Die elektronische Welt mit Arduino entdecken

703 Pages·2015·13.34 MB·German

by  Erik Bartmann

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Mit dem Arduino messen, steuern und spielen

Elektronik leicht verstehen

Kreativ programmieren lernen

Die elektronische Welt mit
Arduino entdecken
Erik Bartmann
· · · · ·
Beijing Cambridge Farnham Köln Sebastopol Tokyo
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50670 Köln
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1. Auflage 2011
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Lektorat: Volker Bomien, Köln
Fachliche Unterstützung: Markus Ulsaß, Hamburg
Korrektorat: Tanja Feder, Bonn
Satz: III-Satz, Husby; www.drei-satz.de
Umschlaggestaltung: Michael Oreal, Köln
Produktion: Karin Driesen, Köln
Belichtung, Druck und buchbinderische Verarbeitung:
Media-Print, Paderborn
ISBN 978-3-89721-319-7
Dieses Buch ist auf 100% chlorfrei gebleichtem Papier gedruckt.
Inhalt
Grußwort von Wolfgang Rudolph. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VII
Einleitung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX
Kapitel 1: Was ist ein Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Wozu kann man ihn verwenden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Allgemeiner Aufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Kapitel 2: Das Arduino-Board. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Die Stromversorgung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Die Kommunikationswege. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Die Programmiersprachen C/C++. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Wie und womit kann ich Arduino programmieren? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Die Arduino-Entwicklungsumgebung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Das Starten der Entwicklungsumgebung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Die Portkommunikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Befehl und Gehorsam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Kapitel 3: Die Elektronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Was ist Elektronik eigentlich? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Weitere interessante Bauteile. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Kapitel 4: Elektronische Grundschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Widerstandsschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Kondensatorschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Transistorschaltungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
III
Kapitel 5: Das Zusammenfügen der Bauteile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Was ist eine Platine? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Das Steckbrett (Breadboard). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Die flexiblen Steckbrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Kapitel 6: Nützliches Equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Nützliches Equipment. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Kapitel 7: Grundlegendes zur Programmierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Was ist ein Programm bzw. ein Sketch? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Was bedeutet Datenverarbeitung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Die Struktur eines Arduino-Sketches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Wie lange läuft ein Sketch aufdem Board?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Kapitel 8: Die Programmierung des Arduino-Boards . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Scope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Die digitalen Ports. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Die analogen Ports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Die serielle Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Projekt 1: Der erste Sketch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Projekt 2: Einen Sensor abfragen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Projekt 3: Blinken mit Intervallsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Projekt 4: Der störrische Taster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Projekt 5: Ein Lauflicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Projekt 6: Porterweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Projekt 7: Porterweiterung mal 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Projekt 8: Die Statemachine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Projekt 9: Der elektronische Würfel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
IV--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Inhalt
Projekt 10: Der elektronische Würfel (und wie erstelle
ich eine Bibliothek?). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Projekt 11: Das Miniroulette. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Projekt 12: Lichtsensoren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Projekt 13: Der Richtungsdetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Projekt 14: Die Ansteuerung eines Servos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Projekt 15: Das Lichtradar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Projekt 16: Die Siebensegmentanzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Projekt 17: Die Siebensegmentanzeige (mir gehen die Pins aus). . . . . 411
Projekt 18: Der Reaktionstester. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Projekt 19: Das KeyPad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Projekt 20: Das KeyPad (Diesmal ganz anders) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Projekt 21: Eine Alphanumerische Anzeige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
Projekt 22: Kommunikation über I2C. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
Projekt 23: Der Schrittmotor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Projekt 24: Der ArduBot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Projekt 25: Die Temperatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
Projekt 26: Der Sound und mehr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
Projekt 27: Data Monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
Projekt 28: Der Arduino-Talker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
Projekt 29: Die drahtlose Kommunikation über Bluetooth . . . . . . . . . . . 593
Projekt 30: Bluetooth und das Android-Smartphone . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
Inhalt----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- V
Projekt 31: Der ArduBot wird funkgesteuert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
Projekt 32: Netzwerk-Kommunikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621
Projekt 33: Digital ruft analog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
Projekt 34: Shieldbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
Anhang A: Befehls-Referenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663
Anhang B: Wo bekomme ich was? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 673
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675
VI--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Inhalt
First
Grußwort von Wolfgang
Hier Mini IVZ eingeben!
Rudolph
Erstellen auf den
Abstand untere Tabellenlinie zu Textanfang 1,8 cm
Arbeitsseiten
-> also: manuell auf den Arbeitsseiten ziehen!!!
(siehe Muster)
Ich bin begeistert!
Ich habe immer Bücher gern gehabt, die auf
eine einfache und unkonventionelle Art und
Weise Wissen vermitteln konnten und in
ihrer Schreibweise nicht belehrend waren,
sondern wie ein Freund daher kamen.
Das vorliegende Buch ist ein solches Werk.
Leicht und locker geschrieben und mit lusti-
gen Bildern aufgelockert, taucht man in die
Welt der Elektronik und des Arduino ein.
Vielleicht werden Sie, liebe Leserin oder lieber Leser, jetzt denken:
»Warum überhaupt noch ein Buch in der Zeit des Internet?« Das
kann ich Ihnen beantworten.
Auch ich hole mir die meisten Informationen aus den unerschöpfli-
chen Tiefen des Internet, aber oft weiß ich nicht, wonach ich genau
suchen muss, um meine aktuelle Wissenslücke zu füllen. Auch
habe ich schon viele Halbwahrheiten oder gar vollständig falsche
Informationen im Internet gefunden oder verzweifelt und entnervt
aufgegeben, weil ich nach 43 Forenbesuchen, 517 Werbelinks und
2716 Meinungen selbstkluger Mitmenschen weniger wusste als
vorher.
Als Grundlage, für den Anfang des Wissens, ist ein solches Buch,
auch heute noch die erste Wahl für mich! Hier finde ich Informati-
onen, die gründlich recherchiert sind, ausprobiert wurden und mit
eigener Erfahrung praxisgerecht aufbereitet sind. Hinter einem
Buch steht eine Person und ein Verlag, kein anonymer Inter-
netschreiberling. Ein solches Buch, und gerade dieses Buch, kann
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
VII
durch das Internet mit seinen vielen Hobbyisten und selbsternann-
ten Experten nicht ersetzt werden.
Gute Fachbücher sind auch heute noch für mich die Grundlage des
Wissens, und das Internet ergänzt, wenn ich genug verstanden habe,
mein Wissen um spezielle Lösungen und aktuelle Neuigkeiten.
Dem Autor Erik Bartmann möchte ich zu dem gelungenem Werk
gratulieren und dem O'Reilly Verlag danken, dass er es möglich
macht, ein solches Buch auf den Markt zu bringen. Es hilft Inter-
esse für diese Technologie zu entwickeln, denn gerade in Deutsch-
land brauchen wir die Fachkräfte, welche durch solche Bücher
»geboren« werden können.
Wolfgang Rudolph
Wolfgang Rudolph moderierte gemeinsam mit Wolfgang Back ab
1983 die TV-Sendung »WDR Computerclub«. Mit der nicht nur bei
Technikbegeisterten sehr beliebten TV-Sendung erreichten sie weit
über die Grenzen von Deutschland hinaus Beachtung. Wolfgang
Rudolph gilt als Mitbegründer und Urgestein des deutschen Computer-
journalismus und ist in der »Hall of Fame« des »Heinz Nixdorf Muse-
umsForum« in Paderborn – dem größten Computermuseum der Welt
– unter den 100 bekanntesten Computerpionieren der Welt vertreten.
VIII------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Grußwort von Wolfgang Rudolph