Ein Sensor misst etwas in der Umgebung und gibt dem System ein elektrisches Signal, dessen Größe vom Messwert abhängt. Beispiele: ein Temperatursensor, ein Lichtsensor, ein Abstandssensor (er misst oft mit Ultraschall, wie weit etwas entfernt ist), ein Mikrofon und ein Taster (er meldet: gedrückt oder nicht).

Ein Aktor macht aus einem Signal des Systems eine Wirkung in der Umgebung. Beispiele: eine LED (kleine Leuchte), ein Summer, ein Motor, ein Lautsprecher, ein Display.

Das EVA-Prinzip kennst du schon: Eingabe, Verarbeitung, Ausgabe. Hier gehört der Sensor zur Eingabe, das Programm zur Verarbeitung und der Aktor zur Ausgabe. Bei der Supermarkttür misst ein Bewegungssensor, das Programm entscheidet „Kommt jemand?“, und ein Motor öffnet die Tür.

Ein Mikrocontroller ist ein kleiner Computer auf einem Chip. Er hat einen Prozessor, einen Speicher und Anschlüsse, an die du Sensoren und Aktoren steckst. Schulplatinen wie der Calliope mini, der micro:bit oder der Arduino tragen so einen Chip. Anders als dein PC erledigt er meist nur eine Aufgabe, sein Programm. Das Programm bleibt im Speicher, auch wenn der Strom weg ist, und läuft wieder an, sobald Strom da ist. Du schreibst es am Computer und überträgst es auf die Platine.

Mikrocontroller stecken in Waschmaschinen, Fahrradcomputern, Spielzeug und Heizungsreglern. Auch ein Roboter ist ein Mikrocontroller mit Sensoren (etwa für eine schwarze Linie auf dem Boden) und Aktoren (Motoren für die Räder).

Ein solches Programm besteht meist aus einer Schleife, die für immer wiederholt wird: Sensorwert lesen, entscheiden, Aktor schalten.

Die Umgebung ist analog: Eine Temperatur kann jeden Wert annehmen, 20 °C, 20,1 °C, 20,01 °C und alles dazwischen. Ein Computer rechnet aber nur mit Zahlen aus Bits. Ein Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) macht aus dem Signal des Sensors eine Zahl. Er teilt den Messbereich in gleich breite Stufen und gibt die Nummer der Stufe aus.

Die Zahl der Stufen hängt von der Zahl der Bits ab. Mit 1 Bit gibt es 2 Stufen, mit 2 Bit 4 Stufen, mit 3 Bit 8 Stufen. Jedes zusätzliche Bit verdoppelt die Zahl der Stufen. Mit 10 Bit gibt es 1024 Stufen, nummeriert von 0 bis 1023. Das liefert zum Beispiel der Arduino Uno. Mehr Stufen heißen eine feinere Messung.

Ein System mit Mikrocontroller entwickelst du in vier Schritten:

• Problemzerlegung: Teile die Aufgabe in kleine Teilaufgaben. Welcher Sensor liefert die Eingabe? Was muss das Programm entscheiden oder rechnen? Welcher Aktor gibt aus?
• Spezifikation: Lege genau fest, was das System tun soll, bevor du anfängst. Welche Eingaben gibt es, wie soll es reagieren, wo liegen die Grenzwerte? Zum Beispiel: „Ist der Wert kleiner als 200, leuchtet die LED.“
• Realisierung: Du baust die Schaltung auf und schreibst das Programm.
• Test: Du prüfst, ob das System die Spezifikation erfüllt. Teste normale Fälle und Grenzfälle, zum Beispiel einen Wert genau auf der Grenze. Findest du einen Fehler, behebst du ihn und testest noch einmal.

Ein Sensor liefert immer wieder Messwerte. Das Programm speichert sie in Variablen oder Listen und wertet sie aus: Es bildet den Mittelwert, sucht den größten oder kleinsten Wert oder vergleicht mit einem Grenzwert. Oft rechnet es auch um, zum Beispiel von der Stufennummer zur Temperatur.

Messwerte schwanken. Ein Abstandssensor zeigt bei gleichem Abstand mal 40, mal 41 cm. Manchmal liefert er einen Ausreißer, einen Wert, der weit neben den anderen liegt. Darum misst man mehrmals hintereinander und rechnet mit dem Mittelwert.