1.1 Was ist ein Mikrocontroller

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1 1.1 Was ist ein Mikrocontroller Was ist ein Mikrocontroller? Was unterscheidet einen Mikrocontroller von einem Computer? Wo werden Mikrocontroller eingesetzt? Was kann ein Mikrocontroller besonders gut? Was sind seine Schnittstellen zur Welt? Was ist ein Mikrocontroller Board? INPUT Mikrocontroller OUTPUT Mikrocontroller ATMEGA328p Was ist ein Mikrocontroller? Ein Mikrocontroller ist ein Chip in dem Prozessor, Arbeitsspeicher, Programmspeicher, Taktgeber sowie Ein- und Ausgabepins integriert sind. Was unterscheidet einen Mikrocontroller von einem Computer? Bei einem Computer sind Prozessor, Arbeitsspeicher und Programmspeicher meistens auf verschiedenen Chips verteilt. So gesehen ist ein Mikrocontrollerchip ein kompletter Mini- Computer. Wo werden Mikrocontroller eingesetzt? Mikrocontroller findest du in immer mehr technischen Geräten: Sie sind in Waschmaschinen, Videorekordern, Fernsehern, Fernbedienungen, Büroelektronik, Steuergeräten von Autos (z.b. ABS, Airbag, Motor usw.), Handys und in allen möglichen PC-Peripheriegeräten enthalten. Unser Mikrocontroller-Board: Der Arduino UNO Was kann ein Mikrocontroller besonders gut? Es gibt je nach Anwendung sehr unterschiedliche Mikrocontroller. Sie unterscheiden sich in Leistungsfähigkeit und Ausstattung. Günstig: Einfache Mikrocontroller sind in hohen Stückzahlen schon für unter einen Euro erhältlich. Relativ schnell: Unser Mikrocontroller ist ein ATMEGA328p. Er taktet mit 16 MHz. Das heißt, er führt 16 Millionen Rechenoperationen pro Sekunde aus. (Das sind ziemlich viele - aber im Vergleich zum PC relativ wenige). Schnittstellen zur Welt Am PC kann man nicht so einfach Sensoren (Ultraschallsensor, Helligkeitssensor etc) und Aktoren (LEDs, Servomotor, Getriebemotor etc.) anschließen. Auf einem Mikrocontrollerboard ist das ganz einfach. Was sind seine Schnittstellen zur Welt? Über seine Beinchen kann der Mikrocontrollerchip mit der Umwelt in Kontakt treten: Ein- und Ausgabeports sind die Tore zur Welt. Die Pins können als Eingänge ODER Ausgänge verwendet werden. Als Eingänge messen sie Spannungen. Als Ausgänge liefern sie Strom. Das ODER ist ganz wichtig! Im Normalfall ist jeder Pin erst mal ein Eingang! Mikrocontrollerboards haben (meist) keinen eigenen Bildschirm, keine Tastatur und keine Maus. Was ist ein Mikrocontroller Board? Zur besseren Kontaktierung ist der Mikrocontroller auf eine Platine gelötet. Diese Platine nennt man das Mikrocontrollerboard. Unser Mikrocontrollerboard gehört zur Arduinofamilie. Neben den Input und Output-Pins verfügt der Arduino UNO noch über ein paar zusätzliche Extras wie einen Reset-Button und einige LEDs. 1. Allgemeines zum : Es ist normal, wenn es mal nicht tut. 2. In der Mikrocontrollertechnik gibt es unheimlich viele Fehlerquellen. 3. Wenn es nicht funktioniert, ist Trial & Error nicht immer der beste Weg. Eine systematische Fehlersuche führt schneller zum Ziel. Die Behebung eines Programmfehlers nennt man in der Informatik debuggen! (Ein Bug ist ein Insekt hatte eine Motte für den Ausfall von Mark II (Großrechner) gesorgt. Daher der Begriff debuggen ) 4. Man kann in den Mikrocontroller nicht hineinsehen. Man muss die Schnittstellen ansehen. C++ Code Es gibt Hochsprachen und für Menschen völlig unverständlichen Maschinencode. Aber auch die sogenannten Hochsprachen verlangen eine genaue Befolgung einer fest vorgegebenen Syntax: Groß- und Kleinschreibung, Kommas, Klammern, Strichpunkt, englische Befehle, etc. Weil hier so viele Fehlerquellen liegen, wollen wir mit einer grafischen Programmieroberfläche (ArduBlock) beginnen, die uns manche Arbeit abnimmt. Wir können uns so auf die Struktur unserer Programme konzentrieren.

2 1.2 EVA-Prinzip Mit welchen Größen arbeitet der Arduino? Was versteht man unter dem EVA-Prinzip? Welche Inputsignale versteht der Arduino? Was kommt aus dem Arduino raus? Welche Sensoren und Aktoren gibt es? Welche Pins sind Inputs-Pins welche sind Output-Pins? Wie sieht die Signalverarbeitung beim Menschen aus? Eingang Verarbeitung Ausgang Mit welchen Größen arbeitet der Arduino? Unser Mikrocontroller-Board ist ein sehr einfacher Computer. Da er weder über Tastatur, noch über Maus oder Bildschirm verfügt, sind seine Möglichkeiten mit uns bzw. der realen Welt in Kontakt zu treten sehr begrenzt. Er ist blind und taub. Er kann keine Lichtsignale sehen und keine Befehle hören. Er kann weder leuchten noch sprechen. Er kann nur Spannung und Strom. Die Schnittstellen zur Welt sind die kleinen Pins in die wir Kabel einstecken können. Die Kabel können wir mit Aktoren oder Sensoren verbinden. Was versteht man unter dem EVA-Prinzip? Etwas geht rein (Eingabe oder Input). Etwas geht raus (Ausgabe oder Output). Und dazwischen passiert irgendetwas, was wir nicht sehen können (Verarbeitung). Diesen Ablauf bezeichnet man als EVA-Prinzip. Zustände: An / Aus bzw. HIGH /LOW. Spannungen, die zwischen 2 Volt und 5 Volt liegen, werden als HIGH-Pegel gewertet, Spannungen zwischen 0 und 0,8 Volt als LOW-Pegel. Dazwischen ist der Pegel undefiniert. Über die Input-Pins kann man Sensoren anschließen. Sensoren wandeln Messwerte wie Temperatur oder Entfernung in elektrische Signale um. Der Arduino prüft, ob der Sensor einen HIGH- oder LOW-Pegel liefert und reagiert dann so wie du ihn programmiert hast. Was kommt aus dem Arduino raus? An den Output-Pins kann man Aktoren anschließen. Aktoren wandeln elektrische Energie dann in Licht, Bewegung, Töne etc. um. Welche Sensoren und Aktoren gibt es? Beispiele für Sensoren: Helligkeits-, Abstands-, Magnet-, Temperatur-, Drehsensoren und viele mehr. Beispiele für Aktoren: Motoren aller Art (Servo-, Getriebe-, Schrittmotoren), LED, Displays, Relais und viele mehr Welche Pins sind Inputs-Pins welche sind Output-Pins? Die meisten Pins können sowohl als Input- als auch als Output- Pins verwendet werden. Es muss nur eindeutig im Programmcode festgelegt werden! Wie sieht die Signalverarbeitung beim Menschen aus? Man sagt, der Menschen habe fünf Sinne: Sehen, Hören, Schmecken, Riechen und Fühlen. Wir fühlen mit mehr als 20 verschiedenen Rezeptortypen. Die meisten davon befinden sich in der Haut. Zum Fühlen gehören der Tastsinn, der Temperatursinn und der Schmerzsinn. Hautsensoren wandeln physikalische Reize in elektrische Signale um. Erst im Gehirn entsteht die komplette Sinneswahrnehmung (vgl. dasgehirn.info) Welche Inputsignale versteht der Arduino? Unser Arduino ist ein digitales Gerät, d.h. er kennt nurzwei Wahrnehmung Denken Handeln 1. Kommunikation ist an Regeln gebunden. Computer / Mikrocontroller verfügen über keine eigene Intelligenz. Sie sind auch meist nicht besonders tolerant gegenüber Fehlern. Wenn man sie nutzen will, muss man sich ihnen anpassen, man muss verstehen, wie sie ticken. 2. Es ist aber nicht unbedingt notwendig ihr Innenleben zu kennen. Wichtiger sind die Schnittstellen. Welche Signale versteht der Mikrocontroller?

3 1.3 Arduino IDE Was ist eine Entwicklungsumgebung Wie rufe ich das Arduinoprogramm (die ArduinoIDE) auf? Welcher Button hat welche Funktion? Welche Rückmeldungen werden im Nachrichtenfenster ausgegeben? Wie zeigt der Arduino an, dass er Daten austauscht? Wie wähle ich Platine und serielle Schnittstelle aus? Wie lade ich das Blink-Programm? Mensch PC mit Arduino-IDE Arduino Abb.: Vereinfachtes Blockschaltbild Was ist eine Entwicklungsumgebung? Eine direkte Kommunikation mit dem Arduino ist nicht möglich, er spricht nicht unsere Sprache und hat weder Tastatur noch Hörsensoren. Um ihm dennoch mitteilen zu können, was er tun soll, musst du den Arduino programmieren. Dazu wird eine spezielle Programmieroberfläche verwendet. Sie heißt Arduino-IDE. Die Arduino-IDE (engl.: integrated development environment) ist eine Sammlung von Programmen, um Programmiercode zu schreiben (Editor) und auf den Mikrocontroller hochzuladen. Die Arduino-IDE läuft auch vom Stick und wird durch einen Doppelklick auf die arduino.exe geöffnet. Welcher Button hat welche Funktion? Überprüfen: Der Programmcode wird überprüft aber nicht auf den Arduino hochgeladen. Hochladen: Der Programmcode wird überprüft und, wenn er fehlerfrei ist, hochgeladen. Neu: Es öffnet sich ein neues Fenster mit der Grundstruktur für ein neues Programm. Öffnen: Du kannst ein vorhandenes Programm auswählen und öffnen. Speichern: du kannst dein Programm unter einem Namen abspeichern. Welche Rückmeldungen werden im Nachrichtenfenster ausgegeben? Ganz unten in der Arduino-IDE befindet sich das Nachrichtenfenster. Hier wird beispielsweise der Status der Kommunikation mit dem Arduino angezeigt (z.b. Hochladen abgeschlossen ) oder es werden Fehlermeldungen ausgegeben. Wie zeigt der Arduino an, dass er Daten austauscht? Auf dem Board findest Du eine PowerLED und Tx/Rx-LEDs. Die PowerLED gibt zeigt an, dass das Board mit Strom versorgt ist. Die Tx/Rx-LEDs geben Aufschluss über die Kommunikation deines Arduinos mit der Arduino-IDE: Ein wildes Geflacker von Rx/Tx zeigt, dass Daten gehen hin und her gesendet werden. Außerdem gibt es noch eine weitere LED. Diese ist direkt an Pin13 angeschlossen und wird deshalb auch Onboard-LED genannt. Diese LED kann man direkt programmieren. Wo wird die Platine bzw. das Board ausgewählt? In der Arduino-IDE findest Du Unter Werkzeuge das Menü Platine (bzw. board ). Hier kannst du unseren Arduino/Genunio UNO als Mikrocontrollerboard wählen. Wo wird die serielle Schnittstelle ausgewählt? Unter Werkzeuge findest du das Menü Port. Hier musst du den richtigen Com-Port wählen. Wie lade ich das Blink-Programm? Unter Datei/Beispiele/01Basics findest du das Programm blink 1. Leuchtet die Power-LED funktioniert die Verbindung zwischen Computer und Arduino nicht richtig. 2. Das Blink-Programm eignet sich sehr gut, um zu testen, ob der Hochladevorgang prinzipiell funktioniert. 3. Wenn du nicht den richtigen Com-Port gewählt hast, kann die Arduino-IDE nicht mit dem Arduino kommunizieren. C++Code Jedes Arduinoprogramm hat eine Setup-Funktion und eine Loop-Funktion. Die Setup-Funktion wird nach dem Start genau einmal ausgeführt. Die Loop-Funktion (engl.: Schleife) wird dann abgearbeitet und dann fortwährend wiederholt.

4 1.4 ArduBlock-IDE Wie rufe ich ArduBlock auf? Welche Bedeutung haben die Farben der Blöcke? Wie kann ich Blöcke einfügen, verschieben, löschen und klonen Kann man alle Blöcke miteinander verbinden (Formen)? Wie programmiere ich die Onboard-LED? Was ist ArduBlock? ArduBlock ist eine grafische Programmieroberfläche. In verschiedenen Menüs stehen dir Blöcke für die Programmierung zur Verfügung. Du brauchst dich um die Schreibweise der Befehle nicht zu kümmern. ArduBlock nimmt dir eine Menge Arbeit ab. Wie rufe ich ArduBlock auf? Die ArduBlockIDE wird über die ArduinoIDE aufgerufen: In der ArduinoIDE findest du im Menü Werkzeuge die Schaltfläche Ardublock. Änderungen, die man in der ArduinoIDE macht, werden von Ardublock leider nicht übernommen (anders rum schon) Welche Bedeutung haben die Farben der Blöcke? Die gelben Blöcke haben mit der Steuerung zu tun (Verzweigungen, Pausen, Schleifen), die dunkelblauen Blöcke sind Blöcke für Aktoren. Mit den hellblauen Blöcken werden Sensoren eingebunden. Mit logischen Operatoren (rosa) kann man Entscheidungen testen (größer oder kleiner), mit mathematischen Operatoren (lila) können alle mathematischen Funktionen genutzt werden. Sehr wichtig sind die roten Blöcke, mit denen man Variable und Konstante setzen kann. Für die Fehlersuche sind die braunen Kommunikations-Blöcke sehr wichtig. Blöcke klonen. Blöcke werden gelöscht, indem du sie zurück in das Menüfeld ziehst. Kann man alle Blöcke miteinander verbinden (Formen)? Nicht alle Blöcke lassen sich miteinander kombinieren. Nur passende Blöcke klicken ineinander. Es gibt Blöcke für unterschiedliche : HIGH / LOW (digitale Werte), Zahlen (analoge Werte), Buchtstaben (char) Unser erstes Programm: Onboard-LED einschalten Der Block Wiederhole fortlaufend erzeugt eine Schleife (loop): alles was in der Klammer ist, wird von oben nach unten abgearbeitet und dann wiederholt. Mit dem Block digitalwrite wird ein Pin (hier Pin13) auf HIGH oder LOW gesetzt. Der Block warte Millisekunden hält das Programm für x- Millisekunden an. Wie kann ich Blöcke einfügen, verschieben, löschen und klonen? Alle Blöcke unterhalb des markierten Blocks werden mitbewegt. Mit der rechten Maustaste kann man einen oder mehrere 1. Speichere dein Programm regelmäßig ab! 2. Überprüfe in der ArduinoIDE, ob das Programm hochgeladen wurde. 3. Welche Systemmeldungen werden angezeigt? 4. Wenn es Probleme beim Hochladen gibt, gehe die Checkliste durch! Beispiel-Code

5 1.5 Arduino-Board Welche Arduino Boards gibt es? Was sind die wichtigsten Daten vom UNO? Was sind die Hauptkomponenten eines Arduino-UNO- Boards? Wie schließe ich eine LED an? Warum brauche ich einen Vorwiderstand? Welche Arduino-Boards gibt es? Es gibt unterschiedliche Arduino-Boards: Yun, Mega, Uno, Nano etc. Wir verwenden das Arduino-UNO Board mit einem Atmega328p - Prozessor Was sind die wichtigsten Daten vom UNO? Der Arduino UNO hat 14 digitale Ein und Ausgänge und 6 analoge Eingänge (was analog und was digital ist, siehe nächste Module) Achtung: Jeder Pin ist entweder Ein- oder Ausgang. Nie beides zugleich! Das ODER ist sehr wichtig. Es gibt es Reihe von Pins, die für die Stromversorgung zuständig sind. Die wichtigsten sind 5V und Ground (GND) Der Arduino hat eine Taktfrequenz von 16 MHz. Das bedeutet er taktet 16 Mio mal pro Sekunde. Er kann somit 16 Mio. Rechenoperationen pro Sekunde ausführen. Für jeden Befehl (z.b. digitalwrite) braucht er einige Operationen. Das heißt er hat sein Programm in der Regel im Bruchteil einer Sekunde abgearbeitet, wenn keine Pause eingebaut wurde oder er auf Eingaben warten muss! Was sind die Hauptkomponenten eines Arduino-UNO-Boards? Mikrocontroller (bestehend aus Prozessor, Arbeitsspeicher, Programmspeicher, Taktgeber), USB-Anschluss, Stromanschluss, Onboard-LED, Tx/Rx-LEDs, Power-LED, Reset-Button, digitale Ein- und Ausgänge, analoge Eingänge. Finde die Bauteile auf deinem Arduino! Wie schließe ich eine LED an? Die LED hat ein langes und ein kurzes Beinchen. Das lange ist die Anode (Plus), das kurze ist die Kathode (Minus). Wird die LED anders herum angeschlossen, dann sperrt sie. Es fließt kein Strom. Warum brauche ich einen Vorwiderstand? In der Durchlassrichtung bietet eine LED dem Strom keinen Widerstand. Fließt ein zu großer Strom durch die LED, wird sie zerstört. Um den Strom zu begrenzen braucht man einen ausreichend großen Vorwiderstand. 1. Verdrahtungsfehler: Viele Probleme entstehen bei der Verdrahtung. Einfache Schaltungen kannst du auch ohne Programmierung testen. Verbinde die Anode mit dem 5V- Pin und den Vorwiderstand mit GND. Wenn a) der Stromkreis geschlossen ist, b) die LED richtig gepolt ist und c) der richtige Widerstand gewählt wurde, dann sollte die LED leuchten. 2. Programmfehler: richtiger Pin gewählt? logische Fehler im Code? gedankliche Fehler im Programm? Beispielcode Onboard-LED blinkt abwechselnd mit der externen LED an Pin12