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Das Action Buch für Maker - Bewegung, Licht und Sound mit Arduino und Raspberry Pi - Experimente und Projekte PDF

362 Pages·2016·35.27 MB·German
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. 1er Zu diesem Buch- sowie zu vielen weiteren dpunkt:büchern können Sie auch das entsprechende E-Book im PDF-Format pu herunterladen. Werden Sie dazu einfach Mitglied bei dpunkt.plus+: PDF. www.dpunkt.de/plus Simon Monk Das Action-Buch für Maker Bewegung, Licht und Sound mit Arduino und Raspberry Pi - Experimente und Projekte dpunkt.verlag SimonMonk Lektorat: Dr. Michael Barabas Fachgutachter: Duncan Amos Aktualisierungen: Maik Schmidt Copy-Editing: Ursula Zimpfer Übersetzung & Satz: G&U Language & Publishing Services GmbH, www.gundu.com Herstellung: Nadine Thiele Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, www.exclam.de nach der Originalvorlage von No Starch Press Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn 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. ISBN: Print 978-3-86490-385-4 PDF 978-3-96088-027-1 ePub 978-3-96088-028-8 mobi 978-3-96088-029-S 1. Auflage 2016 Copyright© 2016 dpunkt.verlag GmbH WieblingerWeg 17 69123 Heldeiberg Authorized Germantranslation of the English edition of Make: Action ISBN 9781457187797 © 2016 Simen Monk, published by Maker Media lnc. This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, lnc., which owns or controls all rights to sell the same. Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. Die Verwendung der Texte und Abbildungen, auch auszugsweise, ist ohne die schriftliche Zustimmung des urheber rechtswidrig und daher strafbar. Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigung, oder die Verwendung in elektronischen Systemen. Es wird darauf hingewiesen, dass die im Buch verwendeten Soft-und Hardware-Bezeichnungen sowie Markennamen und Produktbezeichnungen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen warenzeichen-, mar ken-oder patentrechtlichem Schutz unterliegen. Alle Angaben und Programme in diesem Buch wurden mit größter Sorgfalt kontrolliert. Weder Autor noch Verlag können jedoch für Schäden haftbar gemacht werden, die in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen. 5 4 3 2 1 0 V Inhalt 1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Arduino und Pi .. . ..... . . . . . .... ... ........... ..... . . . . ... . .. .. 1 Der Raspberry Pi .. . ... . . . . ..... .. .... . . . . ... . . .. . . .. . .. . ... 1 Der Arduino .. . .. . ... . . . . .. . . .. . ... ... .. . . . . . . .. ... . . . . . .. 4 Welches Gerät- Arduino oder Pi? . .. . . .. . .. ... .. . . . ....... . . . .. 5 Alternativen .. . . . .... . . .. . .. ..... .. . . .. . . . .. .. .. . .. ... . . .. 6 Zu amn1enfassung ... .. . .. ... . ... . .... .. . . ........ ..... ... .. .. .. 8 2 Der Arduino .......................................................... 9 Was i t ein Arduino? . . . . .. .. ..... .. . .. . ... . .. ......... ...... . . . . 9 Die Arduino-IDE installieren .... .... ... ... . .. . ..... .... . .... . . . .. 11 Sketche hochladen . . . ..... . . . . . . . .. . . ... ... .. . .. . . .... . . . .. 13 Der Code zu diesem Buch . ... . . .. ...... . ... .. ......... . .... . .... 14 Programmierleitfaden . ... . ..... . .. ...... .... .... .. ..... .. .. .. .. 15 Setup und loop . . ... . . . . . .. ... ... .... . . . . .... . . . .. ........ 1- Variablen ... . . . .. ... . . .. . . .... ..... . ... .. .. . . . ......... . 16 Digitale Ausgänge . .. ..... . . . . . .... . . . . .. .... . . ... .... . . .. . 16 Digitale Eingänge .... . .. . . . ... .... . . .. .... . . .. ..... ... . ... 17 Analoge Eingänge .. . ... . ... ... .... . . . . .. .. . .... .......... . 19 Analoge Ausgänge . ........ .... .... . . . . .. ... .. ............. 20 If/else . . .. . .... ... .. . .... . . . .. . ........................ . 21 Steuerschleifen .. . .. .. . . . . .... . . . . . . .. .. .. ..... . ... ....... 22 Funktionen ... . . . . ... ..... ...... .... . .. ........ . . . .. . .... 23 Zu an1n1enfassung ..... .. .. ........ ." . ........ . ... ..... .. .... ... 25 3 Der Raspberry Pi ..................................................... 27 Was i.st ein Raspberry Pi? ...... . . . . . . . . .. ..... .... . .......... ... 27 Den Raspberry Pi einrichten . ... .. . ..... . .. . .. . .. . . .... ....... . . . 29 Eine Micro-SD-Karte mit NOOBS vorbereiten ..... . .. .. . . . . .. .. . 30 SSH einrichten ........ . . ............ .. . .. . ... . . . .. . ...... 31 SSH auf einem Windows- omputer . . .. .. ... ... . . . . . ... . ...... ~ 3 SSH auf Mac und Linux ... .. .. ..... . .. . .. . .. ... .. . . .. .... . . 34 vi Inhalt Die LimLx-Befehl zeil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Der ode zu diesem Bu h ..... .... . ................. . ....... .... 37 Programmierle.itfaden . ...... .... . .. .... .... . ............... .. .. .J 7 Hello, World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Tabulatoren und incückungen ..... . ... .. . ........ . . . . .. ..... 38 ariablen .. ............... . .. . .... . ... .. . . ..... .. ....... 39 If while u w ..................... . ...... . ....... . .... ..... 3 Die Bibliothek RPi. PI . . . ...... ................. .. . . ..... 40 Der GPIO-Header . ... ....... . ... . ........ . ...... . ....... .. 40 Digjrale Au gäng .. . .. .. ...... .......... .. ... .... ..... . . . . 41 Digitale Eingänge . .. . . .... ....... .. ....... . ... . ... ... ..... 42 Analoge Ausgänge . . ......... . . . ....... . . ......... ... ..... . 42 Zu amn1enfas un(T . .... ..... .... . . . .... ......... .. ...... .. . ... . 42 4 Schnelleinstieg ...................................................... 43 reckbrerter . ... .. .. ........... . .... ..... . . . ....... ... ..... .. . 4" Wie funktioniert ein teckbrett? ......... ..... .. .. . .. . ...... . . 45 Ein Steckbrett an den rduino anschließen .. .. .............. . . .. 45 Ein Steckbrett an den Raspber.ry Pi an chließen ... ... . ......... .. 46 Die Software herunterladen . ... .. ... .... . ........... .. ... . ... . . .. 47 Experiment: Eine LED r uern ... ..... . . . . ................. ...... 4 7 Srückli te .... . . .... . ... .. ...... ...................... . . .. 48 Schaltungsaufbau .... .... . . . .. ..... .. .. . ..... . . .. ..... . .. . 48 Verbindungen mit dem Arduino . .... .... ........ ........... . . 49 Die Software für den Arduino .. . ............................. 50 Experimentieren mir dem Arduino .. . . ... .. ......... . . .... .. .. 50 Verbindungen mit dem Raspberry Pi . ..................... .. . .. 51 Die Software für den Raspberry Pi .................. ... . .. .. .. 52 Experimentieren mit dem Raspberry Pi . ... . . .................. . 54 Der Code im Vergl ich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Experiment: Einen oror teuern ... ............... . ...... .... ... 55 rückli te . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -6 Schaltung aufbau ............. .. . .. . .......... .. . ... ...... 56 Experimentieren ohne Arduino und Ra pb rry Pi .............. ... 57 Verbindungen mit dem Arduino ... .. .... .. ...... .......... . . . 58 Experimentieren mit dem Arduino . .... ....... . ... .. . .. . .... .. 59 Verbindungen mit dem Ra pberry Pi .. . .......... . ...... ... .... 59 Experimentieren mit dem Raspb rry Pi .. .. .......... . .... .. . ... 5 Zusammenfas ung . .. . .. . . . ... . . . ...... . .. . .. .......... ... ..... 60 Inhalt vii 5 Grundlagen der Elektronik ........................................... 61 Srr m tärke, Spannung und Wicl rsrand ........................ .. .. 61 Stromstärke . . .. ......... . ...... . . . . . ................. .. .. 61 pannung ...... . ....... . . . . .. . ...... . .. .. .... .. .. .... . . . 63 Mas .. .... . .... ... . . . . .... ... ...... .. .......... .. ..... 63 Widerstand ..... ... ...... . . .. ... .... . ........ . . ..... . . ... 63 ei rung ......... ........ ..... .... ..... .. . . . .... .. .... . .. . . . 64 Häufig verwendete Baut ile . ... .... . . ... ...... ... . . .. . .... . .. . ... 65 Wid r tände .......... . .. .. ....... . . . .... . . . ....... . ... . . 65 Transi toren . ... . .......... . . .. ............. . . .......... . 66 Dioden .......... . .. .. .... ... ..... ............ . ..... . .. . 73 LEDs ................. . . .... ........ ....... . .. ....... ... 73 K ndensatoren ......... ...... .. ... .... . ... . ..... . . . . .. ... 74 [ntegrierte Schalrkrei e (1 ) ... ..... ...... .. ............. ... . 74 Da kleine Einmaleins der n chlü se . ... ... ... ........... .. .. . .... 74 r Digitale Ausgänge .. .... ....... .. .. .. ................... . .. Digitale Eingänge .. . . ... . ..... .................... . ..... .. 7- Ana Ioge Eingänge .. . .. . . .. .... .. ................ .......... 75 Analoge Ausgänge .... .. ......... . . .. ..... ......... ... . . . .. 76 Serielle Kommunikation . . .. . ... . ............... .. .. .. .. . .. . 76 Zu ammenfassung ... . . ... . ..... .. ...... . .. . ... . .. ... . . . .... .. . 76 6 LEDs ................................................................ 77 Herkömmliche LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Die rrom tärke begrenzen . .... . ........ . ........ ......... ... ... 7 Pr jekt: mpel ............ . .... .. ... ... .. .. ... . ... .... . .. . . .. 80 rückliste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 ·rundkonstruktion . ... ..... ... . .... . . . .. .. ... ....... .. ... . 81 erbindungen mit dem rduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Die oftwarefür den rduino .. .... . .. . .... ..... .. ........... 82 erbindungen mit dem Ra pberry Pi . ... ... . ... . . . .. . . . . .. .... . Die ofrware für den Ra pberry Pi . .. ... . . ......... ........... 84 P M für LED ................................... ..... ....... 85 R B-LED . .... ....... .. .. . .. . .. ... ..... .... .. . ... .. .. .... . . 86 Experiment: Farben mi eben .. .. ..... . ...... ...... . .. . . .. .. . .. .. 87 Die Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 rückli re . ....... .. . .................. ................... 8 V rbindungen mit d m rduin frv ar für den rduin -- viii Inhalt Experimenti r n mit dem Arduino .. . ... . .. ... .. . ... ..... ... . . 90 Verbindungen mit dem Ra pberry Pi ..... ....... .. ........... .. 91 Die Software für den Raspberry Pi . . . .... ..... .... . .. ..... .... 92 Experimentieren mit dem Raspberry Pi ... . . ..... .. .. .. . .... .. .. 9" Zusammenfa sung . ......... ... . .... ... . . ... ................... 94 7 Motoren, Pumpen und Aktaren ....................................... 95 Drehzahlregelung (P\ M) . ..... . ................. ............. .. 97 Experiment: Die Dr hzahl ine Gleichstramm ror regeln . .. .......... 97 Die Hardware ... ... .. . .. .. ... ...... .... .. . . . . .. .... . ..... 97 Verbindungen mit dem Arduino .............. . .. . .... ... ..... 97 Die Software für den Arduino .......... .. ... ... . ....... .. .... 98 Experimentieren mit dem Arduino . ... ......... ........ .. .... 100 Verbindungen mit dem Raspberry Pi ........... ....... ....... . 100 Die Software füT den Raspberry Pi ......... .. ...... . . ... .... . 100 Experimentieren mit dem Raspberry Pi ... ..... ........ .... ... . 102 Gleichstrommotoren über ei11 Relais steuern .................. .... . . 102 Ein Relais mit dem Arduino oder dem Raspberry Pi schalten ....... 104 Relaismodule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 5 Experiment: Einen Gleichstrommotor über ein Relaismodul steuern .... . 106 Stückliste ... .... . .... .. .... .................... .. ...... . 106 Verkabelung ...... . .. . . ... .. ... ........... . . . . .... . . .... 107 Die Software für den Arduino ... ............................ 107 Die Software für den Raspberry Pi ......... ... .... . ... .. . .. .. 108 Einen Motor au wählen ... . . . . ...... ........ . .. ...... ....... . . 109 Drehmon1ent ... ... .. .......... ........... ........ .. . . .. . 109 Drehzahl ....... ... .. .. . . ......... ......... ............. 110 Getriebe ...... .. ...... .. ... .. ............ .. ....... .... . 110 Getriebemotoren ..... ... .. ... . . .. . ....................... ] 11 Pumpen . . . . . ................ . . . ... ...... . .............. . . . . 111 Peristalti ehe Pumpen .... ..... . .. ... ... ... ................ 112 Kreiselpumpen ... .............. ... .............. .. .. ... . 113 Projekt: Arduino-Bewä serungsanlage für Zimmerpflanzen . . ... . ...... 114 Grundkonstruktion ...... ........ .. .... .. .......... . .. .. .. 114 Stückliste .. ... . ... . . ........ . . .... ........... ........... 115 Zusammenbau ..... . ... .......... ... ..... .... ..... . ..... 116 Die Softwar ... .. .. .... .. ...... .. ... .. ... .. ........... . . 118 Das Projekt verwenden .... ......... . ... ........ ... ... . . .. . 120 Inhalt ix inearaktoren ...... . .. . . ... .... . . . .. . . .. ... ....... .. ..... ... 121 Magnetventile . ....... . ..... .......... ............... . . .. .. .. 122 Zusammenfassung .... .. ...... .. ... ....... .. ... . .. .. .. . ... .. .. 124 8 Motorsteuerung für Fortgeschrittene ................................ 125 H-Brücken ... . .. ...... . . . .. ... .... . ......................... 126 H-Brücken auf einem Clüp ............. . . .... ... . .. . . ....... . .. 127 perimem: Drehrichwng und DrehzahJ eines Motors st uern ....... .. 129 tücJJjste . . . .. .. .. ........... ... ...... .. .. . ... .... . . .... 130 Grundkonstruktion . . ... .... ... .. . ...... ... .. .... . . ....... 131 Schaltungsaufbau ... .... . .... ...... ...... . ........... . ... 132 Experimentieren ..... . . . .. . . . . .. . . . . ............ .... . .... 133 Verbindungen mit dem Arduino ...... . .. ...... . ....... .. . ... 135 Die Software für den Arduino ..... ... .. .... ... . .. . . . ...... . . 136 Experimentieren mit dem Arduino .. . . . . ..... ............ ... . 138 Verbindungen mit dem Raspberry Pi ...... ........... .. . ..... . 139 Die Software für den Raspberry Pi ... .. .. ... .. . . ... ...... .... 139 Experimentieren mit dem Ra.spberry Pi . .... . . .... . .... . . ... ... 141 Andere H-Brücken-ICs . . .... ...... ..... ... ..... .. .. . ....... . .. 142 L298N. . .... . . . ............ .. ........ .... ... ... .. . ... .. 142 TB6612FNG . .... .. ... .. . . .. . . . . . ... ... ......... .. . ... .. 146 I-I-Brücken-Module .. .. ... . . . . ...... .. ... ... . ..... ..... ....... 146 Projekt: Arduino-Getränkedo enpresse ..... .... . .. .. . . ........... 148 tückli te .. .... . . ....... ... . . ..... ... .... .. . . ... .. ..... . 149 Verkabelung ... .. ... .... . . ... . ... .... .. ... . .... . . ... . .. . 149 Mechanische Konstruktion ... .... . . ...... .. ............ . ... 150 Die Software für den Arduino . . . .. . . .... . . . ........ .. ... .... 150 Zu a mmenfassung ...... . . . .. . ........... ... .. ............. ... 152 9 Servomotoren ...................................................... 153 Ver chieden.e Arten von Servomotoren .... ...... . . ... .. . .. . ....... 153 Servomotoren steuern ... ... . ........ ... .. . .... .. . . .. ... . . . 155 Experiment: Die Stellung ein Servomotors steuern . ........ ...... ... 15 ~ Die Hardware .. . .... .. ........... . . ... ... ..... .. . .. . . . . . 156 Stückliste ..... .. .. .. .. ... .. . ....... . . . ... ............ ... 157 Verbindungen mit dem Arduino .... .. . .. . . .. . ... ... .... . . ... 157 Die Software für den A.rduino . .. ....... . . . ... .......... .. ... 15 Experimentieren mit dem Arduino .. .. ... . . . . . . ...... . ... .... 160 Verbindungen mit d m Raspberry Pi ..... . . . . . .. ... ... ... .. ... 160 X Inhalt Die Sofn arefür den Ra pberry Pi ..................... . ..... 161 Experimenti renmit d m Ra pb rry Pi .... ... . .. .. . . . . ........ 162 Projekt: Pepe, die tanzende Ra pberry Pi-Marionette . . ..... . . ........ 163 Stückl.i te ........ . .......... .. ............ .. .. .. ........ 164 Grundkon trukrion . ... . ........ . . . . .. . .. .. ...... ... ... ... 164 Zusanun nbau ..... .... ..... ................ . ...... .. . . . 165 Die Software ......... . ....... . ... . ..... . ... .... ... . ... . . 172 Die Mari nette ven enden ......... . ...................... . 174 Zu ammenfa ung ...... ................................... . .. 174 10 Schrittmotoren .................................................... 175 Ver chiedene Arten von S hrittmotoren ...... .. .............. .. .. . 176 Bipolare Scluittmororen .... .. .............. .. .... .......... . . . 176 E>.:periment: Einen bipolaren h.rittmotor teuern ....... .. . .. ....... 179 Stückli te ..... ... . ....... .. ............ .. .... . .. .... ... . 180 Grundkon truktion .. .... ..................... . ... ........ 180 Die Arduino-Version . .. ..... . . ..... ..... .. ... ...... .. ..... 181 Verbindungen mit dem Arduino ..... ....... ........... .... .. 181 Die Software für den Arduino (die au führliehe Variante) . ......... 183 Die Software für den Arduino (die einfache Variante) .......... . .. 185 Experimentieren mit dem Arduino .. . . ... . ... .. . ... .......... 187 Die Raspberry Pi-Version .... . ...... .... .... . .... .. ... . . ... 188 Verbindungen mit dem Raspberry Pi . ....... ... . ............ .. 188 Die Software für den Raspberry Pi . .. . .. ....... . .... ..... . ... 189 Experimentieren mir dem Raspberry Pi ......... .... ........... 191 Unipolare Schrittmotoren ........... .. .......... . .............. 1.91 Darlington-Arrays .. .... . ................ ........ ... .. . . ... ... 192 Experiment: Einen unipolaren chrittmoror steuern ..... ... . .... . ... . 193 Die Hardware .. .. ... . ........ .... . .... .................. 194 Stückli te .. ....... . .............. .......... .. ... . ... .. .. 19 5 Verbindungen mit dem Arduino . ..... ... ... ... . . .. .. . . . ... .. 196 Verbindungen mit dem Raspberry Pi ............. .... .... . .... 1.96 Die Software . ...... ......... . ... .... .. ... ........ . .... . . 197 Mikroschrittbetrieb .. .. .. ... ..... ..... .. .. ................... . 197 Experiment: Mikroschrittbetrieb mir dem Raspbe.rry Pi ... .......... .. 198 Stückliste ......... .... ...... ..... .. . . ... ............ . .. .. 198 Verbindungen mit dem Raspberry Pi ..... ... ......... ..... .... 199 Software . ... .......... . . ... ... . .... .. ....... ........ ... 199 Experimentieren . .... . ........ .... ......... . . . ........... 202

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