Arduino ist derzeit die beliebteste Plattform, mit der praktisch alle Bastler (und nicht nur sie) beginnen – es ist Zeit für Dich!
Ist dieser Arduino-Kurs für mich geeignet?
Du musst keine Zeit damit verschwenden, Deine eigenen Platinen zu entwerfen, das richtige Programmiergerät auszuwählen und die Umgebung mühsam zu konfigurieren. Alles funktioniert praktisch auf Anhieb! In den folgenden Artikeln werden auch die Grundlagen der Programmierung besprochen, darunter Funktionen, Bedingungen, Schleifen usw.
Der Schwerpunkt des Arduino-Kurses liegt auf der Programmierung. Wenn Du noch keine Erfahrung mit Elektronik hasst, nutze unseren Elektronik-Grundlagenkurs!
Die erste Stufe des Kurses deckt die wichtigsten Grundlagen ab, mit denen buchstäblich jeder sein Abenteuer mit Mikrocontrollern in der Praxis beginnen kann. Natürlich deckt dieser Kurs nicht den „ganzen Arduino“ ab, die Thematik ist so umfangreich, dass mehrere (Dutzend) Bücher darüber geschrieben werden könnten. Der Zweck dieses Kurses ist es, die Grundlagen in der Praxis zu erklären und das Interesse des Lesers zu wecken, diese Plattform weiter zu erforschen.
Was kann ich mit dem Arduino machen?
Als Anfänger wird man sich diese Frage sicherlich stellen. Erst nach einer Weile wird man merken, dass es sehr schwierig ist, sie zu beantworten. Es ist schwer, konkrete Beispiele für fertige Geräte zu nennen. Um sich zu inspirieren, kann man sich ansehen, wie die Projekte anderer Bastler aussehen:
Durch die Kombination der oben genannten Informationen wirst du in der Lage sein, ein Gerät zu bauen, das Informationen aus der Umgebung sammelt (Sensoren), sie dann verarbeitet, bestimmte Aktionen ausführt (Motoren) und mit dem Benutzer kommuniziert (LEDs, Display, Computer).
Beispielprojekte, die du nach unserem Kurs ohne Probleme programmieren kannst:
- Einfache mobile Roboter (mehr dazu im Roboterbau-Kurs)
- Teile für einfache Hausautomatisierung (automatische Rollläden, Lichtsensoren)
- Geräte für den täglichen Gebrauch (einfacher Wecker, Uhr)
- Spielgeräte (einfache Spiele und leuchtende Spielzeuge)
- …und eine Vielzahl anderer Projekte, die man sich vorstellen kann!
Achtung! Die oben genannten Projekte werden während des Kurses nicht umgesetzt. Das Wissen, das du hier erlangst, wird es dir jedoch ermöglichen, solche Projekte selbst zu programmieren.
Was ist ein Arduino?
Für Anfänger ist ein Arduino ein fertiges „Starterkit“ mit dem beliebten AVR-Mikrocontroller. Entwickelt nach den entsprechenden Prinzipien, so dass:
- kein externes Programmiergerät erforderlich ist
- ein problemloses Zusammenspiel mit einer geeigneten Programmierumgebung möglich ist
- Du eine „unendliche“ Anzahl von Erweiterungsplatinen dazu kaufen kannst (z. B.: Motorsteuerungen, Displays, Ausführungsmodule)
Informationen über die für den Kurs benötigten Elemente findest du am Ende dieses Artikels!
Glücklicherweise sind mit Arduino keine Kenntnisse über Mikrocontroller-Register erforderlich, um eine Schaltung zu programmieren. Alles basiert auf benutzerfreundlichen Bibliotheken, die es auch Anfängern ermöglichen, ein komplexes Programm zu erstellen.
Kurz gesagt: Arduino sind Module mit Mikrocontrollern, die mit Hilfe frei verfügbarer Bibliotheken sehr einfach in einer C/C++-ähnlichen Sprache programmiert werden können.
Vorteile des Arduino
Das Projekt wurde im Jahr 2005 in Italien entwickelt. Seitdem hat es Millionen von Anhängern und begeisterten Nutzern angehäuft. Von Anfang an war Arduino für Menschen gedacht, die noch nicht viel mit der Programmierung von Mikrocontrollern zu tun hatten. Die hervorragende Umgebung, die benutzerfreundliche Form und der attraktive Preis haben Arduino populär gemacht.
Die Gemeinschaft, die sich um dieses Projekt gebildet hat, ist riesig. Dies bringt viele Vorteile mit sich. Aus der Sicht eines Anfängers sind drei davon am wichtigsten:
- Die große Anzahl an fertigen Lösungen. Es gibt alle Arten von Projekten, die mit Arduino entwickelt werden. Wenn dir etwas „Neues“ und Interessantes einfällt, hat es in 90 % der Fälle schon jemand mit Arduino gemacht und eine Beschreibung des Projekts ins Internet gestellt.
- Die Beliebtheit der Plattform hat die Hersteller dazu veranlasst, unzählige Board-Varianten und Erweiterungen zu entwickeln – mehr dazu später im Kurs.
- Die große Anzahl von Nutzern macht es einfach, Hilfe zu finden, wenn man an einem wichtigen Punkt in seinem Projekt nicht weiterkommt.
Arduino - Wahl der Hardware-Plattform
Zumindest gibt es in jedem Elektronikgeschäft mehrere verschiedene Sets zu kaufen. In diesem Kurs wird das bei weitem beliebteste Board verwendet, das Arduino UNO R3, das wie auf dem Bild unten aussieht.
Wyposażenie Arduino UNO R3
Das Herzstück des Chips ist der beliebte 8-Bit-Mikrocontroller von Atmel, der AVR ATmega328, der mit 16 MHz läuft.
Bei dieser Frequenz kann der Mikrocontroller, vereinfacht ausgedrückt, 16 Millionen Operationen pro Sekunde ausführen. Das ist eine ganze Menge!
Spezielle Anschlüsse, die charakteristisch an den Seiten der Platine platziert sind, sind die Anschlüsse für die wichtigsten Signale. Es gibt 14 programmierbare digitale Ein- und Ausgänge. Sechs davon können als PWM-Ausgänge (z.B. zur Motorsteuerung) und weitere sechs als Analogeingänge verwendet werden. Außerdem gibt es ein Reset-Signal und eine Spannungsversorgung.
Der Arduino kann auf verschiedene Arten mit Strom versorgt werden. Die gängigsten Methoden sind:
- Stromversorgung über ein USB-Kabel
- Stromversorgung über ein Steckernetzteil (optimal 7V – 12V) oder Batterien
Die wichtigsten Komponenten sind in der untenstehenden Grafik hervorgehoben:
- USB-Anschluss – für die Stromversorgung, Programmierung und Kommunikation mit dem Computer
- Stromanschluss (optimal 7V – 12V)
- Spannungsstabilisator – die Eingangsspannung von Anschluss 2 wird durch diese Schaltung auf 5V reduziert
- Reset-Knopf – setzt das Arduino-Board zurück
- Mikrocontroller, der für die Kommunikation mit dem Computer über USB zuständig ist
- Programmieranschluss für den Mikrocontroller aus Schritt 5.
- Signalanschluss*
- Signalanschluss*
- LED zur Anzeige der Spannungsverbindung zum Arduino
- Programmierausgang für den Mikrocontroller aus Punkt 13.
- Signalanschluss*
- Stromanschluss*
- Das Herz des Arduino, der Hauptmikrocontroller AVR ATmega328
- LEDs zur Anzeige der Übertragung zum/vom Computer
- LED für den Benutzer verfügbar
- Keramikresonator, der den Mikrocontroller (Punkt 13) mit 16MHz taktet
- Jumper, dessen Durchtrennung das automatische Zurücksetzen des Arduino deaktiviert.
- Lötfelder mit den Signalen des Mikrocontrollers ab Punkt 5, die nur sehr selten in sehr spezifischen und nicht standardisierten Situationen verwendet werden.
*Die einzelnen Signalanschlüsse werden im nächsten Abschnitt des Kurses ausführlich besprochen.
Klone oder Arduino ("nicht") Originale
Wir können Klone in zwei Arten unterteilen:
- Komplette Fälschungen, die die Originale imitieren
- Boards, die dem Arduino-Standard entsprechen
Wenn du zum Beispiel nach dem oben erwähnten Arduino UNO suchst und ein Board findest, das mit dem auf meinen Bildern identisch ist, und das zu einem Preis von < 20€ angeboten wird, ist es zu 100 % eine Fälschung. Natürlich kann man das Risiko eingehen und eine kaufen. Du hast die Wahl, ob du Unternehmen unterstützen willst, die auf unehrliche Weise Geld verdienen, oder ob du dich für ein Unternehmen entscheidest, das ein wenig mehr Mühe in die Herstellung seiner Version gesteckt hat.
Achtung! Die billigsten Platinen, die die Originalplatinen imitieren, sind oft aus minderwertigen Bauteilen hergestellt, was zu einer Beschädigung der gesamten Schaltung führen kann!
Arduino-Kurs - benötigte Komponenten
In späteren Abschnitten des Kurses werden wir auch auf die Steuerung von Aktoren wie Servos und Motoren eingehen. Darüber hinaus werden auch Sensoren nützlich sein. Wir werden Lichtsensoren (Fotowiderstände) und einen Ultraschall-Abstandssensor verwenden.
Wie beim Elektronik-Grundlagenkurs haben wir zusammen mit dem Botland.de Shop fertige Komponenten-Sets vorbereitet. Es sind Sets mit dem originalen Arduino-Board erhältlich.
Das Set der benötigten Komponenten ist auf dem Foto unten zu sehen:
Lohnt es sich, diese Komponenten aus dem Set zu entfernen? Definitiv nicht! Die Komponenten werden während des Kurses nicht beschädigt. Du wirst sie in deinen späteren Projekten verwenden können. Der Kurs ist auf die Praxis ausgerichtet, und es ist schwierig, etwas über bestimmte Bauteile zu lernen, wenn man sie nicht hat!
Arduino-Kurs - Eine kurze Einführung
Im ersten Teil des Kurses (d.h. dem, den du gerade liest), werden wir die Installation der Umgebung behandeln. Ich gehe davon aus, dass du noch nicht über die notwendige Hardware verfügst. Für das weitere Lernen wird der Arduino jedoch bereits unerlässlich sein.
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Sie können jetzt ein Set von mehr als 70 Elementen, die für die Kursübungen notwendig sind, bei unseren Händlern kaufen!
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Im zweiten Teil werden wir uns mit dem Umgang mit digitalen Ein- und Ausgängen beschäftigen. Wenn du die entsprechenden Übungen absolviert hast, wirst du lernen, selbst Programme zu erstellen, die eine Leuchtdiode steuern können, und du wirst auch erfahren, wie du Informationen von den Tasten ablesen kannst.
Installation der Arduino IDE
Vor der Programmierung muss eine geeignete Umgebung installiert werden ( wir werden während der Übungen in diesem Kurs nicht die online verfügbare Umgebung verwenden). Diese gibt es in zwei Versionen. Die ältere, leichtgewichtige Version, die immer noch von vielen Bastlern verwendet wird, trägt die Nummer 1.8.19. Es gibt auch eine neue Umgebung, deren Nummerierung mit 2 beginnt, z.B: 2.2.1.
Es handelt sich um zwei ähnliche Anwendungen, aber die neuere Version ist eine völlig neue Umgebung, die viele Möglichkeiten für Anfänger bietet. Wenn du gerade erst anfängst, solltest du dich für die neueste Version entscheiden!
Wenn du auf diesen Link klickst, wirst du zu einer Seite weitergeleitet, auf der du eine freiwillige Spende tätigen kannst. Wenn du nicht spenden möchtest, kannst du die Umgebung kostenlos herunterladen, indem du einfach auf die Schaltfläche „Just download“ klickst.
Unabhängig davon, ob man das Projekt finanziell unterstützt oder nicht, erhält man genau die gleiche Entwicklungsumgebung mit allen notwendigen Treibern und Beispielen. Die Installation der Software sollte auf die übliche Art und Weise erfolgen, und sobald sie gestartet ist, sollte man eine ähnliche Ansicht wie die unten abgebildete vor sich haben.
Bedenke jedoch, dass die Umgebung laufend weiterentwickelt wird. Ihr Arduino-IDE-Fenster sieht vielleicht ein wenig anders aus – aber keine Sorge. Alle Funktionen funktionieren auf die gleiche Weise, oder sie befinden sich an einer anderen Stelle.
Wenn man möchte, kann man die Sprache der Umgebung in den Programmeinstellungen ändern: File > Preferences > Language. Dies hat natürlich keinerlei Auswirkungen auf die Programmcodes, es geht nur um die Sprache, die in den Einstellungen dieser Entwicklungsumgebung verwendet wird.
Wenn du bereits einen Arduino hast...
Ich habe bereits geschrieben, dass wir in diesem Abschnitt nicht programmieren werden. Wenn du jedoch bereits einen Arduino hast, kannst du etwas sehr Einfaches tun, um zu überprüfen, ob alles funktioniert. Starte zunächst den Editor der Arduino IDE. Wähle dann aus dem Menü:
Datei > Beispiele > 01. Basics > Blink
Es öffnet sich ein separates Fenster mit dem Programmcode (auf dessen Struktur wir im Moment noch nicht eingehen). Es sollte ungefähr so aussehen wie unten abgebildet.
Wenn die Hardware einsatzbereit ist, überprüfe, welcher COM-Port dem Board zugewiesen wurde. Dazu öffnet man den Gerätemanager – man drückt einfach die Start-Taste und gibt „Gerätemanager“ in die Windows-Suchmaschine ein.
In meinem Fall war es COM21, aber in deinem Fall kann es ganz anders sein. Gehe nun zurück zur Arduino IDE und stelle die relevanten Informationen ein. Zunächst müssen wir angeben, welche COM-Port-Nummer das Board hat, damit klar ist, wohin das Programm gesendet werden soll. Dies erfolgt hier: Tools > Port.
Die Arduino IDE-Umgebung zeigt nur die verfügbaren COM-Ports an. In meinem Fall waren es COM1 und COM21, in eurem Fall kann es noch mehr geben. Das Wichtigste ist, den richtigen zu wählen!
Als nächstes müssen wir dem Kompilator mitteilen, welches Board wir haben. Dies ist erforderlich, damit unser Programmcode richtig verarbeitet und an unseren Arduino gesendet werden kann. Um dies zu tun, gehen wir zu: Tools > Board > Arduino AVR Boards und dort wählen wir den Arduino UNO aus.
Das Board ist angeschlossen und eingerichtet. Jetzt können wir mit dem Hochladen des Programms fortfahren. Das Programm muss zunächst mit der Option „Verify“ kompiliert werden. Dabei wird der Code auf Korrektheit geprüft und kompiliert, d. h. in eine für den Mikrocontroller verständliche Sprache umgewandelt. Anschließend kann das Programm mit der Option „Übertragen“ auf den Arduino hochgeladen werden.
Denken Sie daran:
- Die Option „Überprüfen“ – prüft und kompiliert nur das von Ihnen geschriebene Programm
- Die Option „Übertragen“ – prüft und kompiliert das Programm und lädt es sofort auf den Arduino UNO
Klicke nun auf die Schaltfläche „Übertragen“. Wenn Sie auf die Schaltfläche klicken, sollten die mit TX und RX bezeichneten LEDs auf dem Board blinken. Dies zeigt an, dass Daten vom/zum Computer übertragen werden. Wenn der Kompilierungs- und Upload-Prozess gut verläuft, sehen Sie unten in der Arduino-IDE eine entsprechende Meldung (im Falle eines Fehlers erscheint hier eine Beschreibung des Problems – z. B. die Information, dass das Board nicht gefunden wurde; in diesem Fall lohnt es sich zu überprüfen, ob der richtige COM-Port ausgewählt ist.
Dass das Programm korrekt hochgeladen wurde, kann man natürlich auch am Arduino beobachten. Wie bereits erwähnt, haben wir eine Leuchtdiode auf dem Board, die nach dem Hochladen des Programms blinken sollte. Wie hier:
Der Effekt ist nicht berauschend, aber wir wissen, dass alles funktioniert. Ab dem nächsten Artikel werden wir anfangen, die Programme selbst zu schreiben. In der Zwischenzeit kannst du versuchen, den Code zu bearbeiten, den wir jetzt hochgeladen haben, und testen, wie sich die Schaltung verhält.
Zusammenfassung
Das sollte als „ausführliche Einführung“ in den Kurs genügen. Ich hoffe, dass damit die Grundlagen geklärt sind und du motiviert bist, die folgenden Artikel zu lesen. Ich freue mich auf euer Feedback und eure Kommentare.
Ich möchte euch daran erinnern, dass das Wichtigste die Praxis ist. Alle benötigten Elemente findet ihr in den fertigen Sets, die bei Botland erhältlich sind!
