Arduino-Workshops. Eine praktische Einführung mit 65 Projekten. John Boxall

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3 Arduino-Workshops Eine praktische Einführung mit 65 Projekten John Boxall

4 Übersetzung: G&U Language & Publishing Services GmbH, Satz: G&U Language & Publishing Services GmbH, Copy-Editing: Alexander Reischert, Köln Lektorat: Dr. Michael Barabas Herstellung: Friederike Diefenbacher-Keita Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen National bibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Buch PDF epub Deutsche Ausgabe der amerikanischen Auflage 2013 Translation copyright für die deutschsprachige Ausgabe 2013 dpunkt.verlag GmbH Wieblinger Weg Heidelberg Copyright der amerikanischen Originalausgabe 2013 by John Boxall Title of American original: Arduino Workshop A Hands-On Introduction with 65 Projects No Starch Press, Inc., San Francisco ISBN: Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. Die Zusammenstellung der Software wurde nach bestem Wissen und Gewissen vorgenommen. Bitte berücksichtigen Sie die jeweiligen Copyright-Hinweise, die bei den Programmen enthalten sind. Die Verwendung der Texte und Abbildungen, auch auszugsweise, ist ohne die schriftliche Zustimmung des Verlags urheberrechtswidrig und daher strafbar. Dies gilt insbesondere für die Vervielfältigung, Übersetzung oder die Verwendung in elektronischen Systemen. Es wird darauf hingewiesen, dass die im Buch verwendeten Soft- und Hardware- Bezeich nungen sowie Markennamen und Produktbezeichnungen der jeweiligen Firmen im Allgemeinen warenzeichen-, marken- 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 im Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen

5 Für die beiden Menschen, die stets an mich geglaubt haben: meine Mutter und meine liebste Kathleen

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7 Inhalt Danksagung.... xxiii Kapitel 1: Einführung... 1 Kapitel 2: Ein genauerer Blick auf den Arduino und die IDE Kapitel 3: Erste Schritte Kapitel 4: Grundbausteine Kapitel 5: Funktionen Kapitel 6: Zahlen, Variablen und arithmetische Operationen Kapitel 7: Flüssigkristallanzeigen Kapitel 8: Den Arduino erweitern Kapitel 9: Numerische Tastenfelder Kapitel 10: Benutzereingaben über einen Touchscreen Kapitel 11: Gestatten, Familie Arduino! Kapitel 12: Motoren und Bewegung Kapitel 13: GPS für den Arduino Kapitel 14: Drahtlose Datenübertragung Kapitel 15: Infrarot-Fernbedienungen Kapitel 16: RFID-Transponder lesen Kapitel 17: Datenbusse Kapitel 18: Echtzeituhren Kapitel 19: Das Internet Kapitel 20: Mobilfunkkommunikation Index

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9 Inhaltsverzeichnis Danksagung... xxiii 1 Einführung... 1 Unbegrenzte Möglichkeiten... 2 Die Masse macht s... 6 Teile und Zubehör... 6 Erforderliche Software... 7 Mac OS X... 8 Windows XP und neuer Ubuntu Linux 9.04 und höher Sicherheit Ausblick Ein genauerer Blick auf den Arduino und die IDE Der Arduino Die IDE Der Befehlsbereich Der Textbereich Der Meldungsbereich Ein erster Sketch in der IDE Kommentare Die Einrichtungsfunktion Die Hardware steuern Die Schleifenfunktion Den Sketch überprüfen Den Sketch hochladen und ausführen Den Sketch bearbeiten Ausblick... 33

10 3 Erste Schritte Projekte planen Elektrizität Stromstärke Spannung Leistung Elektronische Bauteile Widerstände Leuchtdioden (LEDs) Steckplatinen Projekt Nr. 1: LED-La-Ola Der Algorithmus Die Hardware Der Sketch Der Schaltplan Den Sketch ausführen Verwenden von Variablen Projekt Nr. 2: Wiederholungen mit for-schleifen Die Helligkeit der LEDs durch Pulsbreitenmodulation ändern Projekt Nr. 3: PBM-Beispiel Weitere elektronische Bauteile Transistoren Gleichrichterdioden Relais Schaltungen mit höherer Spannung Ausblick Grundbausteine Schaltpläne Symbole für die Bauteile Leitungen in Schaltplänen Schaltpläne analysieren x Inhaltsverzeichnis

11 Kondensatoren Die Kapazität von Kondensatoren Kapazitätswerte ablesen Arten von Kondensatoren Digitale Eingänge Projekt Nr. 4: Beispiel für digitale Eingänge Der Algorithmus Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Den Sketch ändern Den Sketch analysieren Konstanten mit #define erstellen Digitale Eingangspins messen Entscheidungen mit if Mehr Entscheidungsmöglichkeiten mit if-then-else Boolesche Variablen Logische Vergleichsoperatoren Zwei und mehr Vergleiche Projekt Nr. 5: Eine Verkehrsampel Das Ziel Der Algorithmus Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Den Sketch ausführen Analoge und digitale Signale Projekt Nr. 6: Ein Testgerät für Einzelzellenbatterien Das Ziel Der Algorithmus Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Rechnen mit dem Arduino Fließkommavariablen Vergleichsoperatoren für Berechnungen Inhaltsverzeichnis xi

12 Die Genauigkeit der Analogmessung durch eine Bezugsspannung verbessern Externe Bezugsspannung Interne Bezugsspannung Regelbare Widerstände Piezoelektrische Summer Das Schaltplansymbol Projekt Nr. 7: Einen Piezosummer ausprobieren Projekt Nr. 8: Ein Thermometer mit Ampelanzeige Das Ziel Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Den Sketch weiterverwenden Ausblick Funktionen Projekt Nr. 9: Eine Funktion zur Wiederholung einer Aktion erstellen Projekt Nr. 10: Eine Funktion mit einstellbarem Blinkvorgang erstellen Funktionen zur Rückgabe von Werten Projekt Nr. 11: Ein Thermometer mit Blinkcodeanzeige Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Daten vom Arduino im seriellen Monitor anzeigen Der serielle Monitor Projekt Nr. 12: Die Temperatur im seriellen Monitor anzeigen Debugging im seriellen Monitor Entscheidungen mit while-anweisungen do-while Daten vom seriellen Monitor an den Arduino senden Projekt Nr. 13: Eine Zahl mit 2 multiplizieren long-variablen Projekt Nr. 14: long-variablen verwenden Ausblick xii Inhaltsverzeichnis

13 6 Zahlen, Variablen und Arithmetische Operationen Zufallszahlen generieren Zufallszahlen aus dem Umgebungsstrom generieren Projekt Nr. 15: Einen elektronischen Würfel erstellen Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Den Sketch ändern Schnellkurs in Binärzahlen Bytevariablen Erweitern der digitalen Ausgänge mit Schieberegistern Projekt Nr. 16: Eine Binärzahlenanzeige aus LEDs bauen Die Hardware Der Anschluss des 74HC Der Sketch Projekt Nr. 17: Ein Binärzahlenquiz konstruieren Der Algorithmus Der Sketch Arrays Arrays definieren Auf Werte in Arrays verweisen In Arrays lesen und schreiben Siebensegmentanzeigen Die LEDs steuern Projekt Nr. 18: Eine einstellige Anzeige konstruieren Die Hardware Der Schaltplan Der Sketch Zweistellige Zahlen anzeigen Projekt Nr. 19: Zwei Siebensegmentanzeigen steuern Die Hardware Der Schaltplan Modulo Inhaltsverzeichnis xiii

14 Projekt Nr. 20: Ein Digitalthermometer konstruieren Die Hardware Der Sketch LED-Matrixanzeigen Die LED-Matrix im Schaltplan Die Verbindungen herstellen Bitarithmetik Der bitweise AND-Operator Der bitweise OR-Operator Der bitweise XOR-Operator Der bitweise NOT-Operator Bitverschiebung nach links und rechts Projekt Nr. 21: Eine LED-Matrix steuern Projekt Nr. 22: Bilder auf einer LED-Matrix anzeigen Projekt Nr. 23: Ein Bild auf einer LED-Matrix darstellen Projekt Nr. 24: Eine LED-Matrix animieren Der Sketch Ausblick Flüssigkristall Anzeigen LCD-Zeichenmodule Ein LCD-Zeichenmodul in einem Sketch verwenden Text anzeigen Variablen und Zahlen anzeigen Projekt Nr. 25: Eigene Zeichen definieren LCD-Grafikmodule Das LCD-Grafikmodul anschließen Die Flüssigkristallanzeige verwenden Die Anzeige steuern Projekt Nr. 26: Textfunktionen in Aktion Aufwändigere Anzeigeeffekte hervorrufen Projekt Nr. 27: Eine Temperaturverlaufskurve aufzeichnen Der Algorithmus Die Hardware Das Ergebnis Den Sketch ändern Ausblick xiv Inhaltsverzeichnis

15 8 Den Arduino erweitern Shields ProtoShield Projekt Nr. 28: Einen eigenen Shield mit acht LEDs konstruieren Die Hardware Der Schaltplan Die Struktur der ProtoShield-Platine Der Entwurf Die Bauteile festlöten Den selbst gebauten Shield ändern Sketche durch Bibliotheken erweitern Die Bibliotheken für einen Shield importieren microsd-speicherkarten Die microsd-karte prüfen Projekt Nr. 29: Daten auf die Speicherkarte schreiben Projekt Nr. 30: Ein Gerät zur Temperaturaufzeichnung konstruieren Die Hardware Der Sketch Zeitmessung mit millis() und micros() Projekt Nr. 31: Eine Stoppuhr konstruieren Die Hardware Der Sketch Interrupts Interrupt-Modi Interrupts einrichten Interrupts aktivieren und deaktivieren Projekt Nr. 32: Interrupts verwenden Der Sketch Ausblick Numerische Tastenfelder Numerische Tastenfelder verwenden Ein Tastenfeld anschließen Programme für das Tastenfeld schreiben Den Sketch testen Inhaltsverzeichnis xv