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Das anwendungsfreundliche Arduino-Starterkit erleichtert den Einstieg in die Welt der Elektronik

Von Art Pini

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Für „Maker“, die sich aneignen wollen, wie man Geräte baut, die ihre Umwelt sensorisch erfassen und auf sie reagieren, gibt es Hunderte von Ressourcen. Nicht-Ingenieuren und Ingenieuren gleichermaßen eröffnet dies eine kreative Subkultur, an der jeder teilhaben kann, um Wissen über die Welt der Elektronik, Steuersysteme, Mikrocomputer, Sensoren und Aktuatoren zu erwerben oder zu vermitteln. Am einfachsten gelingt der Einstieg in diese Welt mit einem Starterkit von Arduino, der Koryphäe auf diesem Gebiet.

Arduino entwickelt und vertreibt Mikrocontroller-Karten und die zugehörige Software an die Open-Source-Hardware und -Software-Community. Diese elektronischen Leiterplatten kombinieren Mikrocontroller und unterstützen Direktzugriffsspeicher (RAM), Nur-Lese-Speicher (ROM) und integrierte Schaltkreise (IC). Damit bilden sie quelloffene Elektronik-Prototyping-Plattformen mit allen Komponenten, die für die Realisierung einer Reihe gut dokumentierter Entwicklerprojekte benötigt werden.

Dieser Artikel bietet eine auf die eigenen Erfahrungen des Verfassers (als Ingenieur) gestützte Einführung in das Arduino-Starterkit.

Das Arduino-Starterkit

Das Arduino-Starterkit enthält alles, was Sie für die Realisierung von 15 Projekten benötigen (Abbildung 1).

Abbildung: Arduino-StarterkitAbbildung 1: Das Arduino-Starterkit kombiniert eine Arduino UNO-Mikrocontrollerkarte mit einer Auswahl an elektronischen Bauteilen und einem 171 Seiten umfassenden „Arduino-Projektbuch“, mit deren Hilfe sich jeder die Welt der interaktiven Elektronik erschließen kann. (Bildquelle: Arduino)

Das Starterkit enthält die bekannte Arduino UNO-Mikrocontrollerkarte, die auf dem Mikrocontroller-IC ATmega328P von Microchip Technology basiert (Abbildung 2).

Abbildung: Arduino UNO-KarteAbbildung 2: Die Arduino UNO-Karte enthält alles, was für die Unterstützung des ATmega328P-Mikrocontrollers benötigt wird. (Bildquelle: Arduino, Anmerkung von Digi-Key Electronics)

Die UNO-Karte verfügt über vierzehn digitale Ein-/Ausgangspins, von denen sechs Pulsweitenmodulation (PWM) zur Steuerung von LED-Helligkeit und Lautstärke unterstützen. Zudem gibt es sechs analoge Eingänge, die durch einen Analog/Digital-Wandler (ADW) mit sukzessiver Approximation und einer Auflösung von 10 Bit bei einer Wandlungsrate von 15 Kilo-Samples pro Sekunde (kS/s) mit voller Auflösung unterstützt werden. Ebenfalls integriert in die Karte ist ein Taktgeber mit eigenem 16-Megahertz-Quarz. Für den einfachen Anschluss an einen Computer gibt es einen USB-Port. Strom kann über den USB-Port oder wahlweise über eine dedizierte Buchse auf der Karte bezogen werden. Die Auswahl der Stromquelle erfolgt automatisch.

Die UNO verfügt zwar über einen eigenen Bootloader für die normale Programmierung, dieser kann aber umgangen werden, sodass der Mikrocontroller über einen ICSP-Header (In-Circuit Serial Programming) programmiert werden kann. Und nicht zuletzt besitzt die UNO-Karte eine Reset-Taste, mit der sie sich bei Bedarf einfach in den Ausgangszustand zurücksetzen lässt.

Der ATmega328P-Prozessor ist ein 8-Bit-Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch, der auf einer erweiterten RISC-Architektur (Reduced Instruction Set Computer) basiert (Abbildung 3). Die RISC-Architektur arbeitet mit Befehlen, die in einem einzigen Taktzyklus ausgeführt werden, was sich in einem sehr hohen Ausführungsdurchsatz niederschlägt.

Funktionsblockdiagramm des 8-Bit-Mikrocontrollers ATmega328P von MicrochipAbbildung 3: Funktionsblockdiagramm des 8-Bit-Mikrocontrollers ATmega328P von Microchip, der in der Arduino UNO zum Einsatz kommt. Er hat eine RISC-basierte Architektur mit schneller Befehlsausführung in einem Zyklus. (Bildquelle: Microchip Technology)

Der ATmega328P verfügt über einen integrierten Speicher in Form von nicht flüchtigen Speichersegmenten, einschließlich 32 KB Flash-Programmspeicher, 1 KB EEPROM (elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lese-Speicher) und 2 KB SRAM (statischer RAM). Der ATmega328 auf der Arduino UNO ist mit einem Bootloader vorprogrammiert, mit dem ein Benutzer neuen Code hochladen kann, ohne dafür einen externen Hardware-Programmierer zu benötigen. Der Bootloader belegt im Flash-Programmspeicher 500 Byte. Der Chip verfügt über mehrere serielle Datenschnittstellen, darunter einen UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI) und eine zweiadrige Schnittstelle, die auch als I2C-Bus (Inter-Integrated Circuit) bezeichnet wird.

Das Arduino-Starterkit ist in fünf verschiedenen Sprachen erhältlich. Es enthält die Arduino UNO-Mikrocontroller-Karte und alle Komponenten, die für 15 verschiedene Projekte benötigt werden. Der Benutzer wird mit einem 171-seitigen Arduino-Projektbuch durch diese Projekte geführt. Das Buch behandelt sowohl die hardware- als auch die software-seitigen Aspekte der Verwendung der Arduino UNO als Hirn für alle Projekte.

Verständliche Erläuterung von Geräten und Terminologie

Eines der Probleme, vor denen Anfänger beim Einstieg in die Welt der Elektronik und Programmierung häufig stehen, ist ihre mangelnde Vertrautheit mit den betreffenden Geräten und Begriffen. Das Arduino-Projektbuch trägt diesem Problem Rechnung, indem es zunächst eine Anleitung zu den verschiedenen Teilen des Kits bietet, die 134 elektronische Bauteile sowie die Arduino UNO-Platine umfasst. In diesem Abschnitt wird jeder Bauteiltyp bildlich dargestellt und seine Funktion erläutert. Der Abschnitt endet mit der Darstellung der Schaltplansymbole für sämtliche Teile.

Weil sich Neueinsteiger vielleicht nicht mit elektronischen Prototyping-Karten oder Steckplatinen auskennen, wird in einem Abschnitt des Handbuchs beschrieben, wie die mitgelieferte Steckplatine ein lötfreies Verbindungsverfahren für die Bauteile bietet. Es werden die Leiterbahnmuster auf der Steckplatine gezeigt und erklärt, wie die Energiebusse verlaufen. Das erleichtert den Einstieg in die Arbeit mit der Prototyping-Karte des Kits enorm.

Der allgemeinen Teilebeschreibung im Projektbuch folgt eine Übersicht über das UNO-Kartenlayout, bei der die Anschlüsse, Anzeigen und interaktiven Schalter der Karte im Vordergrund stehen. In diesem Abschnitt werden die in den folgenden Abschnitten verwendeten Hardware-Begriffe eingeführt.

Der nächste Abschnitt enthält grundlegende Anweisungen zum Einrichten der Arduino-Software unter Windows, iOS oder Linux. Als primäre Software wird die Arduino IDE (Integrated Development Environment - Integrierte Entwicklungsumgebung) verwendet, die sich von der Arduino-Website herunterladen lässt. Die IDE ist die Software-Umgebung, die für das Erstellen von ausführbarem Code verwendet wird, der auf die Arduino-UNO-Karte geladen werden kann.

Projekte starten

Nach dem Laden der IDE-Software werden in der Anleitung die Schritte zum Herstellen der Kommunikation zwischen dem Hostcomputer und der UNO-Karte über eine USB-Verbindung beschrieben. Referenzlinks zum Arduino-Abschnitt zur Fehlerbehebung und zum IDE-Referenzabschnitt werden für den Fall bereitgestellt, dass Schwierigkeiten auftreten. Ab diesem Punkt kann der Benutzer Projekte starten.

Jedes Projekt enthält detaillierte Anweisungen zur Auswahl der erforderlichen Bauteile (mit projektspezifischen Abbildungen als „Zutaten“) und zum Zusammenschalten dieser Bauteile auf der Prototyping-Karte. So heißt Projekt 02 beispielsweise „Spaceship Interface“. Hier werden ein Schalter und drei LED so zu einem „Bedienfeld“ verdrahtet, dass mit dem Drücken des Schalters festgelegt wird, welche Aktion die LED ausführen. In jeder Projekteinführung im Handbuch ist die geschätzte Zeit für die Fertigstellung des Projekts angegeben – in diesem Fall 45 Minuten. Die „Zutatenliste“ für Projekt 02 enthält einen Drucktastenschalter, drei LED, drei 220-Ω-Widerstände und einen 10-kΩ-Widerstand. Der Schaltkreis wird mit zugeschnittenen und abisolierten Drahtbrücken auf der Prototyping-Steckplatine verdrahtet. Eine Seite in diesem Abschnitt vermittelt dem Neueinsteiger, wie die Farbcodes von Widerständen bei künftigen eigenen Projekten zu lesen sind.

Abbildung 4 zeigt die verdrahtete Schaltung zusammen mit den Abbildungen des Projektbuchs. Im Projektbuch ist die Verkabelung im Bild- und Schaltplanformat dargestellt. Indem er beide Bilder vergleicht, lernt der Benutzer schnell, wie die Schaltplansymbole und die Verbindungen zwischen den Bauteilen zu interpretieren sind.

Abbildung: Im Projektbuch enthaltene Verdrahtungsanweisungen (zum Vergrößern anklicken)Abbildung 4: Die Verdrahtungsanweisungen im Projektbuch und die tatsächliche Verdrahtung der Prototyping- und UNO-Karte. Die Anweisungen erscheinen sowohl in bildlicher als auch in schematischer Darstellung. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Die letzte Phase des Prozesses ist die Softwareseite dieses Projekts. Mikrocontroller wie der ATmega328P auf der Arduino UNO arbeiten mit sehr einfachen Programmierbefehlen, die als Maschinencode bezeichnet werden. Dieser Code besteht im Grunde aus einer Reihe von Binärzahlen, die die interne Hardware steuern. Dazu muss jedoch keine Software von Hand in Maschinensprache geschrieben werden. Die Programmierung erfolgt in einer übergeordneten Sprache, die in mehreren Schritten in Binärbefehle übersetzt wird, die der Mikrocontroller interpretieren kann. Das vereinfacht das Programmieren erheblich. Als Tool wird dafür die bereits erwähnte, integrierte Arduino-IDE genutzt.

Projekt 02 enthält Anweisungen zum Softwarecode, die von Arduino als „Sketches“ (Skizzen) bezeichnet werden. Jeder erforderliche Schritt in der Skizze wird durchlaufen und es wird erläutert, was die codierten Anweisungen bewirken (Abbildung 5).

Abbildung: Programm oder „Skizze“ für Projekt 02 im Arduino-IDE-ProgrammeditorAbbildung 5: Programm oder „Skizze“ für Projekt 02 im Arduino-IDE-Programmeditor (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Der Benutzer kann den Code entweder manuell eingeben oder ihn aus dem Datei-Aufklappmenü herunterladen (Abbildung 6).

Abbildung: In der Arduino-IDE sind Skizzen für alle Projekte verfügbar.Abbildung 6: In der Arduino-IDE sind Skizzen für alle Projekte verfügbar. Der Benutzer kann diese auswählen oder den Code auf Wunsch manuell eingeben. (Bildquelle: Digi-Key Electronics)

Wenn die Eingabe des Codes abgeschlossen ist, kann dieser mit dem Eintrag „Verify/Compile“ (Überprüfen/Kompilieren) im Aufklappmenü „Sketch“ in der IDE-Oberfläche kompiliert werden. Der Compiler überprüft den Code auf Syntax- und sonstige Fehler. Die IDE-Oberfläche zeigt an, wenn die Kompilierung abgeschlossen ist und der Code in den Flash-Programmspeicher auf der UNO-Karte geladen werden kann. Die Ladefunktion kann auch über das Aufklappmenü „Sketch“ gestartet werden. Sobald die UNO-Karte programmiert ist, müsste ihre grüne LED aufleuchten. Bei Drücken des Drucktasters erlischt die grüne LED und die roten LED blinken abwechselnd.

Hinter diesen einfachen Schritten steckt viel Programmier-„Magie“ – wie das Assemblieren, Verlinken und Laden beim Übersetzen der höheren Befehle für den Betrieb des Mikrocontrollers in Binärcode. Der Neueinsteiger wird dieses Wissen mit der Zeit und seiner wachsenden Erfahrung erwerben. Für den Einstieg wird es jedoch nicht benötigt.

An dieser Stelle werden dem Benutzer im Projektbuch einige Fragen dazu gestellt, wie das Programm modifiziert werden kann. So wird der Benutzer aufgefordert, mit der Skizze zu experimentieren. Mit jedem neuen Projekt steigt die Komplexität der Schaltkreise und Programme und wächst das Wissen des Benutzers.

Fazit

Mit seiner Open-Source-Prototyping-Plattform, einer Vielzahl elektronischer Bauteile und benutzerfreundlicher Software bietet das Arduino-Starterkit alles, was Ingenieure und versierte Tüftler für den Einstieg in die Welt der Elektronik benötigen.

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Über den Autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini ist ein aktiver Autor bei Digi-Key Electronics. Seine Abschlüsse umfassen einen Bachelor of Electrical Engineering vom City College of New York und einen Master of Electrical Engineering von der City University of New York. Er verfügt über mehr als 50 Jahre Erfahrung in der Elektronikbranche und war in leitenden Positionen in den Bereichen Technik und Marketing bei Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek und Nicolet Scientific tätig. Er hat Interesse an der Messtechnik und umfangreiche Erfahrung mit Oszilloskopen, Spektrumanalysatoren, Generatoren für beliebige Wellenformen, Digitalisierern und Leistungsmessern.

Über den Verlag

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