome to IoT Fundamentals: Connecting Things
    Overview: this training teaches you on circuits and software. Labs: digital, on physical equipment, packet tracer (network simulation tool). Quiz and exams for the course are available in the Cisco Networking Academy.
  • lesmateriaal NetAcad: 1. Things and Connections.
  • LAB – Bouw een trilrobot – https://junioriot.nl/soldeeroefening/
    Elke deelnemer bouwt een item wat mee naar huis mag.

    • we leggen uit hoe je netjes en veilig met de soldeerbout omgaat
    • we leggen uit dat je nooit op een batterij mag solderen, en waarom (W&T)
    • je test de batterij met een led, en onderzoekt welke pootjes van de batterijhouder je gebruikt om de led aan te zetten
    • je bouwt met batterij, batterijhouder, trilmotor je eigen trilrobot – en voegt eventueel een schakelaar toe
    • battle?
  • Geen lab toets.

Week 2. Circuits en een eerste schakeling.

  • Theorie
    • toelichting wat is electronica, wat is een stroomkring
    • circuits en schrijfwijze
  • Theorie NetAcad: 2.
  • Prepare, installeren Arduino IDE,
  • Introductie van manier van cijfers genereren:
    • Labtoetsen (vandaag een proefronde)
    • Lab log – per persoon een eigen log maken; kort stukje waar je trots op bent of wat je nieuw hebt geleerd inclusief foto’s gemiddeld per week een half A4. Het meest waardevolle is dat je beschrijft wat mis is gegaan en hoe het beter moet. Schrijf dit als een overdrachtsdocument voor in de werkomgeving.
  • LAB
    – RGB lichtorgel – https://junioriot.nl/rgb-lichtorgel/
    – Eigen circuit op een printplaat – https://junioriot.nl/circuit-op-printplaat/
    – proef LAB toets: Presenteer of vertel over je lab ervaring en je resultaat, als een korte elevator pitch aan een opdrachtgever.
    Elke deelnemer bouwt een item wat mee naar huis mag.

Week 3. Hoe werkt programmeren op de Arduino Nano.

  • Theorie –
    • toelichting wat is een microprocessor
    • verschil tussen de verschillende soorten processors en single-board toepassingen; Arduino, ESP, Raspberry Pi, Microbit, FPGA, GPU, intel chips, … welke ken je nog meer
    • vergelijking van toepassingen; mobiele telefoon, laptop, PLC, mainframe, …?
    • tonen van verschillende voorbeelden, arduino, Raspberry Pi, microbot,  PC/laptop, PLC, CNC en Robotica controllers, …
  • Theorie – NetAcad: repeat van de coltrollers slide
  • LAB
    – is de Arduino IDE geïnstalleerd, en heb je de drivers ook al?
    – Blink Extreme – https://junioriot.nl/arduino-nano/
    – eventueel ook: Blink no Delay – https://junioriot.nl/blink-no-delay/
    Elke deelnemer bouwt een item wat mee naar huis mag. Neem het de volgende keer weer mee.
  • LAB toets: Presenteer of vertel over je lab ervaring en je resultaat, als een korte elevator pitch aan een opdrachtgever.

Week 4. Tussenweek

  • Theorie, herkennen wat je hebt gezien. Met de Arduino IDE en google search op het scherm?
    • Software structuren: If then else (er bestaan geen goto’s meer), for- loop, while, functies al dan niet met parameters, …
    • Instructie: ter informatie, aan het einde van blok 2 (IOT) gaan jullie in teams een eigen project uitvoeren. Afgelopen weken en wat we nog gaan doen is allemaal deel van de voorbereiding hiervoor. Ga nu alvast brainstormen hoe je met deze ervaring een realistische toepassing kan maken. Je mag hiervoor een kopje maken in het Lablog: “Idee voor mijn project”
    • Werken aan je Lablog
  • Theorie, NetAcad: H3, software
  • LAB – met je eigen Arduino van vorige week:
    – Blink Extreme, nu doe je het even zelf – https://junioriot.nl/arduino-nano/
    – Blink no Delay – https://junioriot.nl/blink-no-delay/
    Met een leen Arduino en een breadboard:
    – Arduino en NeoPixel https://junioriot.nl/arduino-neopixel/
    Presenteer of vertel over je lab ervaring en je resultaat, als een korte elevator pitch aan een opdrachtgever.

Week 5. Sensor/actuators op de Arduino

  • LAB –  Sensor stopwagen op USB power – motorbesturing via BLINK.
    Per team van 3 een item, Arduino op een breadboard
    – Arduino afstandsensor https://junioriot.nl/arduino-afstandsensor/
    – motorcontroler via Blink https://junioriot.nl/arduino-blink-motorcontroller/
    – Arduino stopmotor – deel 1? https://junioriot.nl/werkblad-arduino-stopmotor/
    Een item per team van 3 deelnemers
  • Theorie NetAcad Sensors en actuators
  • Theorie:
    • digitaal uit versus analoog uit
      • Blink is digitaal aan/uit
      • wat kan nog meer? een PWM uitgang, wat is dat.
    • Batterij 9 volt, hoe maken we hier iets van voor de Arduino
      • on-board converter, 500 mA
      • converter boards 0,5 ampere, converter op de motor controller
      • motor controller
    • Batterij 9 volt, hoe maken we de spanning voor de motor voor snel/langzaam sturing –> pwm

Week 6. Sensor aangedreven PWM besturing

  • LAB 2 – Sensor en motors, de Sensor stopwagen op batterij – ombouwen naar 9 volt batterij.
    – PWM op de motorcontroller https://junioriot.nl/arduino-pwm-motorcontroller/
    – Arduino volgmotor https://junioriot.nl/werkblad-arduino-volgmotor/
    Dit is een software aanpassing op het voorgaande lab.
  • Theorie NetAcad Software is everything.
    – Libraries, programmeerstructuren, software lagen (database, business logic en application logic; MVC model view controller).
    – #defines –> compiler opdracht versus programmeer code

Week 7. Battle Lab (teams) + LAB Log review / presentatie / elevator pitches.

Week 8. LAB project – jouw robot wagen + deel 2 van LAB Log review / presentatie / elevator pitches.

Week 9. Reserve LAB project; begin van IOT

De laatste lessen leggen we de brug naar IOT onderwerpen.

  • Lesmateriaal – voorbereiding op IOT serie.
    • welke plekken in jouw wereld herken je sensors,
    • …data?
    • … communicatie?
    • … actuators of weergave in displays?
    • Hoe kies je (de kwaliteit van) de componenten waarmee je gaat bouwen
    • Tonen van verschillende sensors

 

Controlling and regulating equipment by means of microcontrollers has become indispensable. Our students will frequently have to deal with installations with one or more microcontrollers in their later work environment.

Brief description

In this series of lessons and labs, students get acquainted with the programming of microcontrollers. In this way, we form the link between application development (programming) and the control of equipment (electrical engineering). The knowledge and experience from this series serve as foreknowledge for a professional orientation, or as a basis for a further study choice.

Students learn to build simple circuits and connect these to the microprocessor. Students are introduced to programming skills and programming a simple application with the Arduino. After this series, participants can design and build their own first programmable prototype.

Target group

The series of lessons and labs are designed as a block of approximately 3 months for MBO students. By varying the depth during the performance, the series is suitable for a wide audience.

Foreknowledge

No prior knowledge required.

Continuation

The skills acquired are then applied in a specific application, in the following block:

https://junioriot.org/lesson-arduino-gps-tracker-ttn/

Lesson duration

A block of about 3 months, weekly one lesson of 90-120 minutes completed with lab of 90-120 minutes.

Learning Content & key objectives

  • Technology skills
  • taking the initiative, self-regulation, working together
  • STEM skills, operating and applying computer equipment

Connecting to

  • Cisco NetAcad, IoT Fundamentals: Connecting Things

Technologievaardigheden

  • Electronics:
    • Recognizes and realizes simple circuits
    • Soldering, circuit building, and design
    • Evolve the ability to read simple electrical diagrams
    • Handling measuring and testing equipment
  • Microcontrollers:
    • Recognize parts around the microcontroller and name function
    • Recognize different single board computers and single-chip solutions
    • Naming applicability of different types of computers/chips for programmable circuits
    • Realizing and recognizing programmable circuits
  • Programmeren:
    • Recognizing programs in C++, and being able to customize them
    • Recognizing and interpreting simple programs
    • Self-programming for the microcontroller to control equipment or components
    • Recognize diagrams of programmable circuits (block diagram, ladder)
  • Sensoren en actuators:
    • Applying and reading sensors, data processing, and data communication and/or actuator control
    • Recognizing and naming different sensors and actuators and describing the application
    • Building and programming a simplified application with sensors and motor according to instructions

Workshop

Required tools and machines:

  • Laptop with Arduino IDE, drivers for arduino Nano, USB connection cable for arduino
  • Simple soldering workstation; temperature-controlled electronically adjustable soldering iron for electronics between 8 and 60 watts, mat, support, sponge; 0.5 mm soldering tin (containing lead)
  • Teaching environment with the screen, extension cords, distribution boards, work tables for simple lab environment. If a lot of soldering is done (which is not the case) then also point extraction, otherwise sufficient ventilation through a window. Possibly carbon filter fan.
  • Lipo battery chargers, glue gun, tie-reps, tape, etc.

Materials

Materials per participant-

  • A vibrating robot, RGB light circuit, PCB exercise. per student:
  • 4x CR2032 battery, 4x battery holder, 10x LED, 1x RGB LED, 8x switch, 3x push-button, 1x vibrator 3v, 1x mini PCB, single-core cords
  • Arduino programming, per student: 1x Arduino Nano 168, 3x LED, 1x RGB LED
  • Arduino Neopixel; per three students: 1x Arduino Nano 168, 1x neopixel stick; headers, jumper wires, breadboard
  • Motor control exercise, distance sensor exercise and the sensor stop truck challenge: Per three students: 1x Arduino Nano 168, 1x ultrasonic sensor, 1x motor controller board, 1x 3-6v motor with wheels, 9v battery, 9v battery connection cable, jumper wires, cords.

Lab test

The lab test consists of a recurring pitch moment, per person. In each lab, you may be asked to explain what you are doing. Imagine that this is your manager’s manager, who comes to see what’s going on on the shop floor. Your pitch is short, clear and testifies to knowledge and insight.

You make sure it’s your turn. So this is not all possible in the last minutes of the lab. The first round is an exercise and does not count.

  • The technique, correct and sufficient content
  • Briefly, it fits in 30-90 seconds (succinctly) or you need 5 minutes (not succinctly)
  • Completeness tells your story what we see in your Lab
  • Passion, you can convey to the listener why your solution is a good one. Or let them know that you’re working through the night. Or surprise us with extras.
  • Lab result, you’ve been able to build what was intended…

You score a maximum of 5 times 2 points, and your grade is an addition.

Lab log

You write your personal lablog in a way that we (public or not) can access it. You can use it to describe the results of your weekly labs, on average half an A4 page per lab including photos. You can also describe your final project, which you write as a transfer document to a colleague who will continue your work with the same training.

Here you score points on the same criteria: Technique, Compactness, Completeness, Passion and Result.

Lesson program

Each block has 10 weeks, one of which is reserved as a buffer week.

Week 1. Introduction and first lab

  • Theory. The goal is to give an interesting approach to the teaching of hardware and IOT. Our approach is focused on the LABs, and meanwhile, we are growing in employee skills.
  • Self-regulation and collaboration. https://junioriot.nl/zelfregulatie-en-samenwerken/
  • Theory NetAcad: 0. Welcome to IoT Fundamentals: Connecting Things
    Overview: this training teaches you on circuits and software. Labs: digital, on physical equipment, packet tracer (network simulation tool). Quiz and exams for the course are available in the Cisco Networking Academy.
  • Teaching materials NetAcad: 1. Things and Connections.
  • LAB – Build a vibration robot – https://junioriot.nl/soldeeroefening/
    Each participant builds an item that can be taken home.
    we explain how to handle the soldering iron neatly and safely
    we explain that you should never solder on a battery, and why (S&T)
    You test the battery with an LED and examine which battery holder legs you use to turn the LED on.
    You build your own vibrating robot with battery, battery holder, vibrator – and add a switch if necessary.
    battle?
  • No lab test.

Week 2. First circuit.

  • Theory
    • explanation what is electronics, what is a power circuit
    • circuits and spelling
  • Theory NetAcad: 2.
  • Prepare installation of Arduino IDE,
  • Introducing a way of generating figures:
    • Lab tests (today a trial round)
    • Lab log – make your own log per person; a short piece of what you are proud of or what you have learned new including photos on average half an A4 a week. The most valuable thing is that you describe what went wrong and how things should be improved. Write this as a transfer document for the work environment.
  • LAB
    – RGB Light Organ – https://junioriot.org/rgb-lightorgan/
    – Own circuit on a circuit board – https://junioriot.nl/circuit-op-printplaat/
    – Trial LAB test: Present or tell about your lab experience and your result.
    Each participant builds an item that can be taken home.

Week 3. How it works programming the Arduino Nano.

  • Theory
  • explanation of what is a microprocessor
  • Difference between the different types of processors and single-board applications; Arduino, ESP, Raspberry Pi, Microbit, FPGA, GPU, intel chips, … Which ones do you know more
  • comparison of applications; mobile phone, laptop, PLC, mainframe, …?
  • showing different examples, Arduino, Raspberry Pi, microbot, PC/laptop, PLC, CNC and Robotics controllers,

 

  • Theory – NetAcad: a repeat of the controllers slide
  • LAB
    – is the Arduino IDE installed, and do you have the drivers yet?
    – Blink Extreme – https://junioriot.org/arduino-nano/
    – Possibly also: Blink no Delay – https://junioriot.org/blink-no-delay/
    Each participant builds an item that can be taken home. Take it with you next time.
  • LAB test: Present or tell about your lab experience and your result, as a short elevator pitch to a client.

Week 4. Intermediate week

  • Theory, recognize what you saw. With the Arduino IDE and google search on the screen?
    • Software structures: If then else (there are no more goto’s), for- loop, while, functions with or without parameters…
    • Instruction: for your information, at the end of Block 2 (IOT) you’ll execute your own project in teams. Last week and what we are going to do is all part of the preparation for this. Now go ahead and brainstorm how you can make a realistic application with this experience. You can make a cup in the Lab blog: “Idea for my project”.
    • Working on your Lab blog
  • Theory, NetAcad: H3, software
  • LAB – with your own Arduino from last week:
    – Blink Extreme, now you do it yourself – https://junioriot.org/arduino-nano/
    – Blink no Delay – https://junioriot.org/blink-no-delay/
    With a loan of Arduino and a breadboard:
    – Arduino a NeoPixel https://junioriot.org/arduino-neopixel/
    Present or tell about your lab experience and your result, as a short elevator pitch to another.

Week 5. Sensor/actuators on Arduino

  • LAB – Sensor trolley on USB power – motor control via BLINK.
    Per team of 3 an item, Arduino on a breadboard
    – Arduino distance sensor https://junioriot.org/arduino-afstandsensor/
    – motor controller via Blink https://junioriot.org/arduino-blink-motorcontroller/
    – Arduino stop motor –  https://junioriot.nl/werkblad-arduino-stopmotor/
    One item per team of 3 participants
  • Theory NetAcad Sensors and Actuators
  • Theorie:
    • digital output versus analog outputs
      • Blink is digital on/off
      • What else can I do? A PWM output, what’s that?
    • Battery 9 volts, how do we make something out of this for the Arduino?
      • on-board converter, 500 mA
      • converter boards 0,5 ampere, converter on motor controller
      • motor controller
    • Battery 9 volts, how to make the voltage for the motor for fast/slow control –> pwm

Week 6. Sensor driven PWM control

  • LAB 2 – Sensor and motors, the Sensor trolley on battery – convert to 9 volt battery.
    – PWM on the motor controller https://junioriot.nl/arduino-pwm-motorcontroller/
    – Arduino volgmotor https://junioriot.nl/werkblad-arduino-volgmotor/
    This is a software modification from the previous lab.
  • Theorie NetAcad Software is everything.
    – Libraries, programming structures, software layers (database, business logic and application logic; MVC model view controller).
    – #defines –> compiler command versus programming code

Week 7. Battle Lab (teams) + LAB Log review / presentation / elevator pitches.

Week 8.  LAB project – your robot car + part 2 of LAB Log review / presentation / elevator pitches.

Week 9. Reserve LAB project; start of IOT

De laatste lessen leggen we de brug naar IOT onderwerpen.

  • Lesson material – preparation for IOT series.
    what places in your world do you recognize sensors,
    …dates?
    … communication?
    … actuators or display in displays?
    How do you choose (the quality of) the components you are going to build with?
    Showing different sensors