4.2 Die Arduino-Hardware

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2 4.2 Die Arduino-Hardware Roboter standardmäßig keine Verwendung findet, gehe ich hier nicht weiter auf seine Details ein. Ein Tipp aber noch: Die beiden I 2 C-Pins SDA und SDL sind auf der Unterseite des Boards beschriftet! Auf der Oberseite war wegen des ICSP-Steckers 2 kein Platz mehr. Übrigens: Aus rechtlichen Gründen wurde die I 2 C-Schnittstelle früher TWI-Interface genannt (Two-Wire-Interface, englisch für Zweidraht-Schnittstelle), denn der Hersteller Philips hatte lange Zeit die Rechte an dem Namen I 2 C. Sie finden die Bezeichnung TWI daher oft noch in älteren Datenblättern. Auch die Software-Bibliothek des Arduino-Projektes zur Nutzung der I 2 C-Pins heißt bis heute noch Wire 4. Abbildung 4.4 Die Ein- und Ausgänge des»arduino Uno«AREF Dieser Pin ist ein Eingang, an dem eine beliebige Spannung zwischen 0 und 5 Volt angelegt werden kann. Er kann nur in Verbindung mit den analogen Eingängen A0 bis A5 (»ANALOG IN«) genutzt werden und dient diesen als Referenz (AREF = Analoge Referenzspannung). Näheres dazu wird später unter»analoge Eingänge«beschrieben. Masse (GND) Der Masse-Pin (englisch Ground, abgekürzt GND) ist der Bezugspunkt für alle Spannungen auf dem Arduino-Board. Er ist zugleich der Minuspol der Stromversorgung und entspricht damit auch 0 Volt

3 4 Die Arduino-Plattform Digitale Ein-/Ausgänge Die Pins 2 bis 13 dienen als Eingang oder Ausgang. Das heißt, eine Spannung kann an einen Pin angelegt werden (Eingang) oder der Arduino kann eine Spannung ausgeben (Ausgang). Vorsicht! Spannungen unter 0 oder über 5 Volt an einem der Pins zerstören Ihr Arduino-Board! Da es sich um digitale Ein-/Ausgänge handelt,»verstehen«diese Pins wie ein Computer nur zwei Zustände: 0 oder 1. In der Elektronik Ihres Arduino Uno entspricht das 0 Volt oder 5 Volt bzw. allgemein LOW oder HIGH. Expertenwissen zum Angeben: Logikpegel im Detail Wie so oft im Leben ist nicht alles schwarz-weiß, so auch bei den Logikpegeln. Tatsächlich müssen es nicht exakt 0 Volt oder 5 Volt sein. Je nach verwendetem Bauteil gibt es unterschiedliche Ober- oder Untergrenzen. Bei dem auf dem Arduino-Board verwendeten Mikrocontroller sind es die folgenden: Eingang Ausgang LOW 0,00 1,50 V 0,00 0,50 V HIGH 3,50 5,00 V 4,44 5,00 V Das bedeutet zum Beispiel, dass alle Spannungen zwischen 0,00 und 1,50 Volt an einem Eingang als LOW erkannt werden oder dass alle Spannungen zwischen 4,44 und 5,00 Volt an einem Ausgang als HIGH gelten. Die Bereiche zwischen den hier aufgelisteten sogenannten Logikpegeln gelten schlichtweg als undefiniert. Das heißt, es ist nicht vorhersagbar, wie sich der Arduino hier verhält. Warum einige der Pins mit einer Tilde (~) gekennzeichnet sind und was die Beschriftung PWM~ auf der Platine bedeutet, erfahren Sie in Abschnitt 7.4.2). Ich will es ja auch etwas spannend für Sie machen. TX/RX Wie Sie bereits im Abschnitt unter»übertragungs-leds (TX/RX)«erfahren haben, geht es hier um Datenübertragung. Sie könnten über diese Pins eine serielle 5 Daten- 5 Seriell bedeutet, dass die Daten Bit für Bit hintereinander übertragen werden (siehe auch de.wikipedia.org/wiki/serielle_datenübertragung) 62

4 4.2 Die Arduino-Hardware übertragung mit anderen Bauteilen durchführen. Da der Arduino Uno aber nur über eine serielle Schnittstelle verfügt, die auf der Platine intern bereits mit dem USB- Anschluss verbunden ist, sollten Sie diese Pins nicht verwenden. Denn immer, wenn Sie ein Programm auf den Arduino übertragen oder später den Serial Monitor (siehe Abschnitt 7.2.3) verwenden, werden dabei die Daten auch über diese beiden Pins laufen. Störungen wären also vorprogrammiert. Für den in diesem Buch beschriebenen Roboter werden diese Pins nicht verwendet. Analoge Eingänge Im Gegensatz zu den digitalen Eingängen können Sie an die Eingänge A0 bis A5 eine beliebige Spannung zwischen 0 und 5 Volt anlegen.»analog«bedeutet, dass die Spannung wirklich jeden Wert dazwischen haben darf. Das Einlesen eines dieser Eingänge geschieht mit dem Befehl analogread. Sie werden diesen Befehl in Abschnitt kennenlernen, wenn Sie einen Sensor auslesen, der eine analoge Spannung ausgibt. Beim Einlesen einer analogen Spannung vergleicht der Arduino die an einem der Pins A0 bis A5 anliegende Spannung standardmäßig mit 5 Volt. So erhalten Sie zum Beispiel beim Anlegen von 0 Volt eine 0 als Zahlenwert in der Software; bei 2,5 Volt ist der Zahlenwert 128, und bei 5 Volt beträgt er Möchten Sie eine Spannung mit einem geringeren Maximalwert als 5 Volt einlesen (zum Beispiel 3,14 Volt) und dennoch Werte in der Software von 0 bis 255 erhalten, so kommt der Pin AREF ins Spiel. Sie werden diese Funktion vermutlich nicht so häufig benötigen, und sie wird auch in diesem Buch nicht verwendet. Für weitere Informationen sei daher an dieser Stelle wieder einmal auf die Arduino- Referenz 7 und den dort beschriebenen Befehl analogreference verwiesen. Vin Dieser Pin gehört zu den Stromversorgungspins und kann sowohl als Eingang als auch als Ausgang genutzt werden. An diesen Pin können 7 12 Volt angelegt werden, die dann das Arduino-Board mit Energie versorgen (falls Sie nicht die USB-Verbindung oder die Stromversorgungsbuchse dafür benutzen wollen). Wenn Sie aber das Board per USBoder Hohlstecker mit Strom versorgen, dann liegen an diesem Pin 5 Volt an. Masse (GND) (siehe vorige Beschreibung) 5V Dieser Pin dient nur als Ausgang. Sobald das Arduino-Board per USB- oder Stromversorgungsbuchse mit Strom versorgt wird, kommen an diesem Pin geregelte 5 Volt Span- 6 Warum der Wert von 0 bis 255 geht, erfahren Sie in Abschnitt

5 4 Die Arduino-Plattform nung»heraus«. Diese können Sie zur Stromversorgung weiterer kleinerer Bauteile, z. B. von Sensoren, verwenden. Geben Sie niemals eine Spannung an diesen Ausgang, da sie das Arduino-Board zerstören kann! 3,3V An diesem Pin liefert das Arduino-Board eine Spannung von 3,3 Volt. Bitte beachten Sie, dass hier nur ein maximaler Strom von 50 ma geliefert wird. Geben Sie niemals eine Spannung an diesen Ausgang, da sie das Arduino-Board zerstören kann! Reset Dieser Pin dient zum Anschluss eines eigenen Reset-Tasters. Sobald dieser Pin mit Masse (GND) verbunden wird, wird ein Reset des Arduino-Boards ausgelöst. Wenn Sie Ihr Arduino-Board mit Shields (siehe Abschnitt 7.2.7) erweitern, kann es sein, dass diese den Reset-Taster auf dem Board blockieren. Dafür ist dann dieser Pin nützlich. IOREF Dieser Pin liefert eine Referenzspannung, mit der der Mikrocontroller auf dem Arduino- Board arbeitet. Der Pin kann intern von Shields genutzt werden, mit denen das Board erweitert werden kann (siehe Abschnitt 7.2.7). Fehlt da nicht etwas? Was ist mit dem freien Pin? Wie Ihnen vielleicht aufgefallen ist, ist in Abbildung 4.4, links neben dem Pin IOREF, ein Pin nicht beschriftet. Der Grund hierfür ist ganz simpel: Er ist nicht in Verwendung. Möglicherweise»kitzeln«die Entwickler des Boards später noch einmal neue Funktionen aus dem Arduino Uno heraus. Dann wird dieser Pin vielleicht noch belegt. Aktuell ist das jedoch nicht der Fall. Aber seien Sie gewiss: Sie haben bereits so unzählige Möglichkeiten mit Ihrem Arduino-Board! Verschiedene Arduino-Boards Das Arduino-Board wäre vermutlich nicht so erfolgreich, wenn es nicht vollständig Open Source wäre. Dieses Konzept ermöglichte die Entwicklung vieler Arduino-Boards, die nicht vom Arduino-Projekt selbst stammen, aber offiziell mit dem Arduino-Logo versehen sind, weil sie dem Projektstandard 8 entsprechen. Viele Arduino-Boards wurden bereits entwickelt und veröffentlicht. Manchmal geschah dies, um das schlanke

6 4.2 Die Arduino-Hardware Arduino-Board mit mehr Leistung zu versehen. Ein anderes Mal ging es nicht um mehr Geschwindigkeit oder Speicher, sondern um mehr Ein- und Ausgänge (Pins). Oftmals wurde aber auch nur die Form verändert oder die Größe der Arduino-Platine reduziert. SMD-Bauteile Um die Größe einiger Arduino-Boards zu verringern und auch um die Kosten zu senken, wurde auf Bauteile zurückgegriffen, die sich SMD-Bauteile nennen. SMD ist die englische Abkürzung für Surface-Mounted Device, was so viel wie»auf der Oberfläche montiertes Bauteil«bedeutet. Denn im Unterschied zu dem Arduino-Mikrocontroller, dessen Pins in eine Fassung gesteckt sind und deren»beinchen«wiederum durch die Platine hindurch gehen, gibt es auf dem Board auch einen Mikrocontroller, der auf der Oberfläche»montiert«(aufgelötet) ist. Und glauben Sie mir, die kleinen SMD-Bauteile stehen den großen in nichts nach. Denn den meisten Platz bei den großen Bauteilen nehmen mittlerweile nur die großen Anschlusspins ein. In Abbildung 4.5 sehen Sie deutlich den Unterschied der beiden Bauteiltypen auf Ihrem Arduino-Board: Oben 1 finden Sie den Mikrocontroller als SMD-Bauteil, unten 2 einen Mikrocontroller in alter Bauweise. Abbildung 4.5 SMD-Bauteil im Vergleich zur alten Bauweise 65