Arduino und Modelleisenbahn

Transkript

1 Arduino und Modelleisenbahn In letzter Zeit habe ich mich mit den Arduinos näher befasst. Es handelt sich hier um Mikro-Controller, die für umfangreiche Elektronik-Schaltungen in allen Bereichen heran gezogen werden können. Es gibt sie in unterschiedlichen Ausführungen, Größen und Preislagen. Über diese Technik sind schon einige Bücher geschrieben und veröffentlicht worden. Auch im Internet findet man viele Beispiele für Funktionsanwendungen. In dieser Anleitung möchte ich näher auf LED-Techniken und Beleuchtungen speziell für die Modelleisenbahn eingehen. Damit lassen sich viele Lichteffekte und brauchbare Varianten realisieren. Vieles davon gibt es bereits im Zubehörhandel für Modellbahnen zu kaufen. Hier ist alles deutlich teurer als meine dargestellten Alternativen. Allerdings sollte man etwas Bastelgeschick mitbringen und auch vor einem Lötkolben keine Angst haben. In erster Linie geht es mir um die elektronischen Schaltungen und deren Funktion. Wie man das Gehäuse einer z. B. Ampel im Straßenverkehr herstellt, bleibt jedem selber überlassen. Man kann natürlich hier auch auf Zubehör aus dem Modellbahnhandel zu greifen. Um diese ganzen Blinkeffekte wie Ampeln, Baustellenblitz, Polizei und Feuerwehr, Leuchtreklamen usw. umzusetzen, benötigen wir einen Mikro-Controller den wir für diese Aufgaben einsetzen können. Es handelt sich hier um den relativ kleinen Arduino Nano mit den Abmesseungen 44 mm x 18 mm wie im nachfolgenden Foto zu sehen. Der Stromanschluss erfolgt über einen USB-Mini-Stecker und wird standardmäßig mit 5 Volt Gleichstrom aus einem USB-Netzteil (Smartphone, PC oder auch eine Powerbank) gespeist. Die komplette Platine kostet mit einem USB-Anschlußkabel um die 6 Euro. Im 3er oder 5er Pack ist er deutlich billiger.

2 In meinen Ausführungen wollen wir bevorzugt LEDs einsetzen und diese müssen an den Nano angeschlossen werden. Zu Experimentierversuchen kann man einfach ein sogenanntes Breadboard verwenden. Hier wird der Nano einfach aufgesteckt. Die LEDs, Widerstände und kabel ebenso. Zu Versuchszwecken ist das ideal und man wird Anschlussfehler erkennen und dann vermeiden. Für die Modellbahn müssen wir einen anderen Weg gehen. LEDs LEDs sind die bekannten Leuchtdioden, die es in verschiedenen Farben und Größen gibt. Für meine Zwecke werden LEDs mit 3 mm Durchmesser verwendet. Teilweise sind diese für H0-Zwecke immer noch zu groß. Ich kann aber mit dieser Baugröße ganz gut leben, denn sie sind preisgünstig. In der Regel kosten 500 Stück sortiert in verschiedenen Farben keine 10 Euro. Dazu brauchen wir noch Widerstände. Möglichst klein 1/8 oder 1/4 Watt in der einfachsten Ausführung. Wichtig! Für jede LED wird ein Widerstand benötigt. Mehrere LEDs an einem Widerstand anzuschließen sollte man vermeiden. Dieser Widerstand muss angeschlossen sein oder die LED wird zerstört. Die Ohmzahl der Widerstände richtet sich nach der LED- Farbe. Diese ist unterschiedlich. Bei 5 Volt haben wir ca. 200 Ohm. Die roten LEDs benötigen nur 100 Ohm. Darunter sollte man nicht gehen. Der Wert kann auch größer gewählt werden. Bei 1000 Ohm (1K Ohm) werden die LEDs bereits etwas dunkler. Hier kann man sich nicht unbedingt rechnerisch nach dem Ohmschen Gesetz festlegen, denn die Helligkeit der gekauften LEDs kann sehr unterschiedlich sein. Mann muss das vorher mal ausprobieren. Nimmt man einen zu hohen Wert (10 K Ohm, übertrieben) wird die LED nicht mehr leuchten. Bei zu kleinem Widerstand (unter 100 Ohm oder kein Widerstand) wird die LED zerstört. Zwischen den angegebenen Werten hat man Handlungsfreiheit und der LED wird in der Regel nichts passieren. Die Werte der Widerstände wird mit einem Farbcode angezeigt. Hierzu möchte ich nichts Näheres schreiben. Im Internet gibt es genug Möglichkeiten sich zu informieren. Die LED kann nur in einer Richtung angeschlossen werden. Plus-Pol an Anode (längeres Beinchen) und Minus-Pol an Kathode (kürzeres Beinchen). Vertauscht wird die LED nicht leuchten. Der Widerstand wird in Reihe dazwischen angeschlossen. Dabei ist es egal wie herum der Widerstand liegt oder ober er zwischen Plus-Pol und Anode oder Minus-Pol und Kathode gelegt wird. Damit hätten wir schon außer ein paar Kabel, evtl. mit Stecker oder Buchsen das benötigte Material zusammen. Näheres geht auch aus den nachfolgenden Zeichnungen und Fotos hervor. Falls mal eine Lochrasterplatine benötigt wird, werde ich das entsprechend darstellen. Polizei, Feuerwehr, Rettungswagen Ein Wort: Blaulicht. Damit ist schon viel gesagt und dieses Blaulicht blinkt. Im Prinzip eine einfache Schaltung. Zwei LEDs die abwechselnd blinken. Anhand dieser Einfachheit

3 möchte ich den Anschluss des Nano und die Programmierung demonstrieren. Zuerst zum Nano. Dieser hat 12 digitale Anschlüsse um Verbraucher, Sensoren oder LEDs anzuschließen. Diese 12 Anschlüsse werden mit D2 bis D13 gekennzeichnet. Weiterhin gibt es den Masseanschluss GND an welcher der Minuspol zusammengeführt wird. Die anderen Anschlussbeinchen für 5 Volt und 3,3 Volt bzw. Analog-Anschlüsse benötigen wir für diese Schaltung nicht. Für unsere Schaltung verwenden wir zwei D-Ports und einen GND-Port. Die D-Ports können wir uns aussuchen. Wir nehmen einfach mal den Port D4 und D5 für den Plus-Pol (Anode) der LEDs und für den Minuspol (Kathode) den Port GND. Der Schaltplan sieht jetzt so aus: Die beiden Widerstände sind 220 Ohm passend für eine 5-Volt-Versorgungsspannung. Die Kabel können mit Kabelbuchsen für Platinen an die Pins des Nano angeschlossen werden. Das sieht dann so aus:

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5 An der Gegenseite wird der Kabel mittels Widerstand an die LED gelötet und mit Schrumpfschlauch überzogen. So wird sicher verbunden und kein Kurzschluss fabriziert. Damit ist die ganze Konstruktion schon fertig und kann eingebaut und dann in Betrieb gesetzt werden. Die Programmierung des Nano Der Nano ist ein kompletter Minicomputer, der für die gestellten Aufgaben programmiert werden muss. Das klingt komplizierter, wie es ist. Wir brauchen dafür einen ganz normalen PC oder Laptop mit Windows, Linux oder Apple-Mac-Betriebssystem. Wir laden uns aus dem Internet das kostenlose Programm Arduino IDE herunter und installieren es auf den PC. Auf diese Prozedur möchte ich an dieser Stelle nicht näher eingehen. Hierzu gibt es im Netz genügend Anleitungen um dieses zu bewerkstelligen. Nach erfolgter Installation öffnet sich nach dem Start folgendes Bild: An dieser Stelle möchte ich jetzt keine Abhandlung über die Programmierung mit der Computersprache C halten. Deshalb werde ich mich nur auf das Relevante für unsere Schaltung beschränken. Wir tragen mal den folgenden Text in das weiße Feld ein:

6 // 2 blaue LEDs blinken, Polizei, Feuerwehr usw. // Peter Neise, Feb. 2018, läuft auf Uno und Nano void setup() { //Wir starten mit dem Setup pinmode(4, OUTPUT); //Pin 4 ist ein Ausgang. pinmode(5, OUTPUT); //Pin 5 ist ein Ausgang. } void loop() { // Das Hauptprogramm beginnt. digitalwrite(4, HIGH); //Schalte die LED an Pin 4 ein. delay(1000); //Warte 1000 Millisekunden. digitalwrite(4, LOW); // Schalte die LED an Pin 4 aus. digitalwrite(5, HIGH); //Schalte die LED an Pin 5 ein. delay(1000); //Warte 1000 Millisekunden. digitalwrite(5, LOW); //Schalte die LED an Pin 5 aus. } //Hier am Ende springt das Programm an den Start des Loop-Teils. Also // schalte die LED an Pin4 an. // usw usw usw Alle Texte hinter den beiden // ist für das Programm nicht erforderlich. Es soll uns nur das nähere Verständnis für die einzelnen Programmzeilen zeigen. Man kann ihn weglassen aber auch stehen lassen. Alles andere muss natürlich aufgeführt werden. Jetzt noch einmal ganz langsam: void setup() { Start des Setup. Im Prinzip startet hier das Gesamtprogramm. pinmode(4, OUTPUT); pinmode(5, OUTPUT); Hier werden die Ausgänge des Nano festgelegt. Wir benötigen zwei wegen der zwei LEDs. Hier wird dann 4 und 5 eingetragen. Alles wird dann mit der Klammer } abgeschlossen. void loop () { Hier beginnt das eigentliche Hauptprogramm. Die erste Programmzeile folgt. digitalwrite(4, HIGH); Hier wird die erste LED die an Pin 4 liegt eingeschaltet. delay(1000); Das Programm wird angewiesen 1000 Millisekunden (1 Sekunde) zu warten. Die LED leuchtet eine Sekunde. Wenn man hier den Wert verkleinert, blinkt die LED schneller. z. B. 200, 300 oder 500. Im Prinzip kann man jeden Wert eintragen. digitalwrite(4, LOW); Hier wird die LED die an Pin 4 liegt, wieder ausgeschaltet. Jetzt folgt das ganze noch einmal, und zwar für LED an Pin 5 digitalwrite(5, HIGH); delay(1000); digitalwrite(5, LOW);

7 Jetzt wird wieder alles mit der Klammer } abgeschlossen. Das Programm endet hier und springt wieder in die Zeile void loop. Der Vorgang beginnt von vorn. Diese Schleife dauert unendlich. Natürlich bis der Strom abgeschaltet wird. Programm auf dem Nano hochladen Dieses Programm wird jetzt auf den Nano hochgeladen. Dazu wird der Nano mittels USB- Kabel an den PC angeschlossen. Der Atmega328P-Prozessor des Nano wird in der Regel von Windows automatisch erkannt. Im IDE-Programm muss der Nano jetzt aktiviert werden. Dazu geht man auf Werkzeuge und dann Board (wie im Bild) und markiert den Nano. Im zweiten Schritt wird noch der Port eingestellt. Hier war es zufällig COM5. Es kann auch eine andere Zahl sein. Der PC wählt den COM-Port automatisch aus. Ist die Einstellung vom PC angenommen, kann man sie im IDE-Fenster ganz unten, (siehe Bild oben) ablesen.

8 Jetzt wird in der IDE-Leiste der runde Button mit dem Pfeil nach rechts gedrückt. Nach kurzer Zeit ist der Einladevorgang beendet. Sollte das Programm einen Fehler auswerfen, muss man noch einmal alles kontrollieren. Es kann ein falscher COM-Port sein oder man hat im Programm etwas vergessen. Schon eine fehlende Klammer oder Semikolon kann einen Fehler erzeugen.

9 Der Nano ist jetzt programmiert. Dieses Programm bleibt im Prinzip dauerhaft erhalten, auch wenn der Nano abgestöpselt und kein Strom erhält. Erst durch eine Neuprogrammierung kann es verändert werden. Man kann immer nur ein Programm aufladen. Mehrere Programme gleichzeitig sind nicht möglich. Immer das zuletzt geladene Programm bleibt aktiv. Anmerkung: Im oberen Bild ist der Port 7 und 8 ausgewiesen. Im Prinzip geht alles. Hier sollten die LEDs natürlich auch an Port 7 und 8 angeschlossen sein. Der Nano mit den angeschlossenen LEDs wird jetzt mit einer externen Stromquelle verbunden. Dazu kann man gut ein USB-Netzteil vom Handy verwenden. Sollen mehrere Nanos angeschlossen werden, kann man ein USB-Minihub verwenden. Diese haben mehrere USB-Anschlüsse und ein externes Netzteil, welches für LEDs ohne Probleme ausreicht. Erwähnen möchte ich an dieser Stelle noch, dass man für die ganze Prozedur auch den größeren Arduino Uno verwenden kann. Dieser hat mehr Anschlussports und kann auch

10 mit einem 9 Volt Netzteil betrieben werden. (runder Anschlussstecker 5,5 mm außen bzw. 2,1 mm innen). Wir haben hier einen ganz einfachen Wechselblinker programmiert. Wem das zu einseitig ist, kann das auch erweitern. Wir nehmen jetzt 4 blaue LEDs anstatt der zwei in der vorherigen Schaltung. Die 4 LEDs werden dann unterschiedlich blinken. Natürlich ist der Einbau in einem H0-Fahrzeug recht knifflig. Es brauchen nur die blauen LEDs im Dach der Feuerwehr eingebaut werden. Alles andere wird unter der Straße bzw. Platte versteckt. Hier der Anschluss: Die Schaltung ist um zwei LEDs erweitert, die am Port 7 und 8 angeschlossen sind. Dazu kommt hier das benötigte Programm: // 4 blaue LEDs blinken, Polizei, Feuerwehr usw. // Peter Neise, Feb. 2018, läuft auf Uno und Nano void setup() { // Start pinmode(4, OUTPUT); //Pin 4 ist ein Ausgang. pinmode(5, OUTPUT); //Pin 5 ist ein Ausgang. pinmode(7, OUTPUT); //Pin 7 ist ein Ausgang. pinmode(8, OUTPUT); //Pin 8 ist ein Ausgang. }

11 void loop() { // Das Hauptprogramm beginnt. digitalwrite(4, HIGH); //Schalte die LED an Pin4 an. digitalwrite(4, LOW); // Schalte die LED an Pin4 aus. digitalwrite(7, HIGH); //Schalte die LED an Pin7 ein. digitalwrite(7, LOW); //Schalte die LED an Pin7 aus. digitalwrite(5, HIGH); //Schalte die LED an Pin5 an. digitalwrite(5, LOW); // Schalte die LED an Pin5 aus. digitalwrite(8, HIGH); //Schalte die LED an Pin8 ein. digitalwrite(8, LOW); //Schalte die LED an Pin8 aus. } //Loop-Schleife. // Anmerkung: Evtl. die Millisekunden anpassen Wie wir sehen, ist die Ergänzung überschaubar. Man kann auch die 200 Millisekunden unterschiedlich verändern. Der Blinkeffekt lässt sich dadurch effektiv beeinflussen. Dieser Programm-Text kann auch aus diesem Dokument herauskopiert und dann im IDE-Programm-Fenster eingesetzt werden. Dadurch kann man sich das Abtippen sparen. Nano anschließen, Programm hochladen, LEDs blinken. Ampel-Schaltung So langsam macht uns die Sache Spaß. Deshalb möchte ich hier eine Ampel-Schaltung für den H0-Straßenverkehr vorstellen. Es ist eine Erweiterung der Schaltung auf 6 LEDs, welche dann den bekannten Lichtwechsel einer Straßen-Ampel zeigen. Einmal ist die Ampel A auf grün, dann die Ampel B. Hier der Anschluss mit folgender Belegung: Ampel A rot = Port 7 (r) gelb = Port 8 (y) grün = Port 9 (g) Ampel B rot = Port 6 (r) gelb = Port 5 (y) grün = Port 4 (g) Damit die Ampeln nicht zu hell leuchten, nehmen wir für 5 Volt Anschluss 510 Ohm Widerstände. Die gemeinsame Masse ist wie immer GND. Im Programm gibt es eine kleine Änderung. Wir teilen den Anschluss-Pins des Nanos eine feste Bezeichnung zu. Unter der Programmzeile int ist es aufgeführt.

12 Jetzt zum Programm: // Ampelschaltung für 2 Ampeln im Wechsel // Schalttyp: Deutschland // für Arduino Uno3 oder Nano von Peter Neise int g_b = 4; int y_b = 5; int r_b = 6; int r_a = 7; int y_a = 8; int g_a = 9;

13 void setup() { pinmode(g_b, OUTPUT); pinmode(y_b, OUTPUT); pinmode(r_b, OUTPUT); pinmode(g_a, OUTPUT); pinmode(y_a, OUTPUT); pinmode(r_a, OUTPUT); } void loop(){ digitalwrite(r_b, HIGH); digitalwrite(g_a, HIGH); delay(7000); digitalwrite(g_a, LOW); digitalwrite(y_a, HIGH); delay(2500); digitalwrite(y_a, LOW); digitalwrite(r_a, HIGH); delay(2500); digitalwrite(y_b, HIGH); delay(2500); digitalwrite(r_b, LOW); digitalwrite(y_b, LOW); digitalwrite(g_b, HIGH); delay(7000); digitalwrite(g_b, LOW); digitalwrite(y_b, HIGH); delay(2500); digitalwrite(y_b, LOW); digitalwrite(r_b, HIGH); delay(2500); digitalwrite(y_a, HIGH); delay(2500); digitalwrite(r_a, LOW); digitalwrite(y_a, LOW); } Wer aufmerksam die Programm-Struktur liest, wird feststellen, dass der Lichtwechsel 2,5 Sekunden beträgt. Die grüne und rote Phase beträgt jeweils 7 Sekunden. Wem dieses zu wenig bzw. zu viel ist, kann hier den Grundwert verlängern oder verkürzen. Allgemein gilt, nach jeder Änderung muss das Programm neu hochgeladen werden. Für spätere Korrekturen oder Anpassungen kann das Programm im PC gespeichert werden. Diese ist alles mit der Software Arduino IDE möglich. Das gilt natürlich auch für die obigen Projekte. Baustellenblitz An dieser Stelle möchte ich noch ein weiteres Projekt vorstellen. Irgendwann in den 90er habe ich mal so eine Schaltung im Modellbahn-Zubehör-Handel gekauft. Damals gab es das schon. Nur es war recht teuer. In der folgenden Schaltung haben wir den gleichen Effekt und können sogar im Programm die Laufgeschwindigkeit anpassen. Für diesen Versuch nehmen wir 6 gelbe LEDs und 6 Widerstände mit 220 Ohm. Der Anschlussplan

14 entspricht genau der Ampelschaltung und ist im Anschluss vollkommen identisch. Das Programm ist etwas anders, einfacher und ist hier abgedruckt: //Baustellenblitz mit 6 gelben LED für Arduino-Nano an 5 Volt. //Widerstände 6 x 220 Ohm. Projekt: Peter Neise //aufgebaut auf Platine. Schaltdauer 200 Millisekunden. //Pause nach jeder Phase 1 Sekunde (1000 Millisekunden). void setup() { // //Setup-Start. pinmode(4, OUTPUT); //Pin 4 ist ein Ausgang. pinmode(5, OUTPUT); //Pin 5 ist ein Ausgang. pinmode(6, OUTPUT); //Pin 6 ist ein Ausgang. pinmode(7, OUTPUT); //Pin 7 ist ein Ausgang. pinmode(8, OUTPUT); //Pin 8 ist ein Ausgang. pinmode(9, OUTPUT); //Pin 9 ist ein Ausgang. } void loop() { // Das Hauptprogramm beginnt. digitalwrite(4, HIGH); //Schalte die LED an Pin4 an. digitalwrite(4, LOW); // Schalte die LED an Pin4 aus. digitalwrite(5, HIGH); //Schalte die LED an Pin5 an. digitalwrite(5, LOW); // Schalte die LED an Pin5 aus. digitalwrite(6, HIGH); //Schalte die LED an Pin6 an. digitalwrite(6, LOW); // Schalte die LED an Pin6 aus. digitalwrite(7, HIGH); //Schalte die LED an Pin7 an. digitalwrite(7, LOW); // Schalte die LED an Pin7 aus. digitalwrite(8, HIGH); //Schalte die LED an Pin8 ein. digitalwrite(8, LOW); //Schalte die LED an Pin8 aus. digitalwrite(9, HIGH); //Schalte die LED an Pin9 ein. digitalwrite(9, LOW); //Schalte die LED an Pin9 aus. delay(1000); //Pause am Ende } //Hier am Ende springt das Programm in die Loop-Schleife. Nach gleicher Manier kann man auch ein Lauflicht mit 12 LEDs herstellen. Damit ist die Grenze des Nano erreicht. Mehr geht nur, wenn man ein IC-Baustein zur Hilfe nimmt. Alle 12 LEDs werden nach gleicher Art mit den Ports des Nano D2 bis D13 verbunden. Hier möchte ich zeigen, dass man das Programm mittels einer Laufvariablen auch gehörig kürzen kann. int i; //die Laufvariable void setup() { for(i=0; i<12; i++) { pinmode( i, OUTPUT); } }

15 void loop() { for(i=0; i<12; i++) { digitalwrite(i, HIGH); delay(200); digitalwrite(i, LOW); } } An dieser Stelle möchte ich meine Ausführungen erst einmal beenden. In ein paar Wochen gibt es mehr davon. Peter Neise April 2018