Arduino ist eine Mikrocontrollerplattform,

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1 Elektronik-Prototypen mit der Arduino-Plattform Physical Computing Interaktion mit der realen Welt, auch Physical Computing genannt das bietet Arduino auch dem Nichtelektroniker. Was Sie für den Einstieg alles brauchen, lesen Sie in diesem Artikel. Von Markus Stäuble Autor Dr. Markus Stäuble ist passionierter Informatiker, Conference Chair der Developer Week und Programmleiter Make beim Franzis Verlag. Neben Make beschäftigt er sich viel mit dem Thema Mobile und hat zu dessen Auswirkungen auf die Arbeitswelt promoviert. Arduino ist eine Mikrocontrollerplattform, die mit der kostenlosen Arduino IDE programmiert wird. Die Platinen eignen sich hervorragend für den schnellen Aufbau von Prototypen, denn die einzelnen Anschlüsse des Mikrocontrollers sind über Steckleisten (Header genannt) ausgeführt. Von dort können diese Anschlüsse direkt mit einem Steckbrett (Breadboard) verbunden wurden. Der Quellcode in der Arduino IDE wird direkt am PC übersetzt und über USB auf den Mikrocontroller übertragen viel einfacher geht es nicht. Etwas Historie Die Grundsteine für Arduino wurden bereits 2002 am Interaction Design Institute Ivrea (IDII) in Italien gelegt. Zu diesem Zeitpunkt wurde Massimo Banzi, einer der Gründer des Arduino-Projekts, als Associate Professor angestellt und sollte seinen Studenten das Thema Physical Computing näherbringen. Dafür stand ihm eine BASIC Stamp von Parallax zur Verfügung, die mit einem BASIC-Dialekt programmiert werden konnte. Auch heutzutage gibt es noch BASIC- Stamp-Boards von Parallax. Maßgeblich störten Banzi zwei Dinge an den Boards: Zunächst hatten die Boards eine zu geringe Rechenleistung für die Projekte einiger seiner Studenten, und zweitens waren die Boards zu teuer. Da sein Kurs hauptsächlicher von angehenden Designern besucht wurde, war der Mac sehr verbreitet. Deswegen benötigte er eine Umgebung, die auch unter Mac OS lief. Aus diesen Anforderungen heraus definierte er seine Vorstellungen für eine passende Mikrocontroller-Plattform. Sein Student Hernando Barragan entwickelte eine neue Prototyping-Plattform mit dem Namen Wiring. Wiring basiert auf Processing, einer Programmiersprache die auch Einsteigern schnelle Erfolge ermöglicht Banzi ging Wiring aber noch nicht weit genug. Im Jahr 2005 erstellte Banzi dann den ersten Prototyp seiner Vision, damals noch nicht unter dem Namen Arduino. Banzi und seine Kollegen entschieden, das Projekt unter Open Source (Creative Commons) zu stellen. Wie kam es nun zu dem Namen? Nun, anscheinend haben die Gründer in einer Bar (Bar Re Arduino Di Di Gennaro Fabio) gesessen und die Plattform einfach nach dieser Bar benannt: Arduino. Welcher Arduino darf es sein? Längst gibt es nicht mehr den einen Arduino, sondern es existiert eine große Vielzahl an unterschiedlichen Platinen. Für Entwickler ist dabei wichtig zu wissen, dass alle Arduino-Platinen mit der Arduino IDE programmierbar sind und einen USB-Anschluss besitzen, um diesen mit einem PC zur Programmierung zu verbinden. Auch eine Spannungsversorgung ist über die USB-Schnittstelle möglich. Für den ersten Test haben alle Arduino-Platinen eine LED, die mit PIN 13 verbunden ist. Somit ist das Blink-Beispiel auf jeder Platine lauffähig. Wenn man von dem Arduino spricht, ist häufig der Arduino Uno (Bild 1) gemeint, dieser Der Arduino Uno ist das bekannteste Mitglied der Familie (Bild 1) Mit Shields lassen sich Arduinos hardwareseitig erweitern (Bild 3) 126 7/2015

2 dient häufig auch als Referenz für die vielen verfügbaren Libraries. Der Uno besitzt einen Atmel ATmega328, dieser ist mit 16 MHz getaktet. Das Board stellt 20 programmierbare Pins zur Verfügung, diese können wahlweise als Ein- wie auch als Ausgang verwendet werden. Davon können sechs Pins auch als analoge Eingänge verwendet werden und bei sechs anderen Pins kann eine Pulsweitenmodulation (PWM) eingeschaltet werden. Über USB erfolgt die Programmierung, und für kleine Schaltungen kann auch die Stromversorgung (maximal 500 ma) darüber bereitgestellt werden. Bei Projekten, die mehr Strom benötigen, kann der Uno an eine separate Spannungsquelle (7 12 V) angeschlossen werden. Den Arduino Uno gibt es in zwei Versionen. Einmal in einer SMD-Version, das heißt, hier ist der Mikrocontroller fest verlötet. Daneben existiert die Version mit Prozessor im DIL- Gehäuse. Beim Austausch des Mikrocontrollers muss der neue Chip aber über den ICSP-Anschluss (In Circuit Serial Programming) mit dem Bootloader bespielt werden. Der Bootloader ist erforderlich, um die Arduinos auch über die Arduino IDE programmieren zu können. Der Arduino Leonardo ist ebenfalls mit 16 MHz getaktet, hat aber einen ATMega32U4 als Mikrocontroller auf dem Board. Dadurch kann das Board nicht nur wie der Uno über USB programmiert werden, sondern auch als Eingabegerät (HID, Human Interface Device) am Computer agieren wie eine Tastatur oder Maus. Für größere Projekte bietet sich der Arduino Mega 2560 (Prozessor: Atmel ATmega2560) an. Dieser bietet insgesamt 54 digitale Input-/Output- Pins, daneben stehen noch 16 analoge Eingänge bereit. Für den Anschluss weiterer Geräte an das Board unterstützt dieses die Protokolle I2C und SPI, diese beiden Protokolle unterstützt der Uno übrigens auch. Der Prozessor ist wie der Uno / Leonardo mit 16 MHz getaktet, besitzt aber 256 KByte Flash-Speicher (anstelle der 32 KByte beim Uno / Leonardo). Schon der Leonardo kann als Eingabegerät genutzt werden, wobei dies nicht mit den Möglichkeiten des Arduino Esplora vergleichbar ist. Dieser kommt in Form eines Gamepads mit vielen Schaltern und Sensoren. Zum Beispiel besitzt der Esplora einen analogen Joystick und vier kreuzförmig angeordnete Schalter. Über ein Mikrofon können Töne aufgenommen werden. Helligkeit kann über den Lichtsensor erfasst werden, auch für Messungen der Temperatur ist ein Sensor untergebracht. Besonderes Highlight ist ein 3-Achsen-Accelerometer zur Messung der Lage im Raum. Wer direkt mit Sensoren experimentieren möchte, hat hier den passenden Arduino. Wem die Rechenleistung von Uno / Leonardo nicht ausreicht, der sollte zum Arduino Due (Bild 2) greifen. Dieser wird mit 84 MHz getaktet und besitzt 512 KByte Flash-Speicher. Das Board kommt mit zwei USB-Ports einem für die Programmierung, und der andere dient als USB- Host. Damit kann zum Beispiel auch ein Smartphone angeschlossen werden und auf dessen Eingaben reagiert werden. Neben den drei vorgestellten Platinen gibt es aber noch viel mehr: Arduino Robot stellte eine Roboterplattform dar. Der LilyPad ist ein Arduino als Basis für Wearables wollten Sie nicht schon immer einen Mikrocontroller am T-Shirt? Ein sehr spannender Arduino ist der Der Arduino Due bietet mehr Rechenleistung (Bild 2) Via Ethernet-Shield ins Netzwerk (Bild 4) Auch eine WLAN-Anbindung ist via Wifi-Shield möglich (Bild 5) 7/

3 Boards-Manager mit selektiertem Paket für den Arduino Due (Bild 6) Auf jedem Arduino-Board ist eine LED mit Pin 13 verbunden. Hier im Bild der Arduino Uno (Bild 8) Editorfenster nach dem Start der Arduino IDE (Bild 7) Kompilieren und Hochladen kann direkt mit einem Klick ausgeführt werden, über den Pfeil nach rechts (Bild 9) Arduino Yún. Das Board ist zweigeteilt. Die eine Seite läuft mit einem Linux-Betriebssystem und die andere Seite als herkömmlicher Arduino. Das Board kommt mit zwei Prozessoren, einem Atheros AR9331 mit MIPS-Architektur und einem Atmega32U4 (wie auf dem Leonardo). Über eine Bridge-Bibliothek kommunizieren die beiden Seiten miteinander. Für die Kommunikation im Netz ist das Board zusätzlich mit Wi-Fi ausgestattet. Wem der Uno von den physikalischen Dimensionen her zu groß ist, der sollte zum Arduino Micro greifen. Dieser ist lediglich 48 x 18 mm groß und wiegt 13 Gramm im Vergleich: Der Arduino misst 68,6 x 53,4 mm und wiegt 25 Gramm. Wie der Leonardo ist der Arduino Micro mit einem ATMega32u4 ausgestattet. Erweiterbar durch Shields Selbst die besten Entwickler verpassen ihrer ersten Version nicht alle Funktionen. Bei einer Software lässt sich das leicht durch Updates nachschieben, bei Hardware ist das nicht so einfach. Bei der Arduino-Plattform geschehen diese nachträglichen Updates durch die sogenannten Shields. Dies sind Platinen die auf die Header aufgesteckt werden können. Die einzelnen Shields sind wieder mit Headern versehen und dadurch sind die Shields stapelbar. Wer die einfache LED langweilig findet und mehr physikalische Bewegung möchte, dem sei das Motor-Shield (Bild 3) empfohlen. Das Herz des Shields ist der L298P- Motorcontroller, der zwei Gleichstrommotoren oder einen Schrittmotor steuern kann. Gleichstrommotoren sind sehr einfach zu verstehen: Legt man eine entsprechende Spannung an den Motor an, beginnt dieser zu drehen. Ändert man die Polarität der Spannung, ändert sich die Drehrichtung des Gleichstrommotors. Da Motoren häufig mehr Strom brauchen, als der Arduino liefern kann, besteht die Möglichkeit zum Anschluss einer externen Spannungsversorgung an das Motor-Shield. Um den Ardunio mit dem Netzwerk zu verbinden, stehen zwei Shields von Arduino zur Verfügung: Ethernet-Shield (Bild 4) und Wifi- Shield (Bild 5). Zwei der Prinzipien von Arduino gelten auch für die Entwicklung von Shields: Einfachheit und schnelle Umsetzbarkeit. Die schnelle Umsetzbarkeit wird durch Prototypen gewährt. Um ein Shield als Prototyp aufzubauen, existiert das sogenannte Proto Shield. Dies wird auf die Header aufgesteckt und besitzt ansonsten eine Lochrasterplatine. Darauf kann die entsprechende Schaltung aufgebaut werden. Damit kann die Idee vom eigenen Shield sehr schnell umgesetzt werden. Installation Um einen Arduino zu programmieren, wird die Arduino IDE benötigt. Diese steht für zahlreiche Plattformen wie Linux, Mac OS X und Windows zum kostenlosen Download zur Verfügung. Die Installation gestaltet sich sehr einfach und man wird mittels Installationsdialog durchgeführt. Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss geprüft werden, ob die entsprechende Platine auch von der installierten Version der Arduino IDE unterstützt wird. Bei den meisten Platinen trifft dies auch zu. Die Ausnahme stellt der Arduino Due dar. Die Unterstützung für diese Platine muss noch manuell durchgeführt werden. Über den sogenannten Boards Manager (Bild 6) kann das entsprechende Paket ausgewählt werden. Nach Klick auf Install wird das Paket installiert. Nach der Installation des Pakets für den Arduino Due (Name: Arduino SAM Boards (32-bits ARM Cortex-M3)) steht die 128 7/2015

4 Auch der Arduino Due besitzt eine mit Pin 13 verbundene LED, nur an anderer Position (Bild 10) Platine unter dem Menüpunkt Werkzeuge, Platine zur Auswahl zur Verfügung. Nach der Installation der Arduino IDE kann es nun endlich an die Programmierung einer Arduino-Platine gehen. Für den ersten Versuch ist noch keine eigene elektronische Schaltung erforderlich. Ein Programm für den Arduino wird als Sketch bezeichnet. Die Programmiersprache, mit der ein Sketch erstellt wird, ist C. Nach dem Start wird die Arduino IDE direkt mit einem Editorfenster mit einem Codeskeleton gestartet (Bild 7). Dieses Codeskeleton enthält die beiden leeren Methoden setup() und loop(). Der erste Schritt besteht nun in der Auswahl des zu programmierenden Boards über den Menüpunkt Werkzeuge, Platine. Für das erste Programm wird ein Arduino Uno verwendet, somit wird auch Arduino Uno ausgewählt. Unter Werkzeuge, Port muss der Anschluss ausgewählt werden, über den der Arduino Uno mit dem PC verbunden ist. Wie anfangs erwähnt, besitzt jeder Arduino eine LED, die direkt mit Pin 13 auf dem Board verbunden ist. Beim Ardunio Uno ist diese LED neben Pin 13 platziert und mit dem Buchstaben L beschriftet (Bild 8). Diese LED soll nun zum Blinken gebracht werden. Ein Arduino-Sketch besitzt eine setup- Methode und eine loop-methode. Die setup-methode wird einmal ausgeführt und die loop-methode fortwährend. Um die LED zum Blinken zu bekommen, muss Pin 13 wechselnd mit Spannung (Wert: 1, HIGH) und mit Masse (Wert: 0, LOW) belegt werden. Damit der Blinkvorgang auch sichtbar wird, ist eine Pause zwischen der wechselnden Belegung erforderlich. Zuerst muss Pin 13 als Ausgabeport definiert werden, dies erfolgt über die Methode pinmode. Um die LED anzuschalten, wird der Ausgang auf HIGH gesetzt; um die LED wieder auszuschalten, entsprechend auf LOW. Ein digitaler Ausgang wird über den Befehl digitalwrite gesetzt. Zwischen den einzelnen Befehlen wird über die Methode delay gewartet. Die Wartezeit wird dabei in Listing 1: LED an Pin 13 blinkt jede 500 ms /** * blink.ino * Sketch zum Blinken der auf dem Board integrierten LED. * * Variablendeklaration * ledpin : Pin der LED, in diesem Fall 13, da die integrierte * LED genutzt wird **/ int led = 13; // Routine wird einmal ausgefuehrt void setup() { // PIN 13 als Ausgabe initialisieren pinmode(led, OUTPUT); // Routine laeuft staendig void loop() { digitalwrite(led, HIGH); // LED anschalten delay(500); // 500 ms warten digitalwrite(led, LOW); // LED ausschalten delay(500); // 500 ms warten Listing 2: Geschwindigkeit der blinkenden LED /** * blink_analog.ino * Sketch zum Blinken der auf dem Board integrierten * LED. Die Geschwindigkeit * wird ueber einen Poti geregelt. * Zugehoerige Schaltung: blink_analog.fzz * * Variablendeklaration * potipin : Pin fuer das Einlesen des Wertes des * Potenziometers * ledpin : Pin der LED, in diesem Fall 13, da die * integrierte LED genutzt wird * value : Eingelesener Wert des Potenziometers **/ int potipin = 0; int ledpin = 13; int value = 0; //Initialisierung void setup() { pinmode(ledpin, OUTPUT); void loop() { value = analogread(potipin); // Wert vom // Potenziometer lesen digitalwrite(ledpin, HIGH); // LED anschalten delay(value); // Warten digitalwrite(ledpin, LOW); // LED ausschalten delay(value); // Warten 7/

5 Links zum Thema A4S, Arduino for Scratch damellis/a4s Arduino Arduino IDE Software Arduino Troubleshooting Troubleshooting Atmel BASIC Stamp catalog/microcontrollers/ basic-stamp Blink-Beispiel Tutorial/Blink Fritzing Huckster.io arduino Instructables howto/arduino/ PBASIC PBASICHelp Processing Raspberry Pi Scratch S4A Wiring Millisekunden angegeben (Listing 1). Um ein Programm auf einem Arduino auszuführen, muss dieses zunächst auf einem Computer kompiliert und danach hochgeladen werden. Im Editor der Entwicklungsumgebung können beide Aktionen in einem Schritt ausgeführt werden. Hierfür muss der Pfeil nach rechts im Menü des Editors ausgewählt werden (Bild 9). Während des Hochladens signalisiert der Arduino über ein Blinken der RX/TX-LEDs, dass Daten verarbeitet werden. Sollte das Hochladen nicht klappen, hilft gegebenenfalls die Troubleshooting- Seite auf der Arduino-Webseite. Ansonsten wird der Sketch direkt auf dem Arduino ausgeführt. Das Schöne ist, dass dieser Sketch auch auf anderen Arduino-Boards lauffähig ist, so auch auf dem Arduine Due. Lediglich das Board muss über den Menüpunkt Werkzeuge, Platine auf Arduino Due gesetzt werden. Da der Arduino Due über zwei USB-Anschlüsse verfügt, muss der geeignete Anschluss ausgewählt werden. Auf der Unterseite des Boards sind diese beschriftet, einmal mit NATIVE USB und einmal mit PRO- GRAMMING. Wichtig beim Arduino Due ist, dass der richtige USB-Anschluss mit dem PC verbunden ist. Nach dem Hochladen des Sketches blinkt die LED, wobei diese beim Arduino Due an anderer Stelle sitzt und nicht direkt neben Pin 13 (Bild 10). Die Blinkgeschwindigkeit kann über die Wartezeit angepasst werden, eine Anpassung erfordert aber ein erneutes Kompilieren des Sketches. Dies geht auch anders, nämlich über die Nutzung eines Potenziometers an einem analogen Eingang. Hierfür wird die Schaltung auf einem Steckbrett aufgebaut. Die Schaltung ist dabei sehr einfach: Einer der äußeren Pins des Potenziometers wird mit Masse (Bezeichnung: GND) und der zweite äußere Pin mit 5 V verbunden. Der mittlere Anschluss wird an einen analogen Eingang geführt, in diesem Beispiel A0 (Bild 11). Schaltung zum Einlesen des Wertes eines Potenziometers (Bild 11) Tagen noch nachvollziehen zu können, ist zwingend eine gute Dokumentation notwendig. Der Quellcode kann einfach über Kommentare dokumentiert werden, für die Schaltungen bietet sich Fritzing an. Die Software steht unter der GNU-GPLv3-Lizenz und ist als Download direkt für die folgende Plattformen verfügbar: Linux, Mac OS X und Windows. Die Software lässt sich einfach bedienen und stellt viele Komponenten zur Verfügung. Zum Beispiel sind die Arduino-Boards direkt integriert und können somit im Schaltplan verwendet werden. Nach dem Aufbau der Schaltung auf dem Steckbrett geht es an die Programmierung des Sketchs. Im Vergleich zum ersten Sketch wird hier ein Pin genutzt, um einen analogen Wert zu lesen. Die entsprechende Methode ist analogread. Der gelesene Wert wird für die Methode delay genutzt (Listing 2). Bisher wurde die LED an Pin 13 genutzt, nun soll aber eine LED auf dem Steckbrett genutzt werden. Als Programm kann Listing 1 genutzt werden. Lediglich der Ausgangspin (Variable: led) wird auf 12 gesetzt. Für eine LED wird ein Quelle: Fritzing.org Dokumentation mit Fritzing Zu einem Arduino-Projekt gehört neben Quellcode meist auch eine elektronische Schaltung. Um das Projekt auch nach Eine LED benötigt immer einen Vorwiderstand (Bild 12) Quelle: Fritzing.org 130 7/2015

6 Vorwiderstand (220 Ohm) benötigt. Pin 12 wird mit dem Widerstand verbunden und dieser mit der Anode der LED (längeres Beinchen). Die Kathode wird mit Masse (Bezeichnung: GND) verbunden. Und schon kann die Schaltung getestet werden (Bild 12). Pulsweitenmodulation nutzen Quelle: Fritzing.org Beim Ardunio Uno können sechs Pins (3, 5, 6, 9, 10 und 11) für eine Pulsweitenmodulation (PWM) genutzt werden. Ein PWM-Signal wechselt zwischen 0 und 1, die Häufigkeit des Wechsels wird durch die Frequenz bestimmt. Neben der Frequenz ist der duty cycle eine wichtige Kenngröße für eine PWM. Darüber wird festgelegt, wie lange eine 1 anliegt. Zum Beispiel sagt ein duty cycle von 60 Prozent aus, dass zu 60 Prozent der Zyklusdauer eine 1 anliegt. In diesem Beispiel soll eine LED mittels PWM gedimmt werden. Der Schaltungsaufbau ist hierbei sehr einfach. Neben einem Steckbrett werden nur eine LED und ein Vorwiderstand (220 Ohm) benötigt. Die Kathode (kurzes Beinchen) wird mit Masse (Bezeichnung: GND) verbunden. Der PWM-Pin 9 wird mit dem Vorwiderstand verbunden und dieser mit der Anode der LED (Bild 13). Zum Schreiben des PWM-Pins wird die Methode analogwrite eingesetzt. Zuvor wird der Pin 9 als OUTPUT in der Methode setup konfiguriert. In der loop-methode wird der Wert für Pin 9 jeweils erhöht und dann 30 Millisekunden gewartet. Jeweils bei Erreichen von 0 oder 255 für die Helligkeit wird der Wert invertiert. Damit wird die LED herunter- und dann wieder hochgedimmt (Listing 3). Arduino mit Scratch programmieren Steckbrettaufbau der PWM-Schaltung (Bild 13) Die vor allem von der Spieleprogrammierung bekannte grafische Programmiersprache Scratch kann auch zur Programmierung des Arduino genutzt werden. Scratch unterstützt dabei den Ardunio nicht direkt, dafür ist eine Erweiterung erforderlich. S4A stellt eine solche Erweiterung von Scratch dar. Bisher erstellte Scratch- Programme können in S4A geöffnet werden. Für Scratch 2 existiert auch eine Erweiterung: A4S, diese ist bisher aber noch nicht stabil. Dieser Artikel hat nur einen kleinen Einblick in die Möglichkeiten der Arduino-Plattform gegeben. Schon ohne Elektronik bieten die Platinen einiges an Möglichkeiten. Wer sich vor dem Steckbrett scheut, sollte deswegen direkt zur Arduino Esplora greifen. Ansonsten reichen für den Einstieg ein Arduino Uno und etwas Elektronik aus. Wem die Ideen für eigene Projekte fehlen, der sollte sich bei Instructables umsehen, ein riesiger Fundus an Arduino-Projekten wartet hier auch Hackster.io ist eine gute Quelle für die Inspiration. Ansonsten legen Sie einfach los, die Ideen kommen beim Basteln! [mb] Listing 3: LED an Pin 9 blinkt jede 250 ms /** * pwm.ino * Sketch zum Dimmen einer LED ueber Pulsweitenmodulation (PWM) * Zugehoerige Schaltung: pwm.fzz * * Variablendeklaration * ledpin : Pin der LED * brightness : Variable fuer die Helligkeit * fadeamount : Schrittweite, in der die Helligkeit * reguliert wird **/ int led = 9; int brightness = 0; int fadeamount = 5; //Initialisierung void setup() { // Pin 9 auf Ausgabe setzen pinmode(led, OUTPUT); // PWM-Pin fuer die LED // Helligkeit // Schritt um Helligkeit zu regeln void loop() { // Helligkeit setzen analogwrite(led, brightness); // Helligkeit fuer naechsten Durchlauf setzen brightness = brightness + fadeamount; // Schrittzaehler umkehren if (brightness == 0 brightness == 255) { fadeamount = -fadeamount ; // 30 ms warten delay(30); 7/