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- Herausgeber: Bombini-Verlag
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
Der Arduino-Mikrocontroller ist aus der Elektronikwelt nicht mehr wegzudenken, er hat sich zu einem Standard im Hobbybereich entwickelt. In unzähligen Projekten kommt das Arduino-Board zum Einsatz, Hunderttausende von ausgereiften Softwarelösungen stehen für jeden zugänglich und unter freier Lizenz zur Verfügung. Der Arduino ist leicht zu programmieren. Preiswerte elektronische Bauteile wie LCDs, Sensoren und Motoren können an das Arduino-Board angeschlossen und damit gesteuert werden. Mit "Arduino die elektronische Welt entdecken" führt den Leser in die faszinierende Welt der Elektronik und Programmierung ein. Die Hardware wird leicht verständlich dargestellt und die Programmierung des Mikrocontrollers Schritt für Schritt grundsätzlich erklärt. Herzstück des Buches sind 48 detailliert beschriebene Arduino-Bastelprojekte, wobei sich die Komplexität von Projekt zu Projekt steigert. In jedem Bastelprojekt wird ein neues Grundlagenthema behandelt, neue Hardware wird eingeführt und neue Programmierkniffe und –werkzeuge werden vorgestellt. Jedes Bastelprojekt ist mit zahlreichen Fotos und Abbildungen illustriert und kann Schritt für Schritt nachgebaut werden. Alle verwendeten Bauteile werden genau erklärt und in ihrer prinzipiellen Funktionsweise vorgestellt. Die Bastelprojekte können beliebig erweitert und für andere Zwecke angepasst werden. Generationen von Hobbybastlern haben mit Erik Bartmanns Bestsellerbuch bereits die Arduino-Programmierung gelernt. In der komplett überarbeiteten 4. Neuauflage des Arduino-Standardwerkes wurden neue Bauteile wie der ESP32 oder LoRaWAN aufgenommen und neue Entwicklerwerkzeuge wie Node-RED, KiCad und MQTT behandelt.
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Seitenzahl: 906
Veröffentlichungsjahr: 2021
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Mit Arduino die elektronische Welt entdecken
Erik Bartmann
Impressum
Die Informationen in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Autoren und Übersetzer übernehmen keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für eventuell verbliebene Fehler und deren Folgen.
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Bombini Verlags GmbH Kaiserstraße 235 53113 Bonn E-Mail: [email protected]
Copyright: © 2021 by Bombini Verlag
Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Umschlaggestaltung: Michael Oreal, Köln (www.oreal.de)electronic publication: III-satz, Husby, www.drei-satz.de
ISBN 978-3-946496-29-8
Grußwort zur vierten Auflage von Teo Swee Ann, CEO von Espressif
Dear Erik,
In 2016, I came across a book of yours, which was about ESP8266, a microcontroller that my company Espressif had developed and released two years earlier. It was the first book ever written about ESP8266. Although I do not speak German and, therefore, I could not read it, I still understood the basic statements you made about ESP8266, as I was going through your text. Your beautiful and numerous illustrations helped me guess the accompanying text. Most importantly, I liked that you promoted the ESP8266 microcontroller as a tool for the Maker movement in as early as 2016. In any case, your assessment back then has been proved correct: Today, in every Maker workshop, no matter where in the world, one can find an ESP8266 or its successor, ESP32, alongside an Arduino and a Raspberry Pi board.
As I learned later, you had also written an extensive book about Arduino. Since its first edition in 2011, this 1,000-page book has been published in three editions already, and has become a reference book about Arduino in German. In this book, not only you do describe the functionality of the Arduino hardware and software, but you also cover the entire Maker catalogue of relevant topics. You explain the basics about electronics in detail and in an easy-to-understand way, you give an introduction to programming, and you show in numerous projects what great things can be developed with the Arduino platform.
In addition, you let the Maker think outside the box, discussing cutting-edge ideas that push the Arduino hobbyist’s creativity further. You have included MQTT, Node-RED, and LoRa-related topics, among many others that can help every Maker develop truly awesome and even complicated projects on their own. I am pleased to see that you have also covered ESP32 with its own project in your book.
I wish you much success for the fourth edition of your Arduino book.
Teo Sween Ann
Einleitung
Arduino für alle
Als ich mein erstes Buch über Arduino schrieb, gab es zwei oder drei Händler in Deutschland, über die man das Arduino-Board beziehen konnte, und ungefähr 800 Videos wurden bei YouTube aufgelistet, wenn man das Suchwort Arduino eingab. Für Elektronikprofis war dieser Mikrocontroller kaum ein Thema und wenn, dann belächelten sie eher seine Leistungsfähigkeit.
Die Arduino-Entwickler, die sich 2005 in der italienischen Kunst-Uni Ivrea ans Werk machten, einen leicht zu programmierenden Mikrocontroller zu entwerfen, hatten nicht den Elektronikprofi im Visier, sondern den Kunststudenten mit wenig Programmier- und Hardwarekenntnissen. Ihr Fokus lag dabei auf dem schnellen Realisieren von Ideen, dem Prototyping: eine künstlerische Idee, die der Student ohne Unterstützung von Ingenieuren und Programmierern selbst realisieren konnte.
Der Layoutfehler, der Geschichte machte
Die Arduino-Macher, allesamt keine Hardwarespezialisten, stellten den ersten Arduino-Mikrocontroller, den Arduino Uno, unter eine freie Hardwarelizenz, wobei sie die Erfahrungen der Open-Source-Bewegung auf die Hardwarewelt übertrugen. Sie legten die Schaltpläne offen, so dass jedermann frei darin war, das Board nach- oder umzubauen. Und die Arduino-Programmierumgebung – oder auch IDE genannt (Integrated Development Environment) – stellten sie ebenfalls unter eine Open-Source-Lizenz, jeder konnte die Software frei nutzen.
Bald schon wurde das Arduino-Board nicht nur von Studenten der italienischen Uni genutzt, sondern entwickelte sich zu einer praktischen Prototyping-Plattform, erst für Elektronik-Nerds, dann für Hobbyisten auf der ganzen Welt. Wesentlich beigetragen zur erfolgreichen Verbreitung dieser Plattform hat das Internet, das es ermöglichte, Schaltungen und dazugehörige Softwareprogramme leicht zu verbreiten – und Dank der freien Lizenz – auch nutzbar für alle zu machen. Ein riesiger weltweiter Pool von Ideen entstand, entwickelt von Hobbyisten, die stolz einer weltweiten Community ihre Projekte vorstellten. Projektideen wurden von irgendjemandem auf der Welt übernommen, vielleicht sogar verbessert und wieder ins Netz gestellt.
In den Folgejahren entwickelten sich der Arduino und seine Entwicklungsumgebung zu einem Quasistandard in der weltweiten Bastlerwelt. Eine neue, leicht zugängliche Plattform für E-Bastler war entstanden. Das blieb auch nicht den großen Hardwareproduzenten verborgen, die registriert hatten, dass zunehmend der Arduino für alle möglichen Steuerungs- und Messaufgaben eingesetzt wurde. Um die Möglichkeiten des Arduino-Boards zu erweitern, wurden Ergänzungsplatinen, die genau auf den Arduino Uno passten, sogenannte Shields, entwickelt.
Spätestens zu dem Zeitpunkt, als einer der größten Produzenten von Hardware seine Entwicklungsabteilung anwies, zukünftig das Layout des Arduino-Boards als Basis für ihre Hardware anzusehen, war klar, dass der Arduino aus der Technikwelt nicht mehr wegzudenken war. Kleine Anekdote am Rande: Wie schon gesagt, die Arduino-Entwickler waren zu Beginn noch keine Hardwarespezialisten, so dass sie leider einen Layoutfehler in das Arduino-Uno-Board einbauten. Um kompatibel mit dem Quasistandard zu bleiben, übernahm der namhafte weltweite Hersteller brav diesen Layoutfehler. Bis heute.
Von den Segnungen des Copy&Paste – und seinen Beschränkungen
Als ich mein erstes Arduino-Buch plante, fragte ich mich, was ein Bastler vor allem braucht, um mit dem Arduino eigene Projekte zu realisieren. Es war ja schon zu diesem Zeitpunkt möglich, sich über das Internet und über die gerade entstehenden Arduino-Communities und -foren lauffähige Programme zu besorgen, sie auf den eigenen Arduino hochzuladen und schon lief das Projekt auch in heimischer Umgebung, vielleicht noch versehen mit ein paar gezielten Eingriffen in den Code. Musste zusätzliche Hardware verbaut werden, orientierte man sich beim Nachbau an der Schaltung.
Was also sollte ein Buch über den Arduino noch enthalten außer der Beschreibung des Boards und der Entwicklungsumgebung und wie man die Programme vom PC auf den Mikrocontroller bekommt? Was passiert, wenn man eine Schaltung nachgebaut hat und sie dann erweitern möchte? Um einen guten konzeptionellen Ansatz für mein Buch zu finden, fragte ich mich, was mir am meisten dabei geholfen hat, eigene Elektronikprojekte zu bauen. Die Antwort war simpel und ernüchternd: Mir haben meine Grundkenntnisse in Elektrotechnik dabei geholfen, aus Ideen funktionierende Technikprojekte zu machen.
Ich finde es absolut beeindruckend, dass Menschen, die nichts mitbringen außer Bastellust, mit dem Arduino bereits nach einer halben Stunde eine Ampelschaltung auf dem Steckbrett betreiben können, ohne jemals zuvor einen Mikrocontroller in der Hand gehalten oder eine Zeile Code geschrieben zu haben. Es reicht dazu ein YouTube-Video und vielleicht noch eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung, schon blinken die LEDs im gewünschten Ampelschaltungsrhythmus auf dem Schreibtisch zu Hause. Vielleicht hat man dann noch Spaß daran, den Rhythmus abzuändern, indem man im Code an der entsprechenden Stelle, die leicht zu finden ist, herumtüftelt – das war es dann aber auch schon. Um mehr daraus zu machen, braucht man ein paar Grundkenntnisse der Elektronik und der Elektrotechnik. Deshalb habe ich dieses Buch geschrieben.
Wie ich mein Buch aufgebaut habe
Zunächst finde ich wichtig, dir möglichst viel über die Hardware und Software von Arduino mitzuteilen, damit du die gesamte Klaviatur kennenlernst, auf der hier gespielt wird. In Kapitel 1, »Arduino: Die Hardware«, stelle ich dir ziemlich detailliert das Arduino-Board mit allen Bauteilen, der Stromversorgung und den Schnittstellen vor. Daneben gibt’s eine Auffrischung einiger physikalischer Grundbegriffe, die bei der Mikroelektronik eine Rolle spielen. Kannst du lesen, musst du aber nicht. In Kapitel 2, »Arduino: Die Software«, lernst du, das Board zu kontrollieren. Du erfährst, wie der Workflow zwischen PC oder Notebook und dem Arduino-Board abläuft und wie der Arduino-Code aufgebaut ist, um den Mikrocontroller steuern zu können.
In Kapitel 3, »Keine Angst vorm Programmieren – Coding Basics«, bekommst du eine geballte Packung Basic-Wissen übers Programmieren präsentiert. Auch dieses Kapitel geht wie die vorherigen Kapitel manchmal sehr in die Tiefe, aber im Zweifelsfall gilt auch hier: Kannst du lesen, musst du jetzt aber nicht. Ich empfehle dir, die ersten Kapitel als eine Art Referenzkapitel anzusehen, auf die du später im Buch – oder sogar später bei deinen eigenen Arduino-Bastelprojekten – zugreifen kannst, wenn du etwas genauer wissen möchtest.
In Kapitel 4, »Das Arduino-Discoveryboard«, stelle ich dir ein von mir entwickeltes Entwickler-Board vor. Ich habe auf einer Platine Standardelektronikbauteile verbaut, die bei den Arduino-Bastelprojekten ständig gebraucht werden. Die Bauteile habe ich auf der Platine fest verlötet, so dass ich nur noch den Arduino anschließen muss und die Projekte dann durchführen kann. Der Vorteil? Die lästige Wurschtelei auf dem Breadboard entfällt weitestgehend und der Schaltungsaufbau ist übersichtlicher. Du kannst das Arduino Discoveryboard nachbauen, dabei kannst du dich gleich im Löten üben.
Und dann geht es endlich los mit den Arduino-Bastelprojekten und deiner Bastelleidenschaft! Die Projekte fangen sehr leicht an, aber das ändert sich recht schnell, sie werden von Projekt zu Projekt komplexer. An den Stellen, an denen Grundlagenwissen notwendig ist, streue ich Texte ein, die das Bastelprojekt etwas theoretischer beleuchten. So wächst hoffentlich von Projekt zu Projekt auch dein Elektronikgrundwissen, so dass du schon bald in der Lage sein wirst, meine Projekte abzuändern oder sogar ganz eigene Bastelprojekte zu entwickeln.
Wie ich die Bastelprojekte gestaltet habe
Wie schon erwähnt, bauen die Bastelprojekte aufeinander auf. Was du in einem Projekt gelernt hast, kannst und sollst du auch in den Folgeprojekten anwenden. Benötigst du Grundlagenwissen, dann präsentiere ich es an der Stelle, an der es benötigt wird. Die Projekte haben alle einen ähnlichen Aufbau.
Codeanalyse: Schritt für Schritt gehe ich den Programmiercode durch und erkläre genau jeden Aspekt des Programms.
Schaltplan: Der Schaltplan ist die schematische Darstellung des Bastelprojektes, sozusagen der Bauplan.
Schaltungsaufbau: Wie die Schaltung dann auf einem Breadboard aufgesteckt oder auf einer Platine aufgelötet aussieht, das stelle ich mit Fotos dar.
Troubleshooting: Die systematische Fehlersuche ist IMHO eine der besonderen Fertigkeiten, die ich gern jedem angehenden E-Bastler nahebringen möchte. Deshalb habe ich sie zum festen Bestandteil meiner Bastelprojekte gemacht.
Benötigte Bauteile: Ich gebe dir einen Überblick über die in diesem Bastelprojekt benötigten Bauteile. So kannst du auf einen Blick feststellen, ob dir die Bauteile bereits vorliegen.
Programmcode: Der für die Bastelprojekte verwendete Programmiercode wird vorgestellt, manchmal in kleinen Häppchen.
Gelegentlich biete ich Quick-and-Dirty-Lösungen an, die auf den ersten Blick etwas umständlich erscheinen mögen. Anschließend folgt eine verbesserte Variante, was als Anregung dienen soll, nach weiteren Lösungsmöglichkeiten zu suchen und – im Idealfall – eigene Lösungen zu entwerfen. Wenn das geschieht, habe ich genau das erreicht, was ich beabsichtigt habe. Falls nicht, auch gut. Jeder geht seinen eigenen Weg und kommt irgendwann ans Ziel.
Meine Website mit weiteren Arduino- und Elektronikthemen
An dieser Stelle möchte ich auch auf meine Internetseite
https://erik-bartmann.de/
hinweisen, auf der du unter anderem einiges zum Thema Arduino findest. Hier kannst du auch alle Programme herunterladen, die ich in meinen Bastelprojekten verwende. Zu den schönsten Momenten für einen Autor gehört es, wenn er Feedback von Lesern erhält. Ich bin manchmal richtig gerührt, wenn mir ein Leser mitteilt, wie viel Spaß ihm mein Buch beim Lesen und Basteln gemacht hat. Darüber freue ich mich sehr und möchte jeden dazu ermuntern, mir mitzuteilen, wie er mein Buch fand, was ihm besonders gefallen hat und auch, was er für verbesserungswürdig an meinem Buch hält. Meine E-Mail-Adresse lautet:
Sie ist auf meiner Internetseite auch noch einmal aufgeführt.
Voraussetzungen
Die einzige persönliche Voraussetzung, die du mitbringen solltest, ist Interesse am Basteln und Tüfteln. Du musst kein Elektronik-Nerd sein und auch kein Computerexperte, um die im Buch gezeigten Bastelprojekte nachvollziehen und nachbauen zu können. Da wir sehr moderat beginnen, besteht absolut keine Gefahr, dass irgendjemand auf der Strecke bleibt. Setz dich also nicht unter Druck und mach die Dinge nicht schwieriger, als sie sind. Der Spaß steht immer an erster Stelle.
Benötigte Bauteile
Das Arduino-Board für sich alleine ist zwar ganz nett und wir können uns daran erfreuen, wie klein und schön alles konzipiert wurde, doch auf Dauer reicht das natürlich nicht aus. Wir sollten uns daher im nächsten Schritt ansehen, was wir alles von außen an das Board anschließen können. Falls du noch nie in irgendeiner Weise mit elektronischen Bauteilen (wie Widerständen, Kondensatoren, Transistoren oder Dioden, um nur einige zu nennen) in Berührung gekommen bist, ist das nicht weiter schlimm. Die benötigten Teile erkläre ich dir ausführlich, so dass du nachher weißt, wie sie einzeln und innerhalb der Schaltung reagieren. Zu Beginn eines Arduino-Bastelprojektes stelle ich, wie schon oben kurz erwähnt, eine Liste mit den erforderlichen Teilen zur Verfügung, mit deren Hilfe du dir diese Dinge besorgen kannst. Zentraler Bestandteil ist natürlich immer das Arduino-Board, das ich nicht immer explizit erwähnen werde.
Falls du dich an dieser Stelle fragen solltest, was wohl ein Arduino-Board kosten mag und ob du nach dieser Investition deinen gewohnten Lebensstil fortführen kannst, kann ich nur sagen: Yep, du kannst! Das Board kostet um die 25€, und das ist wirklich nicht viel. Ich verwende in allen grundlegenden Kapiteln das Arduino Uno-Board. Und auch die anderen Bauteile, die wir in den Bastelprojekten verwenden werden, sind bezahlbar.
Abb. 1: Der Arduino Uno – das Original
Verhaltensregeln
Wenn du dich so richtig im Brass befindest und voll konzentriert bist auf etwas, was dir unheimlich viel Spaß macht, treten folgende Effekte auf:
Verminderte Nahrungsaufnahme, die zu kritischem Gewichts- und besorgniserregendem Realitätsverlust führen kann.
Unzureichende Flüssigkeitszufuhr bis hin zu Dehydrierung und vermehrter Staubentwicklung in der Umgebung.
Vernachlässigung sämtlicher hygienischer Maßnahmen wie Waschen, Duschen, Zähneputzen, verbunden mit erhöhtem Auftreten von Ungeziefer.
Abbruch jeglicher zwischenmenschlicher Beziehungen.
Lass es nicht so weit kommen und öffne ab und zu das Fenster, um zugewanderten Insekten das Verlassen des Zimmers zu ermöglichen und Frischluft und Sonnenlicht hereinzulassen. Um den oben genannten Effekten entgegenzuwirken, kannst du den Wecker stellen, damit du in regelmäßigen Zeitabständen zu einer Unterbrechung deiner Tätigkeit aufgefordert wirst. Ich möchte mich nach der Veröffentlichung dieses Buches nicht mit einer Beschwerdewelle konfrontiert sehen, die von erbosten Partnern oder vernachlässigten Freunden über mich hereinbricht. Sag also nicht, ich hätte dich nicht vor den Risiken gewarnt. Ich wünsche dir nun eine Menge Spaß und viel Erfolg beim Basteln mit deinem Arduino-Board!
Kapitel 1: Arduino: Die Hardware
Wie in der Einleitung erwähnt, wurde das Arduino-Projekt in Ivrea (Italien) an der dortigen Kunsthochschule entwickelt. In einer Kneipe nahe der Hochschule trafen sich gelegentlich Massimo Banzi und David Cuartielles, die 2005 das erste Arduino-Board entwickelten. Die Kneipe war nach Arduin von Ivrea benannt, der um das Jahr 1000 König von Italien war. Arduino ist seitdem die Bezeichnung sowohl für die Software als auch für die Hardware dieses Open-Source-Projektes.
In diesem Kapitel werde ich auf die Arduino-Hardware eingehen. Dabei werde ich auch wichtige Grundbegriffe und -themen erklären, die für die Mikrocontroller-Technik insgesamt von Bedeutung sind. Ich erkläre ausführlich, welche Bauteile zu einem Mikrocontroller gehören. Diese Komponenten befinden sich praktisch in jedem Mikrocontroller-Board, deshalb gehe ich ausführlich darauf ein. Und nebenher frische ich deine Physikkenntnisse ein wenig auf, indem ich einige Grundbegriffe wie Spannung oder Strom behandle.
Ich werde in diesem Kapitel – wie auch im gesamten Buch – mit dem Arduino Uno-Board arbeiten. Das Arduino-Uno-Board war das erste Board, das von den Arduino-Machern entwickelt und produziert wurde. Weitere Arduino-Boards kamen dann später hinzu, die technisch etwas besser wurden. Was bedeutet eigentlich besser? Wenn man sich Kennwerte wie Prozessortakt oder verfügbarer Arbeitsspeicher als Entscheidungskriterium für den Kauf eines neuen Arduino-Boards aussucht, dann gibt es sicherlich Boards, die besser geeignet sind, weil sie schneller arbeiten und größere Programme speichern und verarbeiten können. Doch das ist eben nicht immer besser. Für einen geeigneten Einstieg in die elektronische Bastlerwelt ist das Arduino-Uno-Board eben in meinen Augen die bessere Wahl, weil es sehr robust ist und sehr weite Verbreitung gefunden hat.
Der Arduino Yún beispielsweise ist sicherlich ein interessantes Board, das einiges an Erweiterungen wie das Betriebssystem Linux bietet. Dennoch hat sich das Board in der Bastler- und Hobbywelt nicht so richtig durchgesetzt, vermutlich auch, weil der Raspberry Pi bereits auf dem Markt war, als Arduino Yún erschien. Scheller und mehr ist eben nicht zwangsläufig auch besser.
Dennoch möchte ich einige wirklich gute Arduino-Bords anführen:
Arduino Leonardo
Arduino Mega 2560
Arduino Nano
Die genannten Boards unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Größe und Anzahl der Buchsen, also der Anschlussmöglichkeiten, um mit der Außenwelt in Verbindung zu treten. Des Weiteren haben sie unterschiedliche Prozessoren, Taktfrequenzen und Speichervolumen. Und dennoch arbeiten sie alle nach demselben Prinzip und können durch die einheitliche Arduino-Entwicklungsumgebung angesprochen und programmiert werden. Je nach Anwendungsgebiet und Erfordernissen ist das eine Arduino-Board vielleicht besser geeignet als das andere. Die einen benötigen ein Board mit vielen I/O-Pins und entscheiden sich beispielsweise für den Arduino Mega oder den Due. Andere wählen den Arduino Micro oder Nano aus, denn diese sind recht klein und passen wunderbar in kleine Gehäuse. Sie kommen dort zur Anwendung, wo das Platzangebot beschränkt ist.
Das Universalgenie ist in meinen Augen jedoch der Arduino Uno und er wird es wohl noch eine lange Zeit bleiben. Er bietet eine ideale Plattform für den Einstieg in die Mikrocontroller-Welt. Für ihn finden sich im Internet auch die meisten Tutorials, Projekte und Diskussionen. Steigen die Ansprüche für deine Projekte, ist es kein Problem, sich ein weiteres Arduino-Modell zuzulegen, denn die Preise sind wirklich moderat. Viele Bastler legen sich im Laufe der Zeit mehrere unterschiedliche Boards zu, um darüber auch mehr und mehr Erfahrungen zu sammeln, was in meinen Augen ein ganz normaler Entwicklungsfortschritt ist.
Über die nachfolgenden Links bekommst du Detailinformationen zu den gezeigten Boards:
Arduino Uno: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno
Arduino Mega: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560
Arduino Leonardo: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardLeonardo
Arduino Micro: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMicro
Arduino Nano: https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardNano
Es gibt noch weitere zahlreiche Arduino-Boards und Erweiterungen, die unter den folgenden Adressen zu finden sind:
https://www.arduino.cc/en/Main/Products
https://www.arduino.cc/en/Main/Boards
Kapitel 2: Arduino: Die Software
Wenn ich von Arduino spreche, dann meine ich damit sowohl das Arduino-Board als auch die Arduino-Software, die man braucht, um den Mikrocontroller steuern zu können. In diesem Kapitel wirst du erfahren, wie du die notwendige Software auf deinem Rechnersystem installierst und worauf du alles achten musst, bis das erste Arduino-Programm korrekt läuft. Ich erkläre, wo du was in der Arduino-Entwicklungsumgebung findest. Außerdem erfährst du in diesem Kapitel auch, was im Hintergrund abläuft, wenn du ein Programm auf deinem Arduino ans Laufen gebracht hast. Außerdem sage ich dir, was an Grundausstattung zu deiner Bastelwerkstatt gehören sollte.
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten, dein Arduino-Board anzusprechen: Entweder nutzt du dafür ein Softwareprogramm, das du auf deinem Computer installierst, es ist die Arduino-Entwicklungsumgebung. Oder du verwendest Arduino Create, das ist ein webbasierter Editor, den du über deinen bevorzugten Browser aufrufen kannst.
Alle notwendigen Schritte zur Installation sowohl der lokal installierbaren als auch der Onlinevariante sind im Download-Verzeichnis meiner Interseite zu finden:
die Installation der Arduino-Entwicklungsumgebung in der aktuellen Version
die Einrichtung zur Verwendung von Arduino Create in der aktuellen Version
https://erik-bartmann.de/?Downloads___Arduino
Hinsichtlich des zu installierenden Plug-ins bei der Verwendung des webbasierten Arduino Create handelt es sich nicht um ein Browser-Plug-in, sondern um einen Agenten, der im Hintergrund arbeitet und quasi browserunabhängig seinen Dienst verrichtet. Jeder andere Browser nutzt diesen Agenten und sollte dann darüber eine Verbindung zur Cloud beziehungsweise zum Arduino herstellen können. Dieser Agent wird übrigens nach jedem Neustart des Systems gestartet. Du kannst die Informationen über den Task-Manager einholen, in dem du in den Tab-Reiter Autostart wechselst. Dort ist ein Eintrag mit dem Namen Arduino_Create_Bridge zu sehen:
Abb. 1: Die Konfiguration der Startprogramme unter Windows
Falls du nicht möchtest, dass dieser Agent mit Windows gestartet werden soll, setze den Status auf Deaktiviert.
Arduino-IDE oder Arduino Create?
Wenn du dich für die lokale Installation der Arduino-Entwicklungsumgebung entschieden hast, dann befindet sich dein gesamter Code, inklusive der Bibliotheken, auf deinem Rechner. Du hast also alles vor Ort und kannst direkt darauf zugreifen, ohne dass eine Internetverbindung erforderlich ist. Falls es neue Bibliotheken – das sind bereits erstellte Arduino-Programme – oder neue Versionen von bestehenden Bibliotheken gibt, liegt es in deiner Verantwortung, diese auf den neuesten Stand zu bringen oder sie zu installieren. Du erhältst jedoch Informationen über eventuell vorliegende Updates.
Im Gegensatz dazu bietet die Arduino-Create-Plattform die Speicherung deines Codes in der sogenannten Arduino IOT Cloud, was einen Speicher darstellt, der sich irgendwo in den Weiten des Internets befindet. Aus diesem Grund ist auch eine ständige Internetverbindung erforderlich, da alles über einen webbasierten Zugriff des Browsers abgewickelt wird. Der Vorteil dieser Variante ist natürlich der weltweite Zugriff auf alle Arduino-Ressourcen, also Code und Bibliotheken. Angebotene Bibliotheken werden auf diese Weise zentral auf einem aktuellen Stand gehalten und es ist nicht erforderlich, sich um eine Aktualisierung zu kümmern. Ich schlage vor, dass du beide Varianten testest und dich für die Version entscheidest, die dir am meisten zusagt. Sowohl mit der Arduino-IDE als auch mit Arduino Create ist ein praktisches Arbeiten möglich. Ich verwende in diesem Buch die Arduino-IDE, weil sie mir persönlich besser gefällt und ich nicht gezwungen sein möchte, immer auf eine bestehende Internetverbindung zurückgreifen zu müssen, obwohl das heutzutage ja fast immer gewährleistet ist. Ich bin kein Freund von Cloud-Lösungen, doch das musst du für dich selbst entscheiden.
Was befindet sich wo?
Nach dem Starten der Arduino-Entwicklungsumgebung, die du auf deinem Computer installiert hast, öffnet sich ein Fenster, das aussieht wie in Abbildung 2. Die Arduino-Entwicklungsumgebung ist in einzelne Bereiche unterteilt. Es gibt einen Ein- und einen Ausgabebereich, Steuerelemente, Informationen über die Verbindungsparameter und einiges mehr. Schauen wir uns das im Detail an.
Der Editor
Der Bereich, in dem du deinen Programmiercode eintippst, wird Editor genannt. Er beherrscht das sogenannte Syntax-Highlighting, was besagt, dass erkannte Schlüsselwörter der Programmiersprache meist farbig dargestellt werden.
Statusinformationen
Unterhalb des Editors befindet sich ein schmaler Bereich, der Statusinformationen anzeigt. Das können Hinweise darüber sein, was gerade passiert oder Meldungen der letzten ausgeführten Aktion. Du kannst in Abbildung 2 erkennen, dass ich gerade einen Sketch erfolgreich auf das Arduino-Board hochgeladen hatte.
Abb. 2: Die Bereiche der Arduino-Entwicklungsumgebung
Compiler-Meldungen
Wenn der Compiler, also das interne Arduino-Programm, das deinen Programmcode in eine Maschinensprache übersetzt, die der Mikrocontroller versteht, seine Arbeit zur Übersetzung des Quellcodes verrichtet, erscheinen im Bereich, der schwarz hinterlegt ist, die Meldungen über den Fortschritt oder aufgetretene Probleme und abschließend auch Hinweise über den Speicherverbrauch. Damit der Compiler etwas gesprächiger wird, kann über den Menüpunkt Datei | Voreinstellungen der Redefluss angepasst werden.
Standardmäßig ist hier der Punkt Keine ausgewählt.
COM-Verbindung
Am unteren Rand der Entwicklungsumgebung sehen wir die Verbindungsinformationen, also welches Board sich an welchem COM-Port befindet. Das kann bei Verbindungsproblemen und zur Fehlersuche sehr hilfreich sein.
Tabulatoren
Im Bereich der Tabulatoren befindet sich die Umschaltmöglichkeit zwischen Quellcodes desselben Sketches. Das wird dann interessant, wenn wir später eigene Bibliotheken und Klassen programmieren. Es kann jedoch immer nur ein einzelner Sketch je Entwicklungsumgebung verarbeitet werden. Mehrere unterschiedliche Sketches können nicht in einer einzigen Instanz der Entwicklungsumgebung Platz finden. Das Prinzip gleicht nicht den Tabulatoren innerhalb eines Browsers, der darüber mehrere unterschiedliche und eigenständige Verbindungen verwaltet.
Serial-Monitor
Über das Lupensymbol (es sieht jedenfalls so aus) kann der Serial-Monitor geöffnet werden, der auf die serielle Schnittstelle zugreift, um dann Informationen anzuzeigen oder auch zu versenden.
Menüleiste
Über die Menüleiste können die unterschiedlichsten Anpassungen zur Verwaltung der Anwendung vorgenommen werden, wie man das auch von anderen Programmen kennt.
Symbolleiste
In der Symbolleiste befinden sich einige wichtige Schaltflächen, die mit Aktionen hinterlegt sind, die immer wieder benötigt werden, beispielsweise das Übersetzen (Kompilieren) des Quellcodes, das Hochladen des übersetzten Codes zum Mikrocontroller oder das Laden und Speichern von Sketches.
Der Anschluss des Arduino-Boards
Sehen wir uns nun den Anschluss des Arduino-Boards mit dem Computer genauer an. Der Arduino Uno besitzt auf dem Board den folgenden USB-Anschluss:
Abb. 3: Die USB-Buchse des Arduino
Auf Computerseite wird ein Standardanschluss Typ-A benötigt. Ein entsprechendes Kabel ist überall erhältlich, ich habe davon ganze Kisten voll. Ist die Verbindung hergestellt worden, so übernimmt dieser USB-Anschluss zwei Aufgaben:
Es wird das Arduino-Board mit Spannung versorgt.
Es ermöglicht die Kommunikation zwischen Computer und Board.
Detaillierte Informationen über die verschiedenen USB-Anschlüsse sind unter der folgenden Internetadresse zu finden:
http://de.wikipedia.org/wiki/Universal_Serial_Bus
Wird ein fabrikneues Arduino-Board mit Spannung versorgt, blinkt die auf dem Board befindliche LED (gekennzeichnet mit L) im Sekundentakt.
Abb. 4: Die Onboard-LED L
Das passiert, weil immer ein Basic-Sketch vorinstalliert ist. Wir können die erfolgreiche Kommunikation mit dem Arduino-Board mithilfe dieses Sketches überprüfen, denn die IDE verfügt von Haus aus über zahlreiche vorinstallierte Sketches.
