Klassenarbeit NWT 10 – Mikrocontroller: Was du wissen musst

Diese Übersicht fasst alle Themen zusammen, die in der Klassenarbeit vorkommen können. Grundlage sind der Unterricht, die praktischen Arbeiten am Breadboard und die beiden Anleitungen:

Teil 1: XIAO ESP32S3 mit MicroPython und Thonny (Flashen, LED)
Teil 2: Erweiterung: Taster als Ein/Aus-Schalter

Am Ende jedes Abschnitts steht eine Checkliste. Hake ab, was du sicher kannst – der Rest ist dein Lernplan.

1. Grundlagen von Mikrocontrollern

Was ist ein Mikrocontroller?

Ein Mikrocontroller ist ein kleiner Computer auf einem einzigen Chip: Prozessor, Speicher und Ein-/Ausgänge (Pins) sind zusammen verbaut. Er steuert Geräte wie Waschmaschinen, Fernbedienungen oder Roboter.

Das EVA-Prinzip

Jedes Mikrocontroller-Programm folgt dem Muster Eingabe → Verarbeitung → Ausgabe.

Begriff	Bedeutung	Beispiele
Sensor	nimmt etwas aus der Umwelt auf und wandelt es in ein elektrisches Signal	Taster, Lichtsensor, Temperatursensor, Mikrofon, Beschleunigungssensor
Aktor	setzt ein elektrisches Signal in eine Wirkung um	LED, Lautsprecher/Summer, Motor, Display

Merke: Sensor = Eingabe (Information hinein), Aktor = Ausgabe (Wirkung heraus).

Unsere Boards

	micro:bit	Seeed XIAO ESP32S3
Programmierung	MakeCode (Blöcke)	MicroPython (Text) in Thonny
Eingebaut	LED-Matrix (Smileys), Taster A/B, Lautsprecher	kleine gelbe LED (GPIO21), BOOT- und RST-Taster
Spannung	3,3 V	3,3 V

Checkliste

Ich kann das EVA-Prinzip an einem Beispiel erklären.
Ich kann Sensoren und Aktoren unterscheiden und je drei Beispiele nennen.
Ich kann erklären, was ein Mikrocontroller ist.

2. Einstieg: micro:bit und MakeCode

Mit dem micro:bit haben wir in MakeCode mit Blöcken programmiert:

Symbole und Smileys auf der LED-Matrix anzeigen
auf die Taster A und B reagieren
Töne und Melodien abspielen

Wichtige Blöcke und ihre Bedeutung:

MakeCode-Block	Bedeutung	Entspricht in MicroPython ungefähr
beim Start	läuft einmal beim Einschalten	Code vor der Schleife
dauerhaft	läuft immer wieder	`while True:`
wenn Knopf A gedrückt	Ereignis: wird ausgelöst, wenn etwas passiert	Taster abfragen mit `if`

Checkliste

Ich kann erklären, was ein Ereignis (Event) ist.
Ich kann den Unterschied zwischen beim Start und dauerhaft erklären.

3. Grundlagen der Programmierung

Variablen und Datentypen

Eine Variable ist ein Name für einen gespeicherten Wert.

Datentyp	Bedeutung	Beispiel
`int`	ganze Zahl	`anzahl = 6`
`float`	Kommazahl (mit Punkt!)	`wartezeit = 0.5`
`str` (String)	Text in Anführungszeichen	`name = "LED"`
`bool`	Wahrheitswert: nur `True` oder `False`	`gedrueckt = True`

Achtung: = weist einen Wert zu. == vergleicht zwei Werte.

Kontrollstrukturen

1. Sequenz – Befehle werden der Reihe nach von oben nach unten ausgeführt.

pythonled.on()
time.sleep(0.5)
led.off()

2. Schleife mit range – wiederholt einen Block eine bestimmte Anzahl von Malen.

pythonfor nummer in range(1, 7):   # nummer = 1, 2, 3, 4, 5, 6
    print("Blink", nummer)

range(1, 7) zählt von 1 bis 6 – die obere Grenze ist nicht mehr dabei. range(5) zählt 0, 1, 2, 3, 4.

3. Endlosschleife – while True: läuft immer weiter (typisch für Mikrocontroller). Abbruch in Thonny mit dem roten Stop-Knopf.

4. Verzweigung mit if – der Code wird nur ausgeführt, wenn eine Bedingung erfüllt ist.

pythonif taster.value() == 1:
    led.on()
else:
    led.off()

Einrückung ist Pflicht! In Python zeigt die Einrückung (4 Leerzeichen), welche Befehle zu einer Schleife oder zu einem if gehören.

Wichtige MicroPython-Befehle

pythonfrom machine import Pin        # Pins steuern
import time                    # Wartezeiten

led = Pin(2, Pin.OUT)          # Pin GPIO2 als Ausgang
taster = Pin(4, Pin.IN)        # Pin GPIO4 als Eingang

led.on()       # LED an  (gleich: led.value(1))
led.off()      # LED aus (gleich: led.value(0))
led.toggle()   # umschalten an ↔ aus
taster.value() # liest 0 oder 1

time.sleep(0.5)     # 0,5 Sekunden warten
time.sleep_ms(200)  # 200 Millisekunden warten
print("Text")       # Ausgabe in der Thonny-Shell

Checkliste

Ich kenne die vier Datentypen int, float, str, bool und kann Beispiele nennen.
Ich kann sagen, wie oft eine for-Schleife mit range(...) durchläuft.
Ich kann ein kurzes Programm lesen und sagen, was es tut (z. B. wie oft eine LED blinkt).
Ich kann ein kurzes Programm mit Schleife und if selbst schreiben.
Ich kann Fehler in einem Programm finden (Einrückung, = statt ==, Doppelpunkt vergessen).

4. Arbeit mit dem XIAO ESP32S3 und Thonny

Wichtige Grundregeln

Der XIAO arbeitet mit 3,3 V. Niemals 5 V an einen GPIO-Pin anschließen!
Ein Datenkabel ist nötig – ein reines Ladekabel funktioniert nicht.
Flashen = MicroPython-Firmware auf den Mikrocontroller schreiben. Dazu muss der XIAO im Flash-Modus sein (BOOT-Taste beim Einstecken gedrückt halten).

Pins: Aufdruck und GPIO-Nummer

Auf dem Board steht z. B. D1, im Code braucht man aber die GPIO-Nummer.

Aufdruck	GPIO	im Code	Verwendung bei uns
`D1`	GPIO2	`Pin(2, ...)`	rote LED
`D3`	GPIO4	`Pin(4, ...)`	Taster
–	GPIO21	`Pin(21, ...)`	gelbe LED auf dem Board

Programm ausführen oder speichern?

	Was passiert?
Ausführen (grüner Knopf)	Code wird nur zum Testen übertragen, nach Reset weg
Speichern als `main.py` auf dem MicroPython device	Programm startet automatisch nach jedem Einschalten – auch ohne PC

Checkliste

Ich weiß, warum man nie 5 V an einen GPIO-Pin anschließen darf.
Ich kann erklären, was Flashen bedeutet.
Ich kann aus Aufdruck und Pin-Tabelle die richtige GPIO-Nummer für den Code ablesen.
Ich weiß, wie ein Programm automatisch beim Einschalten startet (main.py).

5. Elektrische Grundlagen und Breadboard

Größen und Einheiten

Größe	Formelzeichen	Einheit
Spannung	U	Volt (V)
Stromstärke	I	Ampere (A); 1 mA = 0,001 A
Widerstand	R	Ohm (Ω); 1 kΩ = 1000 Ω

Ohmsches Gesetz: U = R · I bzw. R = U / I bzw. I = U / R

Breadboard

Die Löcher einer Spalte (a–e bzw. f–j) sind innen miteinander verbunden.
Die Mittelrinne trennt die obere und untere Hälfte.
Die langen Schienen am Rand (+ und −) sind über die ganze Zeile verbunden – praktisch für GND.

LED richtig anschließen

Anode (+): längeres Bein → Richtung GPIO-Pin
Kathode (−): kürzeres Bein, abgeflachte Gehäuseseite → Richtung GND
Eine LED leitet nur in eine Richtung. Falsch herum leuchtet sie nicht.
Nie ohne Vorwiderstand an einen Pin anschließen!

Farbcode-Beispiele

Widerstand	Farbringe
1 kΩ	braun – schwarz – rot – gold
10 kΩ	braun – schwarz – orange – gold

Checkliste

Ich kann das Ohmsche Gesetz anwenden und Einheiten umrechnen (mA ↔ A, kΩ ↔ Ω).
Ich weiß, welche Löcher auf dem Breadboard verbunden sind.
Ich kann eine LED richtig gepolt einbauen und Anode/Kathode erkennen.

6. Vorwiderstand einer LED berechnen

Der Vorwiderstand begrenzt den Strom durch die LED. LED und Widerstand liegen in Reihe: Durch beide fließt derselbe Strom, die Spannungen teilen sich auf.

Unser Beispiel aus dem Unterricht:

Spannung am Pin: U = 3,3 V
Schwellenspannung der roten LED: U_LED = 1,5 V
maximale Stromstärke: I = 2 mA = 0,002 A

Schritt 1 – Spannung am Widerstand: U_R = U − U_LED = 3,3 V − 1,5 V = 1,8 V

Schritt 2 – Widerstand berechnen: R = U_R / I = 1,8 V / 0,002 A = 900 Ω

Schritt 3 – Normwert wählen: 900 Ω gibt es nicht zu kaufen. Man nimmt den nächstgrößeren Normwert, also 1 kΩ. Dann ist der Strom etwas kleiner als das Maximum: I = 1,8 V / 1000 Ω = 1,8 mA. ✔

Merke: Immer den nächstgrößeren Widerstand nehmen. Ein kleinerer Widerstand würde den Strom über das erlaubte Maximum steigen lassen.

Hinweis: In der Klassenarbeit können andere Zahlen vorkommen (andere LED-Farbe, anderer Strom). Der Rechenweg bleibt gleich!

Checkliste

Ich kann erklären, warum eine LED einen Vorwiderstand braucht.
Ich kann den Vorwiderstand in drei Schritten berechnen (mit Einheiten!).
Ich kann begründen, warum man den nächstgrößeren Normwert wählt.

7. Spannungsteiler

Zwei Widerstände in Reihe teilen sich die Gesamtspannung auf.

text3,3 V ──[ R1 ]──┬──[ R2 ]── GND
                │
          Spannung U2 an R2

Die Regeln

Durch beide Widerstände fließt derselbe Strom I = U_ges / (R1 + R2).
Die Teilspannungen addieren sich: U_ges = U1 + U2
Am größeren Widerstand fällt die größere Spannung ab. Genauer: Die Spannungen verhalten sich wie die Widerstände: U1 / U2 = R1 / R2

Rechenbeispiel

U_ges = 3,3 V, R1 = 1 kΩ, R2 = 2 kΩ

I = 3,3 V / 3000 Ω = 0,0011 A = 1,1 mA
U1 = R1 · I = 1000 Ω · 0,0011 A = 1,1 V
U2 = R2 · I = 2000 Ω · 0,0011 A = 2,2 V
Probe: 1,1 V + 2,2 V = 3,3 V ✔ – an R2 (doppelt so groß) fällt die doppelte Spannung ab.

Der Schalter als Widerstand

Schalter	Widerstand	Spannung am Schalter
offen	unendlich groß	die gesamte Spannung fällt am Schalter ab
geschlossen	null (Kurzschluss)	0 V am Schalter

Anwendung: Taster mit Pull-down-Widerstand (Teil 2)

Der Taster am XIAO ist genau so ein Spannungsteiler aus Taster und 10-kΩ-Widerstand:

text3V3 ── Taster ──┬── D3 / GPIO4
                └── 10 kΩ ── GND

Taster	„Widerstand“ des Tasters	Spannung am Pin	`taster.value()`
losgelassen (offen)	unendlich groß → ganze Spannung am Taster	≈ 0 V	`0`
gedrückt (geschlossen)	0 Ω → ganze Spannung am 10-kΩ-Widerstand	≈ 3,3 V	`1`

Ohne den Widerstand „schwebt“ der Eingang (engl. floating) und liefert zufällige Werte.
Beim internen Pull-up ist es umgekehrt: Taster nach GND, gedrückt = 0 (active-low).
Prellen: Ein mechanischer Taster schaltet beim Drücken mehrmals kurz hin und her. Lösung per Software: nach dem Erkennen kurz warten (z. B. 50 ms) = Entprellen.

Checkliste

Ich kann die Teilspannungen eines Spannungsteilers berechnen.
Ich kann ohne Rechnung sagen, an welchem Widerstand mehr Spannung abfällt.
Ich kann erklären, welche Spannung an einem offenen bzw. geschlossenen Schalter abfällt.
Ich kann erklären, wozu der Pull-down-Widerstand beim Taster dient.
Ich kann erklären, was Prellen ist und wie man es behebt.

8. PWM – Helligkeit steuern ⭐ WICHTIG

Ein GPIO-Pin kennt nur an (3,3 V) oder aus (0 V). Trotzdem kann man eine LED dimmen: mit PWM (Pulsweitenmodulation).

Das Prinzip

Der Pin wird sehr schnell an- und ausgeschaltet. Das Auge ist zu träge, um das Flackern zu sehen – es sieht nur die durchschnittliche Helligkeit.

textDuty-Cycle 25 %         Duty-Cycle 50 %         Duty-Cycle 75 %
 ┌┐  ┌┐  ┌┐              ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐             ┌──┐┌──┐┌──┐
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─┘└──┘└──┘└──           ─┘ └─┘ └─┘ └─          ─┘  └┘  └┘  └─
  dunkel                  mittel                  hell

Begriffe

Begriff	Bedeutung
Periodendauer T	Zeit für einmal „an + aus“
Frequenz f	Anzahl der Perioden pro Sekunde: f = 1 / T (Einheit Hz)
Pulsdauer t_an	Zeit, in der das Signal „an“ ist
Duty-Cycle (Tastgrad)	Anteil der An-Zeit an der Periode: Duty-Cycle = t_an / T · 100 %

0 % = immer aus, 100 % = immer an, 50 % = halb so lange an wie die ganze Periode
Mittlere Spannung ≈ Duty-Cycle · 3,3 V (bei 50 % also etwa 1,65 V)

PWM in MicroPython (Beispiel)

pythonfrom machine import Pin, PWM

led = PWM(Pin(2), freq=1000)    # PWM an GPIO2 mit 1000 Hz
led.duty_u16(32768)             # ca. 50 % (Höchstwert 65535 = 100 %)

Messung mit dem Oszilloskop

Das Oszilloskop zeigt den Spannungsverlauf über der Zeit.

waagerecht (x-Achse): Zeit – Einstellung Zeit pro Kästchen (z. B. 0,5 ms/DIV)
senkrecht (y-Achse): Spannung – Einstellung Volt pro Kästchen (z. B. 1 V/DIV)

So liest du ein PWM-Signal ab:

Höhe des Signals in Kästchen zählen × V/DIV → Spannung (bei uns ≈ 3,3 V)
Länge einer ganzen Periode in Kästchen zählen × Zeit/DIV → Periodendauer T
Länge des „An“-Teils in Kästchen zählen × Zeit/DIV → t_an
Duty-Cycle = t_an / T · 100 %
Frequenz f = 1 / T

Rechenbeispiel: Zeit/DIV = 0,2 ms. Eine Periode ist 5 Kästchen lang, das Signal ist davon 2 Kästchen „an“.

T = 5 · 0,2 ms = 1 ms = 0,001 s → f = 1 / 0,001 s = 1000 Hz
t_an = 2 · 0,2 ms = 0,4 ms → Duty-Cycle = 0,4 ms / 1 ms · 100 % = 40 %

Checkliste

Ich kann erklären, warum eine LED mit PWM gedimmt erscheint.
Ich kann die Begriffe Periodendauer, Frequenz und Duty-Cycle erklären.
Ich kann zu einem Duty-Cycle (z. B. 25 %) das passende Signal skizzieren.
Ich kann an einem Oszilloskop-Bild T, f und den Duty-Cycle in Prozent ablesen und berechnen.
Ich weiß, was die Einstellungen V/DIV und Zeit/DIV bedeuten.

9. Umgang mit KI-Systemen

Datenschutz und Privatheit

Keine persönlichen Daten in KI-Chats eingeben: kein voller Name, keine Adresse, Telefonnummer, Passwörter, Fotos von dir oder anderen, keine Gesundheitsdaten.
KI-Anbieter sammeln Daten: Eingaben können gespeichert, ausgewertet und zum Training weiterer Modelle verwendet werden.
Digitaler Fußabdruck: Alles, was du im Netz eingibst, hinterlässt Spuren, die sich oft nicht mehr löschen lassen und zu einem Profil von dir zusammengesetzt werden können.

Sinnvoll mit KI lernen

KI als Erklärhilfe nutzen („Erkläre mir…“, „Gib mir ein Beispiel…“) – nicht nur fertige Lösungen abschreiben.
Lösungen selbst nachvollziehen und ausprobieren (z. B. Code auf dem XIAO testen).
KI kann sich irren: Antworten immer kritisch prüfen und mit Unterricht oder Quellen vergleichen.
Selbst denken bleibt wichtig: In der Klassenarbeit hilft dir keine KI.

Checkliste

Ich kann Beispiele für Daten nennen, die nicht in eine KI eingegeben werden sollten.
Ich kann erklären, was der digitale Fußabdruck ist.
Ich kann beschreiben, wie man KI sinnvoll zum Lernen nutzt – und wie nicht.

10. Praxis: Das solltest du auch können

Ein Teil des Unterrichts war praktische Arbeit. In der Klassenarbeit können Aufgaben dazu kommen, z. B.:

einen Schaltplan zeichnen (LED mit Vorwiderstand, Taster mit Pull-down)
einen Steckplan lesen und Fehler darin finden
Fehlersuche: Die LED leuchtet nicht – woran kann es liegen? (Polung, falscher Pin im Code, Widerstand nicht in Reihe, GND fehlt)

Viel Erfolg! 🍀

Lerntipp: Gehe alle Checklisten durch. Für jeden Punkt, den du nicht abhaken kannst: Unterlagen und Anleitungen nachlesen, Rechenbeispiele selbst noch einmal ohne Vorlage rechnen und Programme Zeile für Zeile erklären.