Das Action-Buch für Maker

Transkript

1 Simon Monk Das Action-Buch für Maker Bewegung, Licht und Sound mit Arduino und Raspberry Pi Experimente und Projekte

2 Simon Monk Lektorat: Dr. Michael Barabas Fachgutachter: Duncan Amos Aktualisierungen: Maik Schmidt Copy-Editing: Ursula Zimpfer Übersetzung & Satz: G&U Language & Publishing Services GmbH, Herstellung: Nadine Thiele Umschlaggestaltung: Helmut Kraus, nach der Originalvorlage von No Starch Press Druck und Bindung: M.P. Media-Print Informationstechnologie GmbH, Paderborn Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN: Print PDF epub mobi Auflage 2016 Copyright 2016 dpunkt.verlag GmbH Wieblinger Weg Heidelberg Authorized German translation of the English edition of Make: Action ISBN Simon Monk, published by Maker Media Inc. This translation is published and sold by permission of O'Reilly Media, Inc., which owns or controls all rights to sell the same. Die vorliegende Publikation ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte vorbehalten. 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-Bezeichnungen 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 in Zusammenhang mit der Verwendung dieses Buches stehen

3 v Inhalt 1 Einleitung... 1 Arduino und Pi... 1 Der Raspberry Pi Der Arduino... 4 Welches Gerät Arduino oder Pi? Alternativen... 6 Zusammenfassung Der Arduino... 9 Was ist ein Arduino?... 9 Die Arduino-IDE installieren Sketche hochladen Der Code zu diesem Buch Programmierleitfaden Setup und loop Variablen Digitale Ausgänge Digitale Eingänge Analoge Eingänge Analoge Ausgänge If/else Steuerschleifen Funktionen Zusammenfassung Der Raspberry Pi Was ist ein Raspberry Pi? Den Raspberry Pi einrichten Eine Micro-SD-Karte mit NOOBS vorbereiten SSH einrichten SSH auf einem Windows-Computer SSH auf Mac und Linux... 34

4 vi Inhalt Die Linux-Befehlszeile Der Code zu diesem Buch Programmierleitfaden Hello, World Tabulatoren und Einrückungen Variablen If, while usw Die Bibliothek RPi.GPIO Der GPIO-Header Digitale Ausgänge Digitale Eingänge Analoge Ausgänge Zusammenfassung Schnelleinstieg Steckbretter Wie funktioniert ein Steckbrett? Ein Steckbrett an den Arduino anschließen Ein Steckbrett an den Raspberry Pi anschließen Die Software herunterladen Experiment: Eine LED steuern Stückliste Schaltungsaufbau Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Der Code im Vergleich Experiment: Einen Motor steuern Stückliste Schaltungsaufbau Experimentieren ohne Arduino und Raspberry Pi Verbindungen mit dem Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Zusammenfassung

5 Inhalt vii 5 Grundlagen der Elektronik Stromstärke, Spannung und Widerstand Stromstärke Spannung Masse Widerstand Leistung Häufig verwendete Bauteile Widerstände Transistoren Dioden LEDs Kondensatoren Integrierte Schaltkreise (ICs) Das kleine Einmaleins der Anschlüsse Digitale Ausgänge Digitale Eingänge Analoge Eingänge Analoge Ausgänge Serielle Kommunikation Zusammenfassung LEDs Herkömmliche LEDs Die Stromstärke begrenzen Projekt: Ampel Stückliste Grundkonstruktion Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi PWM für LEDs RGB-LEDs Experiment: Farben mischen Die Hardware Stückliste Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino... 90

6 viii Inhalt Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Zusammenfassung Motoren, Pumpen und Aktoren Drehzahlregelung (PWM) Experiment: Die Drehzahl eines Gleichstrommotors regeln Die Hardware Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Gleichstrommotoren über ein Relais steuern Ein Relais mit dem Arduino oder dem Raspberry Pi schalten Relaismodule Experiment: Einen Gleichstrommotor über ein Relaismodul steuern Stückliste Verkabelung Die Software für den Arduino Die Software für den Raspberry Pi Einen Motor auswählen Drehmoment Drehzahl Getriebe Getriebemotoren Pumpen Peristaltische Pumpen Kreiselpumpen Projekt: Arduino-Bewässerungsanlage für Zimmerpflanzen Grundkonstruktion Stückliste Zusammenbau Die Software Das Projekt verwenden

7 Inhalt ix Linearaktoren Magnetventile Zusammenfassung Motorsteuerung für Fortgeschrittene H-Brücken H-Brücken auf einem Chip Experiment: Drehrichtung und Drehzahl eines Motors steuern Stückliste Grundkonstruktion Schaltungsaufbau Experimentieren Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Andere H-Brücken-ICs L298N TB6612FNG H-Brücken-Module Projekt: Arduino-Getränkedosenpresse Stückliste Verkabelung Mechanische Konstruktion Die Software für den Arduino Zusammenfassung Servomotoren Verschiedene Arten von Servomotoren Servomotoren steuern Experiment: Die Stellung eines Servomotors steuern Die Hardware Stückliste Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi

8 x Inhalt Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Projekt: Pepe, die tanzende Raspberry Pi-Marionette Stückliste Grundkonstruktion Zusammenbau Die Software Die Marionette verwenden Zusammenfassung Schrittmotoren Verschiedene Arten von Schrittmotoren Bipolare Schrittmotoren Experiment: Einen bipolaren Schrittmotor steuern Stückliste Grundkonstruktion Die Arduino-Version Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino (die ausführliche Variante) Die Software für den Arduino (die einfache Variante) Experimentieren mit dem Arduino Die Raspberry Pi-Version Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Unipolare Schrittmotoren Darlington-Arrays Experiment: Einen unipolaren Schrittmotor steuern Die Hardware Stückliste Verbindungen mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software Mikroschrittbetrieb Experiment: Mikroschrittbetrieb mit dem Raspberry Pi Stückliste Verbindungen mit dem Raspberry Pi Software Experimentieren

9 Inhalt xi Bürstenlose Gleichstrommotoren Zusammenfassung Heizen und Kühlen Widerstandsheizung Experiment: Heizen mit Widerständen Stückliste Zusammenbau Experimentieren Projekt: Zufallsgesteuerter Arduino-Ballonzerplatzer Stückliste Die Hardware Die Software Den Ballonzerplatzer verwenden Heizelemente Leistung und Energie Von der Leistung zum Temperaturanstieg Kochendes Wasser Peltier-Elemente Wie funktioniert ein Peltier-Element? Praktische Überlegungen Projekt: Getränkekühler Stückliste Zusammenbau Das Projekt verwenden Zusammenfassung Regelkreise Ein einfacher Thermostat Experiment: Wie gut funktioniert ein Ein/Aus-Thermostat? Stückliste Grundkonstruktion Schaltungsaufbau Die Software Experimentieren Hysterese PID-Steuerung Proportionalität (P) Integral (I)

10 xii Inhalt Ableitung (Derivativ, D) PID-Regler einstellen Experiment: PID-geregelter Thermostat Die Hardware Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi Experimentieren mit dem Raspberry Pi Projekt: Getränkekühler mit Thermostat Die Hardware Stückliste Grundkonstruktion Zusammenbau Die Software für den Arduino Zusammenfassung Wechselstrom schalten Wechselstrom schalten in der Theorie Was ist Wechselstrom? Relais Optokoppler Nulldurchgangs-Optokoppler und Triacs Wechselstrom schalten in der Praxis Relaismodule Halbleiterrelais Der PowerSwitch Tail Projekt: Zeitschaltuhr mit dem Raspberry Pi Stückliste Zusammenbau Die Software Das Projekt verwenden Zusammenfassung Displays LED-Streifen Experiment: Einen RGB-LED-Streifen steuern Stückliste

11 Inhalt xiii Verbindungen mit dem Arduino Die Software für den Arduino Verbindungen mit dem Raspberry Pi Die Software für den Raspberry Pi I2C-OLED-Displays Experiment: Ein I2C-Displaymodul an einem Raspberry Pi Stückliste Verbindungen Die Software Experimentieren Projekt: Getränkekühler mit Temperaturanzeige Stückliste Verbindungen Die Software Zusammenfassung Ton Experiment: Lautsprecher ohne Verstärkung am Arduino Stückliste Schaltungsaufbau Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Verstärker Experiment: Klangdateien auf einem Arduino abspielen Stückliste Die Klangdatei erstellen Die Software für den Arduino Experimentieren mit dem Arduino Einen Verstärker an den Arduino anschließen Klangdateien auf dem Raspberry Pi abspielen Projekt: Pepe spricht Stückliste Schaltungsaufbau Die Software Die sprechende Marionette verwenden Zusammenfassung

12 xiv Inhalt 16 Das Internet der Dinge Bottle für den Raspberry Pi Projekt: Ein Webschalter mit dem Raspberry Pi Die Hardware Die Software Den Webschalter verwenden Der Arduino im Netzwerk Projekt: Die tanzende Marionette über Twitter steuern Pepe mit dem Internet verbinden IFTTT (IF This Then That) Das Projekt verwenden Zusammenfassung A Teile Lieferanten Widerstände und Kondensatoren Halbleiterelemente Anschlusselemente Verschiedenes Pinbelegungen B GPIO-Pinbelegung des Raspberry Pi Stichwortverzeichnis