Experimentieren und programmieren mit dem Arduino
Abschnittsübersicht
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In diesem Kurs werden wir uns den Arduino genau ansehen und in verschiedenen Projekten kennenlernen. Wir werden dabei selbst elektronische Schaltungen zusammensetzen und den Arduino entsprechend programmieren.
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Was ist im Arduino Student Kit enthalten?
Dein Kit enthält mehrere Bauteile und Komponenten, die du während des Kurses zum Aufbau von Schaltkreisen und zum Bearbeiten der Projekte benötigst. Hier findest Du eine kurze Beschreibung dessen, was in deinem Kit enthalten ist.
Arduino UNO R3 - Das Mikrocontroller-Entwicklungsboard, an das du deine Schaltkreise anschließt. Es ist ein einfacher Computer, mit dem du bisher (noch) nicht interagieren kannst. Du wirst aber lernen, ihn zu programmieren, seine Schnittstellen zu nutzen und damit beliebige Schaltungen zu steuern.
Batterieanschluss - Dient zum Anschließen einer 9V-Batterie an Verbindungskabel und kann einfach an ein Steckbrett oder den Arduino UNO R3 angeschlossen werden.
Steckbrett - Hilfsmittel, mit dem du auf einfache Weise elektronische Schaltkreise bauen kannst. Es hat Lochreihen, mit denen du Drähte und Bauteile miteinander verbinden kannst. Es handelt sich hier um ein lötfreies Steckbrett.
Kondensator - Ein Bauteil, das elektrische Energie in einem Stromkreis speichert und abgibt. Wenn die Spannung im Stromkreis höher ist als die im Kondensator gespeicherte, kann Strom einfließen, wodurch der Kondensator aufgeladen wird. Wenn die Spannung im Stromkreis niedriger ist, wird die gespeicherte Ladung freigegeben. Kondensatoren werden häufig in der Nähe eines Sensors oder Motors zwischen Spannung und Masse platziert, um Spannungsänderungen auszugleichen. Die Kapazität von Kondensatoren wird in Farad gemessen. Ein Farad stellt eine sehr hohe Kapazität dar, deshalb liegen die meisten Kondensatoren im Bereich Mikrofarad μF (0,000001 Farad) oder sogar Picofarad pF (0,000000000001 Farad).
Drahtbrücke - Zum Verbinden von Komponenten auf dem Steckbrett untereinander und mit dem Arduino UNO R3-Board
Leuchtdiode (LED) - Spezielle Art von Diode, die aufleuchtet, wenn Strom hindurchfließt. Alle Dioden (einschließlich LEDs) lassen den Strom nur in eine Richtung fließen. LEDs werden häufig als Anzeigen an elektronischen Geräten, in Fernsehgeräten und Monitoren im Bildschirm und als energieeffiziente Beleuchtung in Gebäuden verwendet.
Piezo-Summer - Eine elektrisches Bauteil, mit der Vibrationen erkannt und Geräusche erzeugt werden können. Es kann sogar Melodien produzieren.
Fototransistor - Ein Bauteil, das abhängig von der einfallenden Lichtmenge einen elektrischen Strom steuert.
Potentiometer - Ein variabler Widerstand mit drei Anschlüssen. Zwei der Drähte sind mit den Enden eines festen Widerstands verbunden. Der mittlere Anschluss ist mit einem Schleifkontakt verbunden, der sich über den Widerstand bewegt. Dies teilt den Widerstand in zwei Teile. Potentiometer dienen zum Einstellen der Spannung in einem Stromkreis. Der Lautstärkeregler eines Radios ist ein Beispiel für ein Potentiometer.
Stromkabel - Längere Überbrückungsleitung, die normalerweise verwendet wird, um Spannung und Masse vom Arduino UNO R3-Board zum Steckbrett zu bringen.
Tastschalter - Ein Schalter, der den Stromkreis schließt, wenn er gedrückt wird und ihn beim Loslassen wieder öffnet. Drucktasten werden als Eingabegeräte verwendet und ermöglichen es dem Arduino UNO R3-Board, Ein/Aus-Signale zu erkennen.
Widerstand - Ein elektrisches Bauteil, das den Stromfluss behindert. Folglich ändern Widerstände die Spannung und den Strom in einer Schaltung. Widerstandswerte werden in Ohm gemessen (dargestellt durch den griechischen Buchstaben Omega Ω). Die farbigen Streifen am Widerstand geben den Widerstandswert und die Toleranz an.
Servomotor - Ein Getriebemotor, der sich nur um 180 Grad drehen kann. Er wird durch elektrische Impulse gesteuert, die vom Arduino UNO R3-Board gesendet werden. Die Impulse teilen dem Motor mit, in welche Position er sich bewegen soll.
USB-Kabel - Kabel, mit dem das Arduino UNO R3-Board mit einem Computer verbunden werden kann. Dadurch können kompilierte Programme auf das Arduino-Board übertragen werden. Über das USB-Kabel kann der Arduino auch mit Strom versorgt werden.
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Das Arduino UNO Board
Das Arduino-UNO-R3-Board ist eine integrierte Schaltung mit mehreren verschiedenen Komponenten. Diese Komponenten sind als Gesamtsystem miteinander verbunden und ermöglichen es, das Board auf verschiedenste Arten zu verwendet. Die Hardware auf der Platine wird von der Software gesteuert. Software ist das Programm, das der Hardware mitteilt, was zu tun ist. Das Programm zur Steuerung des Arduino-Boards wird im Mikrocontroller gespeichert. Ein Mikrocontroller ist ein Chip, der sich wie ein kleiner Computer verhält. Es verfügt über den Speicher zum Aufnehmen des Programms, einen Prozessor zum Ausführen des Programms und die Möglichkeit, Verbindungen zu anderen Eingabe- und Ausgabegeräten herzustellen.
Bezeichnung Komponente Beschreibung A Reset-Knopf
Setzt den Mikrocontroller zurück.
B TX und RX LEDs
Diese LEDs zeigen die Kommunikation zwischen Arduino UNO R3-Board und Computer an. Sie flackern, wenn Kommunikation stattfindet.
C Digitale Pins
Diese Pins können mit digitalen Ein- oder Ausgabegeräten verbunden werden. Pins mit dem ~-Symbol können auch mit analogen Geräten verwendet werden.
D Power LED
Zeigt an, dass der Arduino UNO R3 mit Strom versorgt wird.
E ATmega Mikrocontroller
Der Chip, der den Sketch speichert und ausführt.
F Analoge Pins
Pins zum Anschluss von Geräten, die analoge Signale zurückgeben.
G Ground und 5V Pins
Über diese Pins können Stromkreise mit Masse und 5 Volt versorgt werden.
H Stromanschluss
Darüber kann der Arduino UNO R3 mit Strom versorgt werden, wenn er nicht an einen USB-Anschluss angeschlossen ist. Der Arduino UNO R3 arbeitet mit Spannungen von 7-12 Volt.
I USB-Anschluss
Dient zur Stromversorgung, zum Hochladen von Programmen und zur Kommunikation mit dem Computer.
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Aufbau des Projekt-Boards
Zum Bau des Projekt-Boards wird mit einer vorgeschnittene Kunststoffbasis das Arduino UNO R3-Board mit dem Steckbrett zu einer Hardware zusammenfügt. Die Trägerplatte erleichtert das Erstellen von Schaltkreisen, da sie Steckbrett und Mikrocontroller nahe zusammen hält.
A) Zum Bau des Projekt-Boards nimm zunächst die Plastikplatte zur Hand.
B) Trenn die Kleinteile vorsichtig heraus. Die Teile B, C, D und E kannst du anschließend wieder in dein Student Kit zurücklegen. Sie werden in diesem Kurs noch nicht gebraucht, sondern sind für andere Projekte vorgesehen.
C) Befestige die vier mit A bezeichneten Teile in den Löchern an den Ecken der Basis. Dadurch entstehen Füße, die die Basis vom Tisch fernhalten.
D) Euer Set enthält drei Schrauben, mit denen das Arduino UNO R3-Board an der Basis befestigt wird. Führt die Schrauben durch die Arduino-Platine und dann durch die Basisplatte. Man fängt damit an, die Kunststoffplatte vom Arduino zu entfernen. Sichere dann die Schrauben mit den drei mitgelieferte Muttern. Achte darauf, die Muttern nicht zu fest anzuziehen.
E) Ziehe die Schutzfolie vorsichtig vom Steckbrett ab.
F) Das Steckbrett soll jetzt auf der Trägerplatte neben dem Arduino UNO R3-Board befestigt werden. Richtet das Steckbrett so aus, dass sich Loch 1a in der Nähe des Reset-Knopfes auf dem Arduino UNO R3-Board befindet. Wenn es richtig herum und geradlinig ausgerichtet ist, klebe das Steckbrett auf die Trägerplatte.
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Anordnung im Steckbrett
Die Öffnungen im Steckbrett sind auf unterschiedliche Weise verbunden:
OrtBestandteile Beschreibung A Spalten-Kennzeichnungen Jede vertikale Spalte auf dem Experimentierbrett ist mit einem Buchstaben gekennzeichnet. B Positive Leiste Alle Löcher neben der roten vertikalen Linie mit dem Plus-Zeichen sind verbunden. Diese Löcher dienen zur Stromversorgung der Stromkreise. C Nichtleitender Spalt Dieser Mittelteil teilt die Platine in zwei nicht verbundene Seiten. D Reihen-Kennzeichnungen Jede horizontale Reihe auf dem Experimentierbrett ist mit einer Zahl gekennzeichnet. E Negative Leiste Alle Löcher neben der schwarzen (oder blauen) vertikalen Linie mit dem Minus-Zeichen sind verbunden. Diese Löcher bilden den Masseanschluss der Stromkreise. F Verbundene ZeilenIn jeder horizontalen Reihe von fünf Löchern sind die Löcher verbunden.G ExperimentierbereichDer Teil zwischen den Anschlussleisten ist der eigentliche Experimentierbereich. Jeder Anschluss in diesem Bereich kann durch eine Zahl-Buchstaben-Kombination eindeutig bestimmt werden. Die Kennzeichnung für diesen Anschluss ist 28h.
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Dein erstes Programm - Blink
Ein Mikrocontroller, wie der auf dem Arduino UNO R3-Board, muss programmiert werden, damit er etwas tun kann. Ein Programm ist eine Reihe von Anweisungen, die ein Computer versteht. Programme werden in einer bestimmten Programmiersprache erstellt, dann auf den Mikrocontroller hochgeladen und schließlich ausgeführt. Die Programmbefehle werden nacheinander von oben nach unten ausgeführt.
1) Öffne die Arduino IDE.
Hinweis: Die Programme, die dem Arduino-Board mitteilen, was zu tun ist, werden mit der Arduino-Software (IDE) auf einem Computer geschrieben. Dies ist eine Open-Source-Software, mit der du Programmcode schreiben und bearbeiten kannst. Die IDE überprüft den Code auch auf Fehler und kompiliert ihn. Die Kompilierung ist der Prozess, bei dem der in einer Programmiersprache geschriebenen Code (die Arduino IDE verwendet eine Programmiersprache namens C und C +) in eine Maschinensprache übersetzt wird, die der Mikrocontroller verstehen kann.2) Erkunde einige der Eigenschaften, Funktionen und Werkzeuge, die in der IDE bereitgestellt werden.
Bezeichnung Bestandteil Beschreibung AÜberprüfungÜberprüft, ob der Sketch funktioniert (kompiliert). BUpload Lädt den Sketch auf das Arduino-Board. CNeuer Sketch Startet einen neuen Sketch. DSketch öffnen Öffnet einen gespeicherten Sketch. ESketch speichern Speichert einen Sketch auf dem Computer. FSerieller Monitor Öffnet den seriellen Monitor für die Kommunikation mit dem Arduino-Board. GRegister-Menü Erstellt und verwaltet mehrere Registerkarten für Sketches. HDebugging-Konsole Meldet Fehler im Code oder in der Kommunikation mit dem Arduino-Board. ICodezeilennummern Können unter "Datei> Einstellungen" ein- und ausgeschaltet werden. JProgrammierbereich Wo die Codezeilen geschrieben werden. 3) Wähle im Dateimenu die Datei Examples > 01.Basics > Blink aus. Der Sketch Blink wird in einem neuen Fenster geöffnet.
Ein Sketch ist ein Programm, das auf das Arduino-Board hochgeladen werden kann. Die Befehle im Code des Sketches teilen dem Arduino-Board mit, was zu tun ist.
Hinweis: Maximiere das Fenster mit dem Code, indem du auf die Schaltfläche Maximieren in der oberen rechten Ecke des Fensters klickst.
Schließe das andere IDE-Fenster, wenn es noch geöffnet ist, du brauchst es jetzt nicht. Alle folgenden Schritte sollten im Fenster des "Blink"-Sketches ausgeführt werden.
4) Betrachte einmal den Code für den "Blink"-Sketch. Keine Sorge, es ist nicht wichtig, dass du diesen Code jetzt vollständig verstehst, dafür sind die restlichen Lektionen gedacht. Kannst du anhand des Codes erkennen, was er auf dem Arduino-Board bewirken könnte?
5) Nimm das USB-Kabel, verbinde den flachen USB-Stecker mit dem Computer und das andere Ende mit dem USB-Anschluss auf dem Arduino UNO R3 Board.
6) Bevor du mit der IDE einen Sketch auf das Arduino-Board hochlädst, musst du der IDE mitteilen, welche Art von Arduino-Board du verwendest. Das Arduino-UNO-R3-Board ist nur eines von vielen verschiedenen Arten von Arduino-Boards mit unterschiedlichen Funktionen.
Gehe in der Arduino IDE zum Menüpunkt Werkzeuge und klicke dann auf Board. Wähle dann im Pop-Out-Menü die Option Arduino-UNO.
7) Gehe mit dem Mauszeiger im Werkzeuge-Menü auf Port. Ein Pop-Out-Menü sollte erscheinen, in dem du den Port auswählen kannst, über den dein UNO-Board verbunden ist.
- Auf Windows-Rechnern ist es voraussichtlich das Wort “COM”, gefolgt von einer Zahl.
- Auf Mac-Computern könnte der Port etwas ähnliches wie “/dev/tty.usbmodem” sein.
- In Linux-Systemen heißt der Port “/dev/ttyACM”, gefolgt von einer Zahl.
Wähle den richtigen Port. Wenn er ausgewählt wurde, zeigt ein Häkchen an, dass ein Board mit ihm verbunden ist.
Hinweis: Wenn das Board mit Strom versorgt wird, leuchtet oder blinkt möglicherweise ein orangefarbenes Licht. Dies ist eine Statusanzeige für Pin 13.Manchmal sieht man im Auswahlmenü mehrere Ports und man weiß nicht, zu welchem man eine Verbindung herstellen soll. Wenn dies der Fall ist, gehe wie folgt vor:a) Trenne das Arduino UNO R3-Board von Ihrem Computer.
b) Überprüfe Werkzeuge > Port und sieh, was verfügbar ist.
c) Verbinde das Board wieder mit dem Computer.
d) Überprüfe Werkzeuge > Port erneut und du solltest einen neuen Port sehen - das ist dann dein Board.
e) Wähle diesen neuen Port aus.
8) Klicke in der Arduino IDE auf die Schaltfläche zum Hochladen, um den Code auf die Arduino UNO R3-Karte zu übertragen. Die Schaltfläche zum Hochladen ist der Button mit einem Pfeil nach rechts in der oberen linken Ecke des Fensters.
Der Computer kompiliert den Code und überträgt ihn dann zum Arduino UNO R3-Board. Während der Übertragung sollten einige gelbe Lichter auf der Platine blinken, die darauf hinweisen, dass sie mit dem Computer kommuniziert.
Wenn die Übertragung abgeschlossen ist, wird das Programm ausgeführt und das gelbe Licht neben Pin 13 auf der Platine sollte blinken. Dieses blinkende Licht ist eine LED, was für Leuchtdiode steht. Weitere Informationen zu LEDs erhältst du später im Kurs.
9) Schau nach, ob du die LED schneller oder langsamer blinken lassen kannst. Versuch es, indem du im Sketch einige der Zahlen im Abschnitt void loop () änderst. Nachdem du Änderungen vorgenommen hast, musst du den Sketch erneut hochladen, indem du wieder auf die Schaltfläche mit dem Pfeil klickst.
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Widerstände haben normalerweise zwei Anschlussdrähte, einen an jedem Ende. Strom kann in beiden Richtungen durch einen Widerstand fließen, weshalb sie in einem Stromkreis in beiden Richtungen eingebaut werden können.
Der Widerstandswert gibt an, wie viel Widerstand einer Schaltung hinzugefügt wird. Denkt daran, dass der Widerstand in Ohm gemessen wird. Ein 220 Ohm Widerstand fügt der Schaltung einen Widerstand von 220 Ohm hinzu, ein 10 Megaohm Widerstand (10 MΩ) fügt einer Schaltung einen Widerstand von 10.000.000 Ohm hinzu.
Widerstände sind normalerweise mit vier oder fünf Farbringen gekennzeichnet. Diese Ringe zeigen den Widerstandswert an wobei jeder Farbe eine bestimmte Bedeutung zukommt.
Diese Tabelle zeigt die Bedeutung der einzelnen Farben. Beachtet, dass der Multiplikator in wissenschaftlicher Schreibweise dargestellt ist. Der Exponent zeigt an, wie viele Nullen nach den Ziffern der anderen Bänder hinzugefügt werden müssen. Beispielsweise beginnt der oben in der Tabelle gezeigte 4-Band-Widerstand mit einem braunen Band. Braun hat einen Wert von 1, daher beginnt der Wert des Widerstands mit 1. Der nächste Ring ist schwarz, die nächste Ziffer ist somit 0. Das Multiplikatorband ist orange und hat einen Wert von 3. Dies bedeutet, dass wir drei Nullen anhängen. Dies ergibt einen Gesamtwiderstand von 10.000 Ohm oder 10 Kiloohm (10 kΩ).
Die Tabelle zeigt die Widerstände, die in eurem Experimentierset enthalten sind. Möglicherweise enthält euer Set eine Mischung aus 4-Ring-Widerständen und 5-Ring-Widerständen.
Keine zwei Widerstände sind gleich. Der letzte Ring gibt den Toleranzbereich des Widerstands an. Der 10kΩ-Widerstand im Beispiel hat eine Toleranz von ± 5%. Fünf Prozent von 10.000 sind 500, damit kann der tatsächliche Widerstandswert zwischen 9.500 Ohm und 10.500 Ohm liegen.
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