Arduino

Ein schneller Einstieg in die Microcontroller-Entwicklung

Maik Schmidt

• Verlag: dpunkt
• Jahr: 2015
• ISBN:
  9783864916465
• Auflage: 2
• Thema: Informatik
• Thema: Programmierung

Arduino ist ein Open-Source-Projekt, das sowohl aus Hardware als auch aus Software besteht. Ohne Vorlesungen in Elektrotechnik belegen zu müssen, können Sie erste Ideen mit Arduino in kürzester Zeit umsetzen.Von Anfang an praxisorientiert und ohne graue Theorie führt Sie dieses Buch in die Arduino- Welt ein. Teil 1 "Erste Schritte mit Arduino" vermittelt Ihnen die erforderlichen Grundlagen, um die elf Projekte aus Teil 2 bauen zu können.Zunächst erfahren Sie, wie Sie die IDE verwenden und wie Sie Programme kompilieren und auf den Arduino laden. Schnell beginnen Sie mit dem ersten Projekt - dem Elektrowürfel -, das Ihnen den Umgang mit einfachen Bauteilen wie Leuchtdioden, Tastern und Widerständen zeigt.Danach erlernen Sie den Umgang mit analogen und digitalen Sensoren. Sie verwenden einen Temperatur- und einen Ultraschallsensor, um einen digitalen Zollstock zu bauen. Messergebnisse visualisieren Sie im Webbrowser mit JavaScript, HTML5 und CSS3.Sie können auch mit vorhandener Hardware herumspielen und werden sehen, wie leicht es ist, zum Beispiel den Nunchuk für Nintendo Wii in eigenen Programmen einzusetzen oder eine Infrarotfernbedienung zu konstruieren.Schritt für Schritt erschließen Ihnen die Projekte so alle Möglichkeiten, die sich mit Arduino bieten. Zu jedem Projekt gibt es den vollständigen Programmcode zum Download.Wenn Sie an Elektronik interessiert sind und besonders daran, Ihre eigenen Spielzeuge, Modelle und Ideen umzusetzen, haben Sie das richtige Buch gekauft. Und wenn Sie schon Software entwickelt haben - vorzugsweise in C/C++ oder Java -, bringen Sie die besten Voraussetzungenmit.

Teil 1

Erste Schritte mit Arduino

1 Willkommen bei Arduino

Arduino wurde ursprünglich für Designer und Künstler entwickelt, also für Menschen mit geringem technischen Wissen. Auch ohne Programmierkenntnisse konnten diese Personen ausgefeilte Design-Prototypen und verblüffende interaktive Kunstwerke erschaffen. Es überrascht daher nicht, dass die ersten Schritte mit Arduino sehr leicht fallen, besonders, wenn Sie schon technisches Hintergrundwissen haben.

Trotzdem ist es wichtig, dass die Grundlagen stimmen. Sie holen das meiste aus Arduino heraus, indem Sie sich selbst mit dem Arduino-Board vertraut machen, mit der Entwicklungsumgebung und mit Techniken wie der seriellen Datenübertragung.

Wenn Sie bereits mit Computern gearbeitet haben, werden Sie sich fragen, was das besondere am Physical Computing ist und was das bedeutet. Letztlich sind Computer physische Objekte, und sie nehmen Eingaben von physischen Tastaturen und Mäusen entgegen. Sie geben Ton und Filme auf physische Lautsprecher und Bildschirme aus. Ist also die ganze Computerei nicht eine physische Sache?

Eigentlich ist die normale IT eine Teilmenge der physischen Computerei: Tastaturen und Mäuse sind Sensoren für Eingaben der Umgebung, und Bildschirme und Drucker sind Aktoren oder Wandler. Doch die Steuerung spezieller Sensoren und Wandler mit normalen Computern ist sehr kompliziert. Mit Arduino jedoch ist es ein Leichtes, ausgefeilte und sogar verrückte Geräte zu steuern. Im Rest dieses Buchs lernen Sie, wie das vonstatten geht, und in diesem Kapitel machen Sie die ersten Schritte ins Physical Computing, indem Sie lernen, wie Sie Arduino steuern, welche Tools Sie benötigen und wie Sie sie installieren und konfigurieren. Danach gehen wir sofort zum spaßigen Teil über: Sie entwickeln Ihr erstes Arduino-Programm.

1.1 Was Sie benötigen

1. ein Arduino-Board wie das Uno, Duemilanove oder Diecimila

2. ein USB-Kabel, um Arduino mit Ihrem Computer zu verbinden

3. die Arduino-IDE (lesen Sie dazu den Abschnitt 1.4, Die Arduino IDE installieren).

Abb. 1–1 Alle Teile, die Sie in diesem Kapitel benötigen

Fotos wie dieses finden Sie in den meisten der folgenden Kapitel, wobei die Zahlen in der Abbildung den angegebenen Nummern in der Teileliste entsprechen. Standardteile wie Arduino-Boards und USB-Kabel werden in den anderen Fotos jedoch nicht mehr gezeigt.

1.2 Was ist Arduino eigentlich genau?

Anfänger sind oft verwirrt, wenn sie mit dem ersten Arduino-Projekt beginnen. Wenn Sie nach Arduino suchen, hören und lesen Sie eigenartige Namen wie Uno, Duemilanove, Diecimila, LilyPad oder Seeduino. Das Problem ist: Es gibt nicht »das« Arduino.

Vor einigen Jahren entwickelte das Arduino-Team ein Microcontroller-Board und veröffentlichte den Bauplan unter einer Open Source-Lizenz. Einige Elektronikläden führen komplett aufgebaute Boards. Diejenigen unter Ihnen, die an Elektronik interessiert sind, können den Schaltplan¹ aber auch herunterladen und selbst ein Board bauen.

Mit den Jahren verbesserte das Arduino-Team das Board und veröffentlichte mehrere neue Versionen. Die haben normalerweise italienische Bezeichnungen wie Uno, Duemilanove oder Diecimila, und Sie finden online eine Liste² aller vom Arduino-Team entwickelten Boards.

Abbildung 1–2 zeigt eine kleine Auswahl der verfügbaren Arduinos. Sie mögen unterschiedlich aussehen, haben aber viele Gemeinsamkeiten, und man kann sie alle mit denselben Tools und Bibliotheken programmieren.

Abb. 1–2 Sie können unter vielen unterschiedlichen Arduinos wählen.

Diese Platinen folgen zwar alle demselben Prinzip, unterscheiden sich aber in den Einzelheiten. So hat der Arduino Due³ mehr I/O-Pins als alle anderen Modellen und darüber hinaus einen 32-Bit-ARM-Mikrocontroller. Der Arduino Nano⁴ dagegen wurde zur Verwendung auf einem Steckbrett konzipiert, sodass er überhaupt keine Anschlussbuchsen aufweist. Nach meiner Erfahrung ist es für Anfänger am besten, mit einem der »Standard«-Boards zu beginnen, etwa dem Uno.

Das Arduino-Team hat aber nicht nur die Hardware stetig verbessert. Es gibt auch Neuentwicklungen für spezielle Anwendungen. Zum Beispiel wurde das LilyPad⁵ entwickelt, um Microcontroller in Textilien zu integrieren. Sie können damit interaktive T-Shirts entwerfen.

Zusätzlich zu den offiziellen Boards finden Sie im Web zahllose Arduino-Nachbauten. Jeder darf das ursprüngliche Board verwenden und abändern, und daher haben viele Menschen eigene Versionen des Arduino-Boards entwickelt. Unter vielen anderen finden Sie dort Freeduino, Seeduino, Boarduino und das erstaunliche Paperduino⁶, einen Arduino-Klon ohne geätzte Platine. Alle Bauteile sind an einem normalen Stück Papier befestigt.

Arduino ist ein registriertes Warenzeichen. Nur die offiziellen Boards werden »Arduino« genannt. Die Klone haben normalerweise Namen, die auf »duino« enden. Sie können für die Projekte in diesem Buch jeden Klon verwenden, der mit dem Original-Arduino vollständig kompatibel ist.

1.3 Das Arduino-Board erkunden

In Abbildung 1–3 sehen Sie ein Foto des Arduino-Boards und der wesentlichen Teile. Ich erkläre diese nacheinander. Fangen wir mit dem USB-Anschluss an: Um Arduino an Ihren Computer anzuschließen, benötigen Sie ein USB-Kabel. Der Typ dieses Kabel hängt davon ab, was für einen Arduino Sie verwenden. So hat beispielsweise der Arduino Uno eine große B-Standardbuchse, während andere Modelle wie der Leonardo oder der Due über kleine micro-B-Anschlüsse verfügen.

Abb. 1–3 Die wichtigsten Arduino-Komponenten

Den USB-Anschluss können Sie für unterschiedliche Zwecke einsetzen:

• neue Software auf das Board hochladen (wie das geht, erfahren Sie im Abschnitt 1.7, Programme kompilieren und hochladen).
• mit dem Arduino-Board und Ihrem Computer kommunizieren (mehr erfahren Sie im Abschnitt 2.4, Die serielle Schnittstelle verwenden).
• das Arduino-Board mit Energie versorgen.

Da es sich um ein elektronisches Gerät handelt, benötigt Arduino Strom. Eine Möglichkeit der Energieversorgung ist der Anschluss an den USB-Port Ihres Computers. Das ist jedoch nicht immer sinnvoll. Einige Projekte benötigen gar keinen Computer, und es wäre viel zu aufwändig, den Computer nur als Arduino-Stromquelle zu nutzen. Außerdem liefert der USB-Port nur 5 V, und manchmal benötigen Sie mehr.

In diesen Fällen ist es am besten, ein Netzteil zu verwenden (siehe Abbildung 1–4), das 9 V liefert (empfohlen wird eine Spannung zwischen 7 V und 12 V).⁷ Sie benötigen ein Netzteil mit 2,1-mm-Hohlstecker mit Pluspol am Innenstift. (Noch müssen Sie nicht wissen, was das bedeutet, besorgen Sie sich einfach ein Netzteil im örtlichen Elektronikladen). Schließen Sie es an den Stromanschluss von Arduino an, und es startet sofort, auch ohne Anschluss an einen Computer. Übrigens: Auch wenn Sie Arduino über USB anschließen, wird die externe Stromversorgung verwendet, sofern sie angeschlossen ...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titel
• Impressum
• Inhalt
• Danksagung
• Vorwort
• Was Sie benötigen
• Teil 1 Erste Schritte mit Arduino
• Teil 2 Elf Arduino-Projekte
• Teil 3 Anhänge
• Bibliografie
• Stichwortverzeichnis
• Fußnoten