Labor Automatisierungstechnik

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1 Labor Automatisierungstechnik Teilnehmer: Name: Matrikelnr.: Name: Matrikelnr.: Name: Matrikelnr.: Versuch: Arduino Anwendung Philipp Schorr Arduino Anwendung 1

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitende Worte Was ist Arduino Eigenschaften des Arduino UNO Versuchsaufbau Vorbereitung zur Durchführung Aufgabenstellung LED Blinklicht LED Blinklicht LED Blinklicht LED Blinklicht LED Dimmer via PWM Textausgabe über LCD Display Ansteuern eines Servomotors mittels eines Potentiometers Ansteuern eines Servomotors und Ausgabe via LCD Funkverbindung via 433 MHz Modul Anhang Befehlsliste Platinenschaltpläne Hilfe Kritik Abbildungsverzeichins Philipp Schorr Arduino Anwendung 2

3 1. Einleitende Worte Ziel des Versuchs Arduino Anwendung ist es Ihnen die Funktionsweise eines Controllers, hier des Arduino UNO s, durch verschiedene praktische Anwendungen näher zu bringen. Des Weiteren ist eine schriftliche Versuchsausarbeitung zu erstellen. Der entwickelte Programmcode ist kommentiert in gedruckter Form und auf einer CD-ROM mit abzugeben und wird mitbewertet. 2. Was ist Arduino Arduino ist eine Physical-Computing Plattform bestehend aus Hard- und Software. Bei der Hardware handelt es sich um ein Mikrocontrollerboard, das den Namen Arduino trägt, und aus einem einfachen I/O-Board besteht. Es ist mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen versehen und verwendet die Programmiersprache Processing in der Entwicklungsumgebung. Hierbei handelt es sich um eine relativ einfache Version einer Programmiersprache, was die Bedienung und Entwicklung des Arduino einfach macht. Mit den Softwareanwendungen von Arduino kann die Hardware dazu genutzt werden, mit Computern zu interagieren. 2.1 Eigenschaften des Arduino UNO Microcontrollerboard basierend auf dem Atmega digitale Ein-/Ausgänge incl. 6 PWM Ausgänge 6 Analogeingänge 16 MHz Keramik Resonator(Clock Speed) USB B (w) Schnittstelle Eingangspannung (empfohlen) 7-12V Eingangspannung (Grenze) 6-20V Reset Taster Speichervolumen Atmega kb (davon 0,5 kb für den bootloader) Abbildung 1 Arduino UNO Quelle: arduino.cc Philipp Schorr Arduino Anwendung 3

4 Labor Automatisierungstechnik 3. Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau besteht aus zwei Arduino Uno s: UNO R3 und einem UNO SMD R3 und einer Reihe von verschiedenen Bauteilen wie z.b. Servomotor SM-S2309S, LCD Anzeige LCD-WH1602BTMI, 433MHz Sender, 433MHz Empfänger. Abbildung 2 Versuchsaufbau 4. Vorbereitung zur Durchführung Der Versuchsaufbau ist selbstständig aufzubauen und zu Programmieren. Daher wird ein gewissses Maß an Feingefühl im Bezug auf den Umgang mit der Elektronik erwartet. Sollte ein Bauteil defekt oder beschädigt sein möchten wir Sie bitten einem Laborbetreuer darüber zu informieren. Vor Inbetriebnahme des Steckbords bitte einen Betreuer rufen um die Schaltung abnehmen zu lassen. Desweitern werden Grundkenntnisse in der Programmiersprache C bzw. C++ vorausgesetzt. Auf den folgenden Seiten ist ein einfaches Beispielprogramm angegeben um Ihnen den Softwareumgang zu erklären. Philipp Schorr Arduino Anwendung 4

5 Start der Software : Die genutzte Software Arduino (IDE) ist eine Freewaresoftware, daher ist es Ihnen frei überlassen sich das Programm auf Ihren eigenen Geräten zu installieren oder die von uns bereitgestellten Rechner zu nutzten. Die Links finden Sie unter 6. Hilfe. Nach dem Start der Software erscheint folgendes Fenster: Abbildung 3 Arduino Software Philipp Schorr Arduino Anwendung 5

6 Als ersten Schritt wählen wir das richtige Board aus: Arduino UNO Abbildung 4 Platinenauswahl Vor dem Hochladen des Programmes sollte es verifiziert werden. Hierzu klicken Sie auf den entsprechenden Button. Siehe Abbildung 5. Abbildung 5 Programm verifizieren Philipp Schorr Arduino Anwendung 6

7 Vor dem Upload ihres Programmes muss noch der korrekte Port, an dem der Arduino angeschlossen ist, ausgewählt werden. Schließen Sie dazu den Arduino mittels USB an den Rechner an. Anschließend öffnen Sie den Reiter Werkzeuge Port, hier werden mehrere mögliche Ports angezeigt. Wählen Sie nun den Port mit dem angeschlossenen Arduino UNO aus. Zu erkennen an dem Text (Arduino UNO). Abbildung 6 Portauswahl Nach dem Prüfen der Software durch den Verifizieren Button kann das Programm wird über den Button Hochladen via USB Kabel auf den Arduino übertragen. Abbildung 7 Upload Philipp Schorr Arduino Anwendung 7

8 Haben Sie das Programm erfolgreich auf den Arduion übertragen und wollen den seriellen Monitor öffnen, können Sie das unter Werkzeuge Serieller Monitor. Abbildung 8 Serieller Monitor Philipp Schorr Arduino Anwendung 8

9 Bitte lesen Sie folgendes Beispielprogramm. Darin werden die ersten Befehle genutzt und erklärt. Dieses Programm kann auch zu Beginn des Versuches abgetippt werden um die obigen Schritte nachzuvollziehen. Beispielprogramm: Abbildung 9 Beispiel Code Philipp Schorr Arduino Anwendung 9

10 5. Aufgabenstellung Alle Anschlusspläne zu den verschiedenen Platinen finden Sie im Anhang LED Blinklicht Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO s und der Platine aus XX Abbildung 10 Platine LED mit Taster einen Programmcode entwerfen, welches die Blink LED mit dem auf der Platine befindlichen Taster einschaltet. Die LED soll nur solange angeschaltet bleiben wie der Taster gedrückt ist. Nutzten Sie dafür den digitalread() -Befehl. Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster) LED Blinklicht Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO s und der Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit Taster einen Programmcode entwerfen, welches die Blink LED mit dem auf der Platine befindlichen Taster ein- und ausschaltet. Wird der Taster betätigt leuchtet die LED solange bis der Taster erneut betätigt wird. Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster) LED Blinklicht Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO s und der Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit Taster einen Programmcode entwerfen, welches den Morsecode von HTW ausgibt. Das Signal setzt sich wie folgt zusammen: Ein Punkt ist ein kurzes Blinken und ein Strich ein langes Blinken. Ein kurzes Blinken kann z.b. 200ms high und 400ms low sein, ein langes Blinken entsprechend 800ms high und ebenfalls 400ms low. Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster). Philipp Schorr Arduino Anwendung 10

11 5.1.4 LED Blinklicht Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO s und der Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit Taster einen Programmcode entwerfen, welches das Programm aus Aufgabenstellung um einen Start Taster erweitert. Ist der Code komplett übermittelt wird wieder auf eine Eingabe gewartet. Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster) LED Dimmer via PWM Der Anwender soll mit Hilfe der integrierten Pulsweitenmodulation des Controllers eine LED stufenweise Dimmen. Dies soll erst nach dem Betätigen eines Tasters ausgeführt werden. Die LED soll dabei mindestens 3 Helligkeitsstufen annehmen. Verwenden Sie hierzu die Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit Taster. Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster). Hilfestellung: Zur Ansteuerung eines Pins mit der Pulsweitenmodulation wird der analogwrite() Befehl benutzt. Der Wertebereich der PWM ist zwischen 0 und 255. Der Wert 255 ist hierbei die größte Aussteuerung und somit leuchtet die LED am hellsten. Beispiel: analogwrite(pinnummer, Wert); // je größer Wert wird desto heller leuchtet die LED Philipp Schorr Arduino Anwendung 11

12 Labor Automatisierungstechnik Aufbau: Betriebsbereitschaft Blink LED (Pin 9) Abbildung 10 Platine LED mit Taster Taster (Pin 11) Taster Anode 220 Ω Kathode (abgeflachte Seite der LED) Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster Philipp Schorr Arduino Anwendung 12

13 5.2 Textausgabe über LCD Display Der Benutzer soll mit Hilfe des Contollers eine Textausgabe auf einem LCD Display mit 16 Zeichen auf 2 Zeilen realisieren. Zur Kontraststeuerung soll ein 10kΩ Potentiometer genutzt werden. Des Weiteren soll ein Taster verwendet werden, der als Start Taster dienen soll. Nutzten Sie hierfür bitte die Platine aus Abbildung 12 Platine LCD Display und schieben Sie den Schalter in die Taster-Position (in Richtug des Tasters). Funktion: Textausgabe über ein LCD Bildschirm statisch und fließend Nutzten beider Zeilen Aktivieren des Cursors (Blinken) Deaktivieren des Cursors (Blinken) Bei Betätigung eines Taster Textausgabe beginnen Eine wechselnde Textausgabe während des laufenden Programms Prinzipieller Programmablauf: 1. Text: Taster zum Start betaetigen! 2. Taster betätigen 3. Text: HTW IngWi Arduino UNO (Cursor blinken) 4. Text: Arduino Anwendung (Cursor blinken stop) 5. Text: Taster zum Start betaetigen! Philipp Schorr Arduino Anwendung 13

14 Labor Automatisierungstechnik Aufbau: Kontrasteinstellung LCD Taster Abbildung 12 Platine LCD Display Philipp Schorr Schalter Arduino Anwendung 14

15 Labor Automatisierungstechnik 5.3 Ansteuern eines Servomotors mittels eines Potentiometers Der Benutzter soll mittels des Arduinos einen Servomotor ansteuern. Dazu soll ein 10kΩ Potentiometer genutzt werden. Der Servomotor soll durch Verändern der Potentiometereinsstellung angesteuert werden. Schieben Sie zur Nutzung des Servomotors den Schalter auf der auf Abbildung 13 Platine Ansteuerung Servomotor dargestellten Platine in Richtung des Anschlusses des Servomotors. Bitte beachten Sie, dass die beiden Endpunkte des Servos nicht dauerhaft angefahren werden. Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 14 Schaltung Servomotor). Funktion: Ansteuern eines Servomotors via Spanungsteiler durch ein Potentiometer. Analoges Einlesen des Spannungsteilerwertes des Potentiometers mit A0 Werte zwischen 0 und 1024 Normieren dieses Wertes (0-180) mittles map() Befehl Ansteuern des Servomotors über Pin 9 mit dem normierten Wert Serielle Ausgabe aller Werte auf dem Host-Rechner mittels USB Aufbau: Ansteuerung des Servomotors Anschluss Servomotor Abbildung 13 Platine Ansteuerung Servomotor Schalter Philipp Schorr Arduino Anwendung 15

16 100μF 100μF Abbildung 14 Schaltung Servomotor Philipp Schorr Arduino Anwendung 16

17 Labor Automatisierungstechnik 5.4 Ansteuern eines Servomotors und Ausgabe via LCD Der Benutzter soll wie in Aufgabe 5.3 und 5.4 einen Servomotor und ein LCD Display mittels Arduino ansteuern. An dem Servomotor ist eine Messnadel befestigt welche die aktuell eingestellte Gradzahl anzeigt. Auf dem Display soll einerseits der eingestellte Potiwert als auch der angezeigte Winkel ausgegeben werden. Schieben Sie zur Nutztung des Servos den Schalter in Richtung des Anschlusses des Servomotors. Bitte beachten Sie, dass die beiden Endpunkte des Servomotors nicht dauerhaft angefahren werden. Funktion: Ansteuern eines Servomotors via Spanungsteiler durch ein Potentiometer. Analoges Einlesen des Spannungsteilerwertes des Potentiometers als Integerwert mit A0 Normieren dieses Integerwertes (0-180) Ansteuern des Servomotors über Pin 9 mit dem normierten Wert Serielle Ausgabe aller Werte auf dem Host-Rechner via USB Ausgabe des Winkels des Balken auf ein Grad genau über das LCD Prinzipielle Ausgabe via LCD: Potiwert: 363 Winkel: +50 Aufbau: Ansteuerung des Servomotors Kontrasteinstellung LCD Anschluss Servomotor Abbildung 15 Platine LCD mit Servomotor Schalter Philipp Schorr Arduino Anwendung 17

18 5.5 Funkverbindung via 433 MHz Modul Der Anwender soll mithilfe der drei Taster verschiedene Nachrichten von einem Arduino auf einen anderen übertragen und anschließend via Serielle Ausgabe ausgeben.dazu soll die Platine aus Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender genutzt werden. Der Empfänger soll wie in Abbildung 17 Schaltung Funkmodul aufgebaut werden. Die Funkverbindung wird mit Hilfe der Virtual Wire Bibliothek umgesetzt, welche auf dem Rechner im Labor vorinstalliert ist. Falls Sie ihren eigenen Laptop nutzten möchten können Sie die Bibliothek via USB Stick hier im Labor bekommen. Funhktion: Aufbau einer Funkverbindung zwischen zwei Arduino UNO s Bau einer Antenne passend zur Frequenz (433 MHz) Senden von einfachen String s durch Drücken des entsprechenden Tasters Ausgabe der empfangenen Daten über die serielle Schnittstelle des Controllers Beispielablauf: Taster eins gedrückt: es wird der Text AMS gesendet. Serieller Monitor Sender: gesendet : AMS Serieller Monitor Empfänger: empfangen: AMS Kein Taster gedrückt: es wird der Text none gesendet Serieller Monitor Sender: gesendet : none Serieller Monitor Empfänger: empfangen: none Philipp Schorr Arduino Anwendung 18

19 Labor Automatisierungstechnik 433 MHz Sender Aufbau: Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender 433 MHz Empfänger GND VCC+ 5V DATA Abbildung 17 Schaltung Funkmodul Empfänger Philipp Schorr Arduino Anwendung 19

20 6. Anhang 6.1 Befehlsliste LCD Anzeige: LiquidCrystal.h //benötigte Library für die Verwendung des LCD LiquidCrystal Name_der_Anzeige(12, 11, 5, 4, 3, 2); //Pins dienen der Kommunikation mit dem Controller entsprechend des Versuchsaufbaus angegeben ***.begin(stellen, Zeilen); //Groesse des Display angeben (Stellen, Zeilen) ***.clear(); //Leeren des LCD Displays ***.setcursor(stelle, Zeile); //Cursor des Lcd Display auf eine beliebige Stelle des Displays setzten (Stelle,Zeile) ***.print("hello!"); //Textausgabe über das LCD Display Philipp Schorr Arduino Anwendung 20

21 Cursor: ***.blink(); //Blinken des Cursors einschalten ***.noblink(); //Blinken des Cursors ausblenden Servomotor: Servo.h //benötigte Library für die Verwendung des Servomotors Servo Name_des_Servos //anlegen eines Servomotors ***.attach(pinnummer); //legt fest an welchen Pin des Controllers das Steuerkabel des Servos innehat. ***.write(***); //Befehl der die Steuerspannung liest und umsetzt. Philipp Schorr Arduino Anwendung 21

22 In- und Outputbefehle: pinmode(pinnummer); //Angabe ob Pin als Ein- oder Ausgang verwendet wird. analogread(pinnummer); //lesen des Analogwertes am Pin A0. analogwrite(pinnummer, Wert); //ausgeben eines analogen Wertes auf einen Pin digitalread(pinnummer); //lesen des logischen Zustands des Pins HIGH oder LOW digitalwrite(pinnummer, Zustand); // Pin auf HIGH oder LOW setzten Serielle Ausgabe: Serial.begin(9600); //Aufbau einer seriellen Verbindung zwischen controller und dem Computer via USB. //9600 entspricht dabei der Datenübertragungsgeschwindigkeit in bps (bit per second). //Aufruf des seriellen Monitors ist mit der Tastenkombination Strg+Shift+m möglich. Philipp Schorr Arduino Anwendung 22

23 Serial.print("Text"); //dient der Ausgabe von z.b Text und Variablen über den seriellen Monitor. Serial.println("Text"); //gibt den Text oder Variable aus und beginnt danach eine neue Zeile auf dem seriellen Monitor Funkmodul via Virtual Wire Library vw_set_tx_pin(transmitt_pin); //angeben des Transmitter Pins vw_set_rx_pin(recive_pin); //angeben des Empfänger Pins vw_setup(2000); //Anfang der Nutztung aller Einstellungen und Inizialisierung der Library (Sender und Empfänger) vw_send(message, length); //Senden einer Nachricht. message ist ein Array aus zu sendenden Bytes und length ist die Anzahl der Bytes im Array.Die Nachricht wird via eines Interrupt gesteuerten Hintergrundprozess gesendet. Philipp Schorr Arduino Anwendung 23

24 vw_wait_tx() // True wenn eine Nachricht empfangen wurde vw_rx_start(); //aktiviert den Empfängerprozess. vw_get_message(message, &messagelength); /lesen der zuletzt empfangenen Nachricht Library einbinden: #include <Library.h> //einbinden einer Library analog zu C bzw C++ Aritmethik: map(***) //die Inputwerte (hier 0 bis 1023 des Potentiometers) auf eine neue Skalierung bringen. Philipp Schorr Arduino Anwendung 24

25 6.2 Platinenschaltpläne Flachbandkabel Protoshield: 5V GND A0 D2 D3 ~ D4 D5 ~ D9 ~ D11 ~ D12 Abbildung 18 Anschluss Protoshield (~bedeutet PWM fähiger Pin; Pin 1 ist mit einem Pfeil markiert) Platine LED Blinker mit Taster: 5V 5V D4 N/A GND GND D5 ~ N/A N/A A0 D9 ~ LED N/A D2 D11 ~ Taster N/A D3 ~ D12 N/A Abbildung 19 Anschluss Platine LED Blinker mit Taster Philipp Schorr Arduino Anwendung 25

26 Platine LCD Servomotor: 5V 5V D4 LCD GND GND D5 ~ LCD Pot. Servo A0 D9 ~ Servomotor/Taster LCD D2 D11 ~ D11 ~ LCD D3 ~ D12 D12 Abbildung 20 Anschluss Platine LCD und Servomotor (D9 wird durch den Schalter auf der Platine umgeschaltet.) Platine 433 MHz Sender mit Tastern: 5V 5V D4 Taster GND GND D5 ~ N/A N/A A0 D9 ~ TX Taster D2 D11 ~ N/A Taster D3 ~ D12 N/A Abbildung 21 Anschluss Platine Sender mit Taster Philipp Schorr Arduino Anwendung 26

27 7. Hilfe Weiter Befehle sind zu finden unter: Der Versuch ist auch auf dem eigenen Geräten möglich. Hierzu brauchen Sie nur die Arduino Software (IDE). Diese finden Sie unter: Die Bibliothek für die Funkverbindung ist auf den Rechnern bzw. auf einem USB-Stick hier im Labor gespeichert. Diese ist unter C:\Program Files (x86)\arduino\libraries als entpackter Ordner zu hinterlegen. 8.Kritik Bitte fügen Sie Ihrer Ausarbeitung auch konstruktive Kritik zum Versuch bei. Dies beinhaltet den Aufbau an sich als auch die Anleitung und Aufgabenstellungen. Vielen Dank. Philipp Schorr Arduino Anwendung 27

28 9. Abbildungsverzeichins Abbildung 1 Arduino UNO... 3 Abbildung 2 Versuchsaufbau... 4 Abbildung 3 Arduino Software... 5 Abbildung 4 Platinenauswahl... 6 Abbildung 5 Programm verifizieren... 6 Abbildung 6 Portauswahl... 7 Abbildung 7 Upload... 7 Abbildung 8 Serieller Monitor... 8 Abbildung 9 Beispiel Code... 9 Abbildung 10 Platine LED mit Taster Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster Abbildung 12 Platine LCD Display Abbildung 13 Platine Ansteuerung Servomotor Abbildung 14 Schaltung Servomotor Abbildung 15 Platine LCD mit Servomotor Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender Abbildung 17 Schaltung Funkmodul Empänger Abbildung 18 Anschluss Protoshield Abbildung 19 Anschluss Platine LED Blinker mit Taster Abbildung 20 Anschluss Platine LCD und Servomotor Abbildung 21 Anschluss Platine Sender mit Taster Philipp Schorr Arduino Anwendung 28