Arduino – Physical Computing fur Bastler, Designer und Geeks

384 Pages·2001·6.77 MB·German

by  Manuel Odendahl

Arduino
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c
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Physical Computing
b

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für Bastler, Designer & Geeks
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’ ➜ Microcontroller-
o
Programmierung für alle
➜ Prototype Your Life
➜ Mit kompletter
Programmiersprachen-
referenz
Manuel Odendahl,
Julian Finn & Alex Wenger
Arduino – Physical Computing
für Bastler, Designer und Geeks
Manuel Odendahl, Julian Finn, Alex Wenger
Beijing · Cambridge · Farnham · Köln · Sebastopol · Taipei · Tokyo
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.
Alle Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt und sind
möglicherweise eingetragene Warenzeichen. Der Verlag richtet sich im Wesentlichen nach den
Schreibweisen der Hersteller. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich
geschützt. Alle Rechte vorbehalten einschließlich der Vervielfältigung, Übersetzung,
Mikroverfilmung sowie Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Kommentare und Fragen können Sie gerne an uns richten:
O’Reilly Verlag
Balthasarstr. 81
50670 Köln
Tel.: [phone]
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E-Mail: [email protected]
Copyright der deutschen Ausgabe:
© 2009 by O’Reilly Verlag GmbH & Co. KG
1. Auflage 2009
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der
Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten
sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
Lektorat: Volker Bombien, Köln
Fachliche Begutachtung: Maximilian Rest, Köln
Korrektorat: Eike Nitz, Köln
Satz: III-satz, Husby, www.drei-satz.de
Umschlaggestaltung: Michael Oreal, Köln
Produktion: Karin Driesen, Köln
Belichtung, Druck und buchbinderische Verarbeitung:
Druckerei Kösel, Krugzell; www.koeselbuch.de
ISBN 978-3-89721-893-2
Dieses Buch ist auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.
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Inhalt
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(siehe Muster)
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
1 Von Königen und Kondensatoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Die Geschichte des Arduino-Projekts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Der Arduino, das unbekannte Gerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Arduino-Projekte: eine kleine Vorstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Die Arduino-Entwicklungsumgebung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Physical Computing, elektrischeGrundlagen und der Sprung ins kalte Wasser . . . . . . . . . 31
Elektrische Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Schaltungen, Bauteile und Schaltbilder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Löten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Fehlersuche in elektronischen Schaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3 Workshop LED-Licht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Erste Schritte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Eine blinkende LED – das »Hello World« desPhysical Computing. . . . . . . . . . . . . . 84
4 LEDs für Fortgeschrittene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
LED-Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Animationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Interrupts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Tamagotchi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Brainwave und Biofeedback. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Max. Max.
Linie Linie
V
5 Sprich mit mir, Arduino!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Nach Hause telefonieren mit der seriellen Konsole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Automatisierung mit Gobetwino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6 Arduino im Netz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Hello World – ein Mini-Webserver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Sag's der Welt mit Twitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Fang die Bytes – Datalogger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
7 Sensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Sensoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Aktoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Elektronischer Würfel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
8 Ein kleiner Arduino-Roboter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Flieg, Arduino, flieg! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Arduino und der Asuro-Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
9 Musik-Controller mit Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Musik steuern mit dem Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Das MIDI-Protokoll . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Die MidiDuino-Bibliothek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Zweiter Sketch: Mikroskopischer Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Dritter Sketch: Miniatur-Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Vierter Sketch: EinMIDI-Zauberstab. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Fünfter Sketch: MIDI-Input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
10 Musik mit Arduino. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Töne aus dem Arduino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Erster Sketch: Töne mit langsamer PWM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Zweiter Sketch: Angenehme Klänge mit schneller PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
Dritter Sketch: Steuerung von Klängen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Vierter Sketch: Berechnungen in einer Interrupt-Routine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Fünfter Sketch: Musikalische Noten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
A Arduino-Boards und Shields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Arduino-Boards. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Arduino-Shields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
VI Inhalt
B Arduino-Bibliotheken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
EEPROM-Bibliothek: Wertelangfristig speichern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Ethernet-Bibliothek: mit dem Internet kommunizieren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Firmata-Bibliothek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
LiquidCrystal-Bibliothek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Servo-Bibliothek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Debounce-Bibliothek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Wire-Bibliothek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
capSense-Bibliothek. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
C Sprachreferenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Übersicht: Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
Struktur, Werte und Funktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Syntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Programmwerte (Variablen, Datentypen und Konstanten). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Ausdrücke und Anweisungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Ausdrücke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Kontrollstrukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Sketch-Struktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Funktionsreferenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
D Händlerliste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Inhalt VII
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Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Autoren und Übersetzer übernehmen
keine juristische Verantwortung oder irgendeine Haftung für eventuell verbliebene Fehler und
deren Folgen.
Alle Warennamen werden ohne Gewährleistung der freien Verwendbarkeit benutzt und sind
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Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
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First
In diesem Kapitel:
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• Für wen ist dieses Buch
Einleitung
gedacht?
(cid:129) Aufbau dieses Buchs
(cid:129) Typographische Konven-
tionen
(cid:129) Verwendung der Code-
beispiele
(cid:129) Die Codebeispiele zu diesem
Buch
(cid:129) Die Arduino-Welt
Erstellen auf den
Abstand untere Tabellenlinie zu Textanfang 1,8 cm
Arbeitsseiten
-> also: manuell auf den Arbeitsseiten ziehen!!!
(siehe Muster)
Vielleicht stehen Sie gerade im Laden und überlegen sich, ob Sie
dieses Buch kaufen möchten. Vielleicht haben Sie es auch schon
erworben, wofür wir uns natürlich recht herzlich bedanken. In
jedem Fall aber halten Sie gerade das erste deutschsprachige Buch
zum Thema Arduino in den Händen. Arduino ist die Verbindung
aus einem Board, das einen Mikrocontroller beherbergt, mit einer
Programmiersprache, die es sehr leicht macht, diesem kleinen Pro-
zessor auch Befehle zu erteilen. Zusammen bilden die beiden die
Basis für sogenanntes Physical Computing, die Verbindung der rea-
len, physischen Welt mit der virtuellen Welt der Einsen und Nullen.
Der Arduino eignet sich hervorragend für alle möglichen Projekte,
denn er ist günstig zu erwerben und einfach und vor allem schnell
zu programmieren. So wird die Zeit von der fixen Idee bis zur
Umsetzung möglichst kurz gehalten. Das bewahrt viele gute Pro-
jekte vor dem Papierkorb, in dem sie unweigerlich landen, wenn
ihre Schöpfer vor allzu großen Problemen stehen.
Der Arduino wurde im italienischen Ivrea entwickelt, um Design-
studenten möglichst leicht zu bedienende Werkzeuge an die Hand
zu geben, und hat seit 2005 einen fast beispiellosen Siegeszug ange-
treten. Rund um den Globus finden sich nun an Kunsthochschulen
Seminare zur Programmierung, zum Löten und über physikalische
Grundlagen, begünstigt durch die einfache Verfügbarkeit dieser
Technologie. Mehr über die Geschichte des Arduino finden Sie in
Kapitel1, Von Königen und Kondensatoren.
Aber vorweg ? um was geht es hier eigentlich genau? Arduino ist
zum einen eine Plattform, die aus einem Mikrocontroller besteht,
Max. Max.
der ähnlich wie ein PC eigenständig Berechnungen durchführen
Linie Linie
IX
kann, aber auch leicht mit vielen Sensoren zur Interaktion mit der
Umwelt verbunden werden kann. Arduino ist aber auch die dazu-
gehörige Entwicklungsumgebung, und – nicht zu vergessen – das
Framework, das viele komplizierten Details der hardwaregestützten
Entwicklung einfacher macht. So kann mit einem einzelnen Knopf-
druck der Programmcode sowohl kompiliert als auch direkt über
USB in den Arduino geladen werden.
All das erlaubt die schnelle Entwicklung von Prototypen; aber
dadurch, dass alle Teile auf bestehenden Standards wie C++ und
verbreiteten Mikrocontrollern basieren, kann es später auch losge-
löst vom Arduino-Konzept weiterverwendet werden.
Für wen ist dieses Buch gedacht?
Sie haben die Einleitung gelesen und fragen sich nun, ob Sie zu den
»Bastlern, Designern und Geeks« gehören, die der Buchtitel
anspricht? Nun, wahrscheinlich schon. Dieses Buch versucht, sei-
nen Leserinnen und Lesern die Welt des Physical Computing und
damit auch der Programmierung anhand von praktischen Beispie-
len näherzubringen.
Sie alle haben gemeinsam, dass sie fortan neues Entwickeln wollen,
entweder in der realen Welt als Gegenstand oder virtuell auf dem
Rechner als Daten und Software. Hier fügen sich mit Arduino zwei
Welten zusammen, die eigentlich nie richtig voneinander getrennt
waren, und doch ist das Überqueren dieser Grenze für viele eine
hohe Hürde. Der Programmierer scheut den Lötkolben und löst
Probleme lieber auf seine Weise, wogegen der Bastler lieber noch
drei weitere Bausätze verwendet, als dass er sich mit der Program-
mierung eines Computers oder Mikrocontrollers auseinandersetzt.
Bastlern, die bisher vielleicht nur in der physischen Welt an ihren
Projekten gearbeitet haben, werden dadurch neue Möglichkeiten
eröffnet: Sie können die im Buch aufgezeigten Ideen verfolgen und
dabei lernen, wie der Arduino zu ihrem Hobby viele neue Aspekte
beisteuern kann.
Als Designer und Medienkünstler werden Sie bislang möglicher-
weise ähnliche Probleme gehabt haben: Die Inspiration war da,
bloß an der Umsetzung hat es gehapert. Mit dem Arduino können
einfache Prototypen schnell umgesetzt werden, sodass man sich
nicht mit allzu komplizierter Technik aufhalten muss. Man kommt
auch nicht mehr in die Situation, dass Informatiker einem gern hel-
X Einleitung
fen würden, aber einfach nicht so recht verstehen, was man ihnen
eigentlich sagen will.
Auch wenn Sie schon Erfahrung mit einer Programmiersprache
haben, sollten Sie nun das Buch nicht beiseite legen: Es ist so aufge-
baut, dass die Programmierung beiläufig erklärt wird, während die
einzelnen Projekte zusammengesetzt werden. Selbst als Geek, des-
sen natürliche Umgebung meist aus einem Codedschungel besteht,
wird Ihnen die Lektüre also kaum langweilig werden. Besonders
wenn Sie zwar im Schlaf Software schreiben können, dafür aber
noch unerfahren in Sachen Lötkolben, Sensoren und Widerstände
sind, wird Ihnen dieses Buch bieten, was Sie suchen. All das erlaubt
das schnelle Erstellen von Prototypen, sodass nicht die langwierige,
umständliche Umsetzung, sondern die Idee im Vordergrund steht.
All das heißt natürlich auch, dass dieses Buch sich vor allem an Ein-
steiger richtet. Trotzdem geht es z.B. in Kapitel9 und 10, die sich
mit der Anbindung von Arduino an die Welt der Musik beschäfti-
gen, auch ein wenig mehr in die Tiefe. Weiterhin bietet der Anhang
eine vollständige Referenz der Programmiersprache, sodass Sie
diese Seiten auch im weiteren Verlauf Ihrer Physical-Computing-
Karriere auf dem Schreibtisch behalten sollten, um jederzeit nach-
schlagen zu können.
Der Projektcharakter ist bewusst nach den Prinzipien des Rapid
Prototyping gestaltet, um die Fantasie der Leser nicht unnötiger-
weise einzuengen. Wir freuen uns natürlich über Projektbeschrei-
bungen und Bilder der daraus entstandenen Arbeiten, die Sie uns
gern über Twitter (@arduinobuch) zuschicken können.
Hilfreich ist es, wenn Sie zum Buch auch ein Arduino-Board erwer-
ben, falls Sie noch keines besitzen. In Kapitel1 finden Sie Hinweise
dazu, wo Sie den hier verwendeten Arduino Duemilanove beziehen
können. Weiterhin wird für die im Buch beschriebenen Workshops
eine Reihe von Bauteilen benötigt. Wir empfehlen, dass Sie die
Liste der benötigten Teile zu Anfang durchlesen und entsprechend
einkaufen. Zudem wäre es hilfreich, wenn Sie einen Lötkolben,
ausreichend Lötzinn und Entlötlitze sowie ein Steckbrett besitzen.
Aufbau dieses Buchs
Die Kapitel dieses Buchs lassen sich einteilen in einzelne Work-
shops und Erläuterungen der physikalischen Aspekte der Entwick-
lung von Arduino-Projekten. Nach der Einleitung und Einführung
Aufbau dieses Buchs XI