Kapitel 1: Arduino-Plattform

Das Arduino-Projekt? hat sich aus einem internen Universitätsprojekt zu einer weltweit verbreiteten Plattform für die Ausbildung und den Hobbybereich entwickelt. Seit dem Start des Projekts vor über zehn Jahren ist der Begriff »Arduino« quasi der Startschuss für den immer noch anwährenden Maker-Boom.

Makerspaces, Vereine und Einrichtungen für Ausbildung und Hobby bieten Kurse und Workshops an. Tausende von Bastlern haben ihre Projekte online dokumentiert oder bieten Video-Anleitungen auf bekannten Streaming-Plattformen an.

Mit Recht kann man sagen, dass das Arduino-Projekt-Team mit seinem kleinen Board bei vielen jungen Menschen das Interesse für das Thema Technik geweckt hat.

Seit dem ersten Arduino-Board sind etliche neue Modelle auf den Markt gekommen. Einige Modelle haben sich nicht durchgesetzt, andere haben sich zum Standard entwickelt.

Im Herbst 2016 haben sich die Mitglieder des Kern-Teams des Arduino-Projekts nach einem über zwei Jahre dauernden Clinch wieder versöhnt. An der World Maker Faire in New York wurde die Wiedervereinigung bekannt gegeben und bis Ende 2016 soll eine gemeinnützige Arduino-Foundation? gegründet werden.

Dank der vielen Bastler, Maker und Programmierer entstehen laufend neue Projekte, Bibliotheken und Funktionen für das Arduino-Board, die anschließend von den Anwendern weltweit verwendet werden.

1.1  Das Arduino-Board

Das Arduino-Board ist eine Leiterplatte? mit aufgelöteten elektronischen Bauteilen. Die zentrale Komponente oder das Gehirn des Boards ist der schwarze Baustein oder »Chip«, der Microcontroller?. Der Microcontroller führt die Arduino-Programme?, Sketche? genannt, aus und verarbeitet die Eingangs- und Ausgangssignale. Das auf den Arduino hochgeladene Programm wird im internen Flash-Speicher gespeichert.

Das Arduino-Board? wird über den USB-Anschluss oder über ein externes Netzgerät mit Spannung versorgt.

Arduino Uno

In Abbildung 1.1 ist das Standardboard der Arduino-Baureihe, Arduino Uno genannt, zu sehen.

Abb. 1.1: Arduino Uno (Quelle: arduino.cc)

Das Modell Arduino Uno?, Rev. 3 ist momentan das Standard-Board und wird als Basis für die Experimente und Projekte in diesem Buch eingesetzt.

Auf dem Arduino Uno sind verschiedene Stecker und Anschlussbuchsen montiert, die unterschiedliche Funktionen ausführen.

Abb. 1.2: Arduino Uno - Anschlussmöglichkeiten

Die rot markierten Anschlussmöglichkeiten aus Abbildung 1.2 haben folgende Funktionen:

• Stecker für Stromversorgung

  Der 2,1-mm-Anschluss, in der Praxis auch Jack-Adapter? genannt, dient zum Anschluss eines externen Netzgeräts oder einer Batterie zur Stromversorgung. Erfolgt die Spannungsversorgung? über diesen Anschluss, wird die Stromversorgung über den USB-Anschluss elektronisch deaktiviert.

  Falls zusätzliche Energie für die Versorgung von angeschlossenen Sensoren, Motoren oder Relais benötigt wird, empfiehlt sich der Einsatz der Spannungsversorgung über diesen Stecker.

• USB-Anschluss

  USB-Anschluss? (Typ B) für die Kommunikation des Arduino-Boards mit dem angeschlossenen Rechner. Über den USB-Anschluss wird ein Arduino-Programm auf das Arduino-Board geladen. Gleichzeitig kann über diesen Anschluss das Board mit Spannung versorgt werden.

• Reset-Taster

  Durch Betätigung des Reset-Tasters kann der Microcontroller auf dem Arduino-Board zurückgesetzt werden.

• Digitale Ein/Ausgänge? D0 bis D13

  Über die obere Reihe der Buchsenleisten können die digitalen Ein- und Ausgänge D0 bis D13 angesteuert werden.

• ICSP

  Die 6-polige Stiftleiste mit der Bezeichnung ICSP? (In-Circuit Serial Programming?) wird für die Programmierung mit einem externen Programmieradapter verwendet.

• Analoge Eingänge? A0 bis A5

  Buchsenleiste für den Anschluss von sechs analogen Eingangssignalen. Die Eingangssignale dürfen im Bereich von 0 bis 5 Volt liegen.

• Power-Signale

  Buchsenleiste? mit den Spannungsversorgungen 3,3 V und 5 V. Über diese Buchsenleiste werden meistens die externen Sensoren und Schaltungen auf dem Steckbrett mit Spannung versorgt.

  Die technischen Daten des Arduino-Boards sind in der nachfolgenden Tabelle 1.1 aufgelistet.

Bezeichnung

Detaildaten

Microcontroller

ATmega328

Spannungsversorgung

6-20 VDC (empfohlen 7-12 VDC)

Betriebsspannung

5 VDC und 3,3 VDC (intern über Spannungsregler generiert)

Digitale Ein-/Ausgänge

14 (D0-D13, davon 6 als PWM?-Ausgänge)

Analoge Eingänge

6 (A0-A5), Auflösung 10 Bit

Strom pro digitalem Pin

20 mA DC

Flash Memory

32 KB (ATmega328), wobei 0,5 KB vom Bootloader belegt werden

SRAM?

2 KB (ATmega328)

EEPROM?

1 KB (ATmega328)

Taktfrequenz

16 MHz

USB-Schnittstelle

ja

Resetschalter

ja

Onboard-ICSP-Stecker

ja

Abmessungen Board (L x B)

70 x 53 mm

Tabelle 1.1: Arduino Uno - technische Daten

Arduino-Modelle

Neben dem Arduino Uno sind im Arduino-Projekt weitere Arduino-Boards verfügbar, die zusätzliche Funktionen oder andere Bauformen aufweisen. Zu erwähnen sind dabei die Modelle:

• Arduino Mega? - Arduino-Board mit bis zu 54 digitalen Ein- und Ausgängen

• Arduino Zero? - Arduino-Board mit 32-Bit-Microcontroller

• Arduino Mini? - Arduino-Board mit ATmega328 und kleiner Bauform

• Arduino MKR1000? - kompakter Arduino Zero mit WiFi-Anschluss

Alle originalen Modelle der Arduino-Familie sind über die Arduino-Website erhältlich.

Arduino-kompatible Boards

Auf dem Markt gibt es neben den originalen Arduino-Boards eine große Anzahl an Arduino-kompatiblen Boards. Diese Modelle basieren auf der gleichen Technik wie die originalen Boards und haben oftmals die gleichen Abmessungen wie die Originale. Diese sogenannten Arduino-Clones? unterscheiden sich durch die Farbe der Leiterplatten, Anschlussstecker und die Boardbezeichnung.

Auf Online-Plattformen und in den großen asiatischen Online-Shops gibt es aber auch viele Boards, die als Originale angeboten werden, obwohl dies Kopien sind.

Die Entwicklung und der Verkauf von Arduino-kompatiblen Boards durch Maker und Bastler wird vom Arduino-Projekt unterstützt, solange diese Boards eindeutig als Arduino-Clones erkennbar sind.

1.1.1  Praxisbeispiel: Arduino-Minimalschaltung

?Für einfache Anwendungen oder Testaufbauten kann sich jeder Maker sein Arduino-Board auf einem Steckbrett aufbauen. Die minimalste Schaltung für ein Arduino-Board benötigt nur etwa zehn Bauteile.

Die minimale Schaltung des Arduino zeigt der Stromlaufplan aus Abbildung 1.3. Bei dieser Minimalschaltung ist zu beachten, dass keine Spannungsregelung vorhanden ist. Die Spannungsversorgung muss von einem externen Netzteil oder von einem USB-Anschluss mit stabilen 5 V geliefert werden.

Der Programmupload über den USB-Anschluss erfordert zusätzlich einen externen FTDI-Adapter. Ein FTDI-Adapter? ist ein USB/Seriell-Wandlermodul, das auf einem Arduino Uno standardmäßig integriert ist. Die Minimalschaltung kann ohne diesen Wandler nicht direkt über das USB-Kabel mit dem Rechner verbunden werden.

Abb. 1.3: Minimalschaltung Arduino

Stückliste (Minimalschaltung Arduino)

• 1 Microcontroller ATmega328 mit Arduino Bootloader (IC1)

• 1 Quartz 16 MHz (Q1)

• 1 Widerstand 10 kOhm (R1)

• 2 Kondensatoren 22 pF (C2, C3)

• 2 Kondensatoren 100 nF (C1, C4)

• 1 Reset-Taster (S1)

• 1 Stiftleiste 6-polig (Stecker FTDI)

• 1 Steckbrett

• Jumper-Wire

In Abbildung 1.4 ist der Aufbau auf dem Steckbrett dargestellt.

Abb. 1.4: Arduino-Minimalschaltung - Steckbrettaufbau

1.2  Entwicklungsumgebung (IDE)

?Neben dem...