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Digitale Elektronik und Mikrocontroller – Zeitabläufe ohne blockierende Wartezeiten gestalten

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Digitale Elektronik und Mikrocontroller – Zeitabläufe ohne blockierende Wartezeiten gestalten

Einleitung

Kurzbeschreibung: Zustände und zeitgesteuerte Aufgaben mit Mikrocontrollern programmieren – ohne blockierende Wartezeiten.

Zielgruppe: Ausbildung in Elektronik, Mechatronik, Automatisierungstechnik und verwandten Berufen.

Lernzeit: Fünf Lerneinheiten mit jeweils etwa 8 bis 12 Minuten, anschließend Übungen und Lernnachweis.

Ausbildungsfall: Du programmierst die Statusanzeige einer virtuellen Montage-Prüfstation. Eine LED blinkt im Bereitschaftszustand. Ein Tastendruck startet eine zweisekündige Testanzeige. Währenddessen soll der Mikrocontroller nicht durch Wartebefehle blockiert werden.

Lernziele: Du kannst digitale Signale lesen, ein einfaches Stromlaufbild interpretieren, Zeitintervalle mit millis() auswerten, Zustände modellieren und das Verhalten in einer Simulation überprüfen.

Sicherheitsregel: Alle Schaltungs- und Programmierübungen finden in einer berührungssicheren Simulation statt. Alternativ dürfen nur geeignete, für die Ausbildung freigegebene berührungssichere Schulungsmodelle unter den festgelegten Sicherheitsbedingungen verwendet werden. Reale Elektroarbeiten dürfen ausschließlich entsprechend qualifizierte und beauftragte Personen im zulässigen Verantwortungsrahmen durchführen. Bei Arbeiten an elektrischen Anlagen gelten die einschlägigen Sicherheitsvorschriften, insbesondere die DGUV Vorschrift 3. Ein Quiz, eine Simulation oder ein Lernnachweis ist niemals eine Freigabe für reale Elektroarbeiten.

Lerneinheit 1: Den Ausbildungsauftrag verstehen

Dauer: circa 8 Minuten

Ein Mikrocontroller verarbeitet Eingaben und steuert Ausgänge. Bei unserer simulierten Prüfstation gibt es zwei Zustände:

Zustand	LED-Anzeige	Übergang
BEREIT	Wechsel zwischen AUS und EIN alle 500 ms	Tastendruck startet TEST
TEST	Dauerhaft EIN	Nach 2000 ms zurück zu BEREIT

Ein neuer Tastendruck wird als Wechsel von nicht gedrückt zu gedrückt erkannt. Beim Rückwechsel zu BEREIT beginnt der Blinkzeitgeber neu.

Arduino-Uno-Aufbau mit LED als Anschauungsbild. Quelle: Wikimedia Commons, Edwiyanto, CC BY-SA 4.0.

Beobachtungsauftrag: Überlege, welche Eingabe und welcher Ausgang für die Prüfstation benötigt werden.

Lerneinheit 2: Stromlaufbilder und sichere Simulation

Dauer: circa 8 Minuten

Ein Stromlaufplan beschreibt elektrische Verbindungen. Ein Aufbauplan zeigt dagegen die räumliche Anordnung.

Beispiel für ein Stromlaufbild mit Arduino und Taster. Die konkrete Pinbelegung unseres Ausbildungsfalls ist im folgenden Prinzipschaltbild festgelegt.

Aufbauansicht einer Arduino-Taster-Schaltung. Beide Bilder: Edwiyanto, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Prinzipschaltbild des simulierten Ausbildungsfalls:

         Virtueller Arduino Uno

 D2 o------[ Taster ]------o GND
       interner Pull-up aktiv

 D13 / LED_BUILTIN
       bereits integrierte
       Board-LED als Ausgang

Die Board-LED wird im Simulator über LED_BUILTIN angesteuert. Am Taster nutzt der Eingang D2 die Einstellung INPUT_PULLUP:

Taster	Digitaler Eingang
Nicht gedrückt	HIGH
Gedrückt	LOW

Deine sichere Arbeitsumgebung:

Wokwi – Arduino Blink without Delay

Öffne diese vorhandene Simulation als Ausgangspunkt. Ergänze ausschließlich im Simulator einen virtuellen Taster zwischen D2 und GND. Verbinde dabei unterschiedliche Kontaktseiten des Tasters entsprechend der Wokwi-Tasterdokumentation.

Merke: Die Commons-Abbildungen sind Anschauungsmaterial und keine verbindliche Verdrahtungsanweisung für reale Geräte.

Lerneinheit 3: Zeitabläufe ohne delay()

Dauer: circa 10 Minuten

Der Befehl delay() hält die normale Programmausführung für eine bestimmte Zeit an. Dadurch können kurze Eingabeereignisse übersehen werden.

millis() liefert dagegen die seit Programmstart vergangene Zeit in Millisekunden. Das Programm kann wiederholt nachsehen, ob ein Intervall abgelaufen ist, und dazwischen andere Aufgaben bearbeiten.

Digitales Signal mit steigenden und fallenden Flanken. Aeroid und Grabert, Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Rechtecksignal als allgemeines Beispiel für periodische Schaltvorgänge. Omegatron, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.

Das entscheidende Prinzip:

unsigned long jetzt = millis();

if (jetzt - startzeit >= intervall) {
  // Zeitabhängige Aktion ausführen
}

Verwende für Zeitwerte den Datentyp unsigned long. Auf dem Arduino Uno erfolgt nach ungefähr 49,7 Tagen ein Überlauf von millis(). Für kurze Intervalle bleibt die Differenzbildung mit vorzeichenloser Arithmetik korrekt, auch über diesen Überlauf hinweg.

Signaldiagramm unseres Ausbildungsfalls:

Zeitraum in ms	0–499	500–749	750–2749	2750–3249	Ab 3250
Zustand	BEREIT	BEREIT	TEST	BEREIT	BEREIT
LED	LOW	HIGH	HIGH	LOW	HIGH
Ereignis	Start	Blinkwechsel	Tastendruck bei 750 ms	Testzeit abgelaufen	Nächster Blinkwechsel

Idealisiertes Signaldiagramm mit einem einzelnen Tastendruck bei 750 ms. Die Schaltzeitpunkte können in der Simulation geringfügig später liegen.

Videolernen: Zeitgesteuerte Arduino-Programme.

Der einfache Einstieg in Arduino & Co.: Das richtige Timing – Der Hobbyelektroniker.

Lerneinheit 4: Mit Zuständen programmieren

Dauer: circa 12 Minuten

Ein Zustandsautomat trennt das Verhalten einer Steuerung in klar beschriebene Zustände und Übergänge.

Beispiel einer Zustandsmaschine. Macguy314, Perhelion und Babakus, Wikimedia Commons, gemeinfrei.

Unser Zustandsdiagramm:

      Tastendruck
[BEREIT] ----------> [TEST]
    ^                   |
    |                   |
    +-------------------+
       2000 ms vorbei

Kopiere das folgende Programm in die Datei sketch.ino der Wokwi-Simulation. Die Board-LED und der virtuelle Taster bilden die vollständige simulierte Prüfstation.

const byte tasterPin = 2;

const unsigned long blinkIntervall = 500UL;
const unsigned long testDauer = 2000UL;

enum Zustand { BEREIT, TEST };
Zustand zustand = BEREIT;

unsigned long letzteBlinkzeit = 0;
unsigned long testStart = 0;

bool ledAn = false;
bool tasteVorher = HIGH;

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  pinMode(tasterPin, INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
}

void loop() {
  unsigned long jetzt = millis();

  bool tasteJetzt = digitalRead(tasterPin);
  bool druckFlanke =
      (tasteVorher == HIGH && tasteJetzt == LOW);
  tasteVorher = tasteJetzt;

  if (zustand == BEREIT) {

    if (druckFlanke) {
      zustand = TEST;
      testStart = jetzt;
      ledAn = true;
      digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
    }
    else if (jetzt - letzteBlinkzeit
             >= blinkIntervall) {
      letzteBlinkzeit = jetzt;
      ledAn = !ledAn;
      digitalWrite(LED_BUILTIN,
                   ledAn ? HIGH : LOW);
    }

  }
  else if (zustand == TEST) {

    if (jetzt - testStart >= testDauer) {
      zustand = BEREIT;
      letzteBlinkzeit = jetzt;
      ledAn = false;
      digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
    }

  }
}

Probiere aus: Starte die Simulation, beobachte die Board-LED, drücke den virtuellen Taster kurz und prüfe die zweisekündige Testanzeige.

Der Code erkennt eine Tastendruckflanke, enthält aber noch keine vollständige zeitbasierte Entprellung. Dies wird in den Transferaufgaben untersucht.

Videovertiefung: Zustandsmaschinen und unabhängige Zeitabläufe.

Clipboard Electronics: Arduino State Machines & BlinkWithoutDelay – jasmine2501. Englischsprachige Vertiefung.

Lerneinheit 5: Signaldiagramme messen und Fehler finden

Dauer: circa 10 Minuten

Eine Simulation lässt Dich Programmabläufe gefahrlos beobachten. Mit einem virtuellen Logikanalysator kannst Du digitale Zustände auch zeitlich aufzeichnen.

Wokwi – Anleitung für den virtuellen Logikanalysator

Verbinde in der Simulation den Eingang D0 des Logikanalysators mit D13 und seinen GND-Anschluss mit GND. Nach dem Simulationslauf kannst Du die aufgezeichneten Signale als VCD-Datei betrachten, beispielsweise mit PulseView.

Prüfprotokoll:

Beobachtung	Erwartung	Dein Ergebnis
BEREIT	LED wechselt ungefähr alle 500 ms	...
Tastendruck	TEST beginnt zeitnah	...
TEST	LED bleibt ungefähr 2000 ms EIN	...
Rückkehr	BEREIT beginnt mit LED AUS	...
Erneuter Tastendruck	Neue Testanzeige wird ausgelöst	...

Videovertiefung: millis() statt delay().

Arduino Sketch with millis() instead of delay() – Programming Electronics Academy; als Lernvideo auch von der Hochschule Luzern verlinkt.

Gestufte Hilfen

Verwende nur so viel Hilfe, wie Du benötigst.

Stufe	Hilfe zum Ausbildungsfall
Hilfe A – Denkimpuls	Wann muss das Programm den Taster erneut lesen können? Welche Information braucht es, um eine Zeitspanne zu erkennen?
Hilfe B – Struktur	Trenne Eingabeabfrage, Zustandsentscheidung und Zeitauswertung. Speichere beim Übergang nach TEST die aktuelle Zeit.
Hilfe C – Teillösung	Für das Ende von TEST prüfst Du jetzt - testStart >= testDauer. Setze danach den Zustand auf BEREIT und starte den Blinkzeitgeber neu.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Warum eignet sich millis() für nicht blockierende Zeitsteuerungen? (Weil das Programm zwischen Zeitprüfungen weitere Aufgaben bearbeiten kann) (!Weil dadurch alle Befehle gleichzeitig ausgeführt werden) (!Weil der Mikrocontroller keinen Takt mehr benötigt) (!Weil Zeitintervalle automatisch genau null Millisekunden dauern)

Welchen Eingangswert liefert ein gedrückter Taster bei INPUT_PULLUP? (LOW) (!HIGH) (!OUTPUT) (!PWM)

Was ist ein Zustand in einer Zustandsmaschine? (Eine eindeutig beschriebene Betriebsphase) (!Eine elektrische Spannungseinheit) (!Ein fester Widerstandswert) (!Ein zusätzlicher Prozessorkern)

Welche Aufgabe erfüllt der Befehl delay() in einem einfachen Arduino-Programm? (Er unterbricht den normalen Programmablauf für die angegebene Zeit) (!Er liest dauerhaft alle Eingänge ohne Unterbrechung) (!Er erzeugt automatisch einen Zustandsautomaten) (!Er entprellt jeden angeschlossenen Taster)

Welche Datenart ist für millis-Zeitwerte auf dem Arduino Uno geeignet? (unsigned long) (!char) (!bool) (!float als notwendiger Standard)

Welche Bedingung prüft ein abgelaufenes Zeitintervall richtig? (jetzt minus startzeit ist mindestens so groß wie das Intervall) (!jetzt muss stets kleiner als startzeit sein) (!startzeit muss in jedem Schleifendurchlauf gelöscht werden) (!die LED muss dauerhaft ausgeschaltet sein)

Was bedeutet im Ausbildungsfall der Zustand TEST? (Die LED leuchtet während der Testdauer dauerhaft) (!Die Simulation muss beendet werden) (!Der Taster wird elektrisch vom Stromnetz versorgt) (!Die LED bleibt für immer ausgeschaltet)

Was löst im Programm einen neuen TEST aus? (Eine Tastendruckflanke von HIGH nach LOW im Zustand BEREIT) (!Jeder einzelne Schleifendurchlauf) (!Der automatische Neustart des Mikrocontrollers) (!Ein Wechsel von OUTPUT zu INPUT)

Wozu dient die Entprellung eines mechanischen Tasters? (Sie verhindert unerwünschte Mehrfacherkennungen durch Kontaktprellen) (!Sie erhöht die Versorgungsspannung) (!Sie ersetzt alle Zeitvariablen) (!Sie schaltet den Mikrocontroller dauerhaft ab)

Welche Aussage zur Sicherheit ist richtig? (Ein erfolgreiches Quiz berechtigt nicht zu realen Elektroarbeiten) (!Eine Simulation ersetzt die vorgeschriebene Fachqualifikation) (!Eine bestandene Lernkontrolle gibt Netzspannungsarbeiten frei) (!Ein digitaler Ausgang ist automatisch eine geprüfte Schutzeinrichtung)

Memory

millis()	Vergangene Millisekunden
delay()	Blockierende Programmpause
unsigned long	Vorzeichenloser Zeitdatentyp
INPUT_PULLUP	Interner Hochziehwiderstand
Flanke	Wechsel eines Signalpegels
Zustandsautomat	Zustandsabhängige Ablaufsteuerung
Entprellung	Filterung mechanischer Kontaktwechsel

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Beschreibung
BEREIT	Die Statusanzeige blinkt zyklisch
TEST	Die Statusanzeige leuchtet für eine begrenzte Prüfphase
Tasterflanke	Ein neuer Tastendruck wird erkannt
Zeitdifferenz	Eine vergangene Dauer wird berechnet
Entprellung	Kontaktprellen wird bei der Eingabeauswertung berücksichtigt

Kreuzworträtsel

Millis	Welche Arduino-Funktion liefert die vergangene Zeit seit Programmstart?
Zustand	Wie nennt man eine eindeutig beschriebene Betriebsphase?
Taster	Welches Eingabeelement startet unsere virtuelle Testanzeige?
Flanke	Wie heißt der Wechsel zwischen zwei digitalen Signalpegeln?
Simulation	Wie heißt die virtuelle Nachbildung unserer Schaltung?
Entprellung	Welches Verfahren unterdrückt unerwünschte Mehrfacherkennungen mechanischer Kontakte?

LearningApps

Die LearningApps-Seite ist eine thematische Suche und keine geprüfte Freigabe einzelner externer Lernaktivitäten.

Lückentext

Ein Arduino führt seine wiederholten Steuerungsaufgaben in der Funktion

aus.

Eine blockierende Wartezeit wird häufig mit dem Befehl

erzeugt.

Die seit dem Programmstart vergangene Zeit liefert die Funktion

.

Für gespeicherte Zeitwerte eignet sich der Datentyp

.

Eine logische Eingabe besitzt beispielsweise den Pegel

.

Bei aktiviertem INPUT_PULLUP liefert ein gedrückter Taster den Wert

.

Ein Wechsel des digitalen Signalpegels heißt

.

Die Betriebsphase mit blinkender LED heißt

.

Während der zeitbegrenzten Testanzeige befindet sich das Programm im Zustand

.

Gegen unerwünschte Mehrfacherkennungen hilft eine geeignete

.

Zur grafischen Untersuchung digitaler Zeitabläufe eignet sich ein

.

Das gefahrlose Ausprobieren virtueller Schaltungen erfolgt in einer

.

Offene Aufgaben

Bearbeite die Aufgaben ausschließlich in einer geeigneten Simulation. Die Schwierigkeitsgrade entsprechen Basis, Anwendung und Transfer.

Leicht

Basis – Digitale Pegel: Erstelle eine Skizze, in der Du HIGH, LOW sowie eine steigende und eine fallende Flanke beschriftest.
Basis – Schaltung lesen: Markiere im virtuellen Stromlaufbild den Eingang D2, den Taster, GND und die integrierte LED.
Basis – Zeitablauf: Zeichne ein LED-Signal für drei Blinkwechsel mit einem Abstand von jeweils 500 ms.
Basis – Zustände erkennen: Beschreibe die Zustände BEREIT und TEST mit jeweils einer Bedingung für den Übergang.

Standard

Anwendung – Programm ausführen: Übertrage den Beispielcode in Wokwi und dokumentiere den beobachteten Programmablauf mit einem Screenshot.
Anwendung – Zeitparameter ändern: Verändere das Blinkintervall auf 300 ms und die Testdauer auf 1500 ms. Erkläre den Unterschied zwischen beiden Zeiten.
Anwendung – Tastendruck untersuchen: Prüfe kurze und lange Tastendrücke. Beschreibe, warum ein gedrückt gehaltener Taster nicht ständig neue Testphasen auslösen soll.
Anwendung – Signale messen: Zeichne in Wokwi den LED-Ausgang auf und vergleiche die gemessenen Schaltzeitpunkte mit Deinem Signaldiagramm.

Schwer

Transfer – Unabhängige Aufgaben: Entwirf im Simulator eine zweite blinkende Anzeige mit einem eigenen Zeitintervall. Begründe, weshalb beide Anzeigen voneinander unabhängige Zeitmarken benötigen.
Transfer – Fehlerrobustheit: Entwickle eine nicht blockierende Tasterentprellung und untersuche im Simulator, wie sich aktiviertes Kontaktprellen auf die Erkennung auswirkt.
Transfer – Zeitüberlauf: Erkläre mit einem Zahlenbeispiel, warum die Differenz zweier unsigned-long-Zeitwerte einen Zählerüberlauf für kurze Intervalle korrekt behandeln kann.
Transfer – Anderen Ausbildungsfall entwickeln: Entwirf eine rein virtuelle Statusanzeige für einen anderen technischen Ablauf mit mindestens drei Zuständen und zwei unabhängigen Zeitbedingungen. Begründe, welche Grenzen Dein Modell besitzt.

Begründetes Feedback zu den Aufgaben

Niveau	Daran erkennst Du eine tragfähige Lösung	Feedback bei typischen Fehlern
Basis	Signalpegel, Zustände und Übergänge sind eindeutig zugeordnet.	Wenn gedrückt mit HIGH gleichgesetzt wird, prüfe die INPUT_PULLUP-Beschaltung. Durch den internen Hochziehwiderstand liegt der unbetätigte Eingang HIGH und der betätigte Eingang LOW.
Anwendung	Die LED schaltet im richtigen Intervall, und ein Tastendruck kann auch während der Blinkphase erkannt werden.	Reagiert die Taste erst verspätet, suche nach blockierenden Befehlen oder langen Schleifen. Die regelmäßige Eingabeabfrage ist Voraussetzung für eine zeitnahe Reaktion.
Transfer	Mehrere Zeitaufgaben besitzen getrennte Zeitmarken und definierte Zustände. Störungen und Grenzfälle sind untersucht.	Beeinflussen sich die Zeitaufgaben, prüfe gemeinsam benutzte Zeitvariablen. Unabhängige Abläufe benötigen eine nachvollziehbare, getrennte Zeitverwaltung.

Selbstkorrektur: Dokumentiere einen Fehler, seine Ursache, Deine Veränderung und das Ergebnis eines erneuten Simulationstests. Ein korrektes Quizresultat ersetzt weder die technische Prüfung noch die Sicherheitsbewertung.

Lernkontrolle

Bearbeite mindestens fünf Aufgaben. Begründe Deine Entscheidungen mit Signaldiagrammen, Zuständen oder Simulationsergebnissen.

Reaktionsverhalten: Ein Taster wird nur sehr kurz gedrückt, während eine LED blinkt. Vergleiche, wie eine blockierende und eine nicht blockierende Steuerung darauf reagieren können.
Ablaufmodell: Entwickle für eine virtuelle Prüfstation einen zusätzlichen Zustand FEHLER und lege sinnvolle Übergänge fest. Begründe die Reihenfolge der Reaktionen.
Diagnose: Ein simuliertes Ausgangssignal weist unregelmäßige Blinkintervalle auf. Entwickle zwei überprüfbare Vermutungen über mögliche Programmursachen.
Softwarequalität: Erläutere, warum getrennte Variablen für mehrere Zeitabläufe die Verständlichkeit und Wartbarkeit verbessern.
Eingabefehler: Ein Taster löst versehentlich mehrfach aus. Vergleiche reine Flankenerkennung mit einer zusätzlichen zeitbasierten Entprellung.
Sicherheitstransfer: Erkläre, weshalb eine fehlerfrei laufende Simulation keine Freigabe für eine reale elektrische Anlage und insbesondere keine Eignung als Sicherheitssteuerung nachweist.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis sind folgende Ergebnisse wichtig:

Stromlaufbild: Ein eindeutig beschriftetes Prinzipschaltbild der virtuellen Schaltung.
Zustandsmodell: Eine Darstellung aller Zustände, Ausgaben und Übergangsbedingungen.
Programm: Ein lauffähiger, nachvollziehbar kommentierter Code ohne blockierende Wartebefehle.
Signalnachweis: Ein selbst erstelltes oder simuliert aufgezeichnetes Zeitdiagramm.
Testprotokoll: Nachweis der überprüften Blinkintervalle, Tasteneingaben und Zustandswechsel.
Fehleranalyse: Dokumentation einer Abweichung und ihrer begründeten Korrektur.
Transfer: Entwurf einer zusätzlichen unabhängigen Zeitaufgabe.
Sicherheitsreflexion: Klare Abgrenzung zwischen Lernsimulation, geeignetem Schulungsmodell und realer Elektroarbeit.

Bewertung: Fachliche Richtigkeit, nachvollziehbare Messungen, Fehlerbegründung und sichere Arbeitsweise. Der Lernnachweis erteilt keine elektrotechnische Arbeitsberechtigung oder Freigabe.

OERs zum Thema

Offene Fachinformationen und geprüfte Quellen:

Arduino: Blink Without Delay – offizielles Programmierbeispiel.
Arduino-Beispielcode auf GitHub – im Quelltext als Public Domain bezeichnet.
Wokwi-Dokumentation – Funktionen und Grenzen des Simulators.
Wokwi Pushbutton – Kontaktzuordnung, Pull-up und Kontaktprellen.
Wokwi Logic Analyzer – virtuelle Messung digitaler Signale.
Hochschule Luzern: Delay vs. Millis – ergänzende fachliche Erklärung.
DGUV Vorschrift 3 – Arbeitsschutz und Verantwortlichkeiten.

Wikipedia – ergänzende Grundlagen:

Medienrechte und Nachnutzung

Die verwendeten Wikimedia-Commons-Dateien wurden anhand ihrer Dateibeschreibungen geprüft.

Datei	Urheber	Lizenz
Arduino uno led bb.svg	Edwiyanto	CC BY-SA 4.0
Arduino uno led button schema.svg	Edwiyanto	CC BY-SA 4.0
Arduino uno led button bb.svg	Edwiyanto	CC BY-SA 4.0
Digital Signal Square Wave.svg	Aeroid und Grabert	CC BY-SA 4.0
Square wave.svg	Omegatron	CC BY-SA 3.0
Finite state machine example with comments.svg	Macguy314, Perhelion und Babakus	Gemeinfrei

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