Einführung in die Arduino-Programmierung II

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1 Einführung in die Arduino-Programmierung II Hochschule Niederrhein University of Applied Sciences Elektrotechnik und Informatik Faculty of Electrical Engineering and Computer Science

2 5. Dimmen einer LED mittels Pulsweitenmodulation (PWM) Abbildung 5.1.: LED mit Pulsweitenmodulation Bisher haben wir LEDs ein- und wieder ausgeschaltet. Für viele Anwendungen ist es wünschenswert neben den beiden Zuständen Ein und Aus auch Zwischenstufen (Hillgkeiten) realisieren zu können. Dazu benötigen wir eine Möglichkeit die Ausgangsspannung zu regulieren. Da der Arduino nicht über einen eingebauten Digital- Analog-Wandler verfügt, bietet sich die sogenannte Pulsweitenmodulation an. Ein normaler digitaler Ausgang wird dabei periodisch sehr schnell ein- und ausgeschaltet. Die LED wird umso heller leuchten, je länger der Ausgang einen High -Zustand annimmt (im Verhältnis zu der Zeit im Low -Zustand). Abbildung 5.2 veranschaulicht dieses Prinzip. Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski 2

3 5. Dimmen einer LED mittels Pulsweitenmodulation (PWM) HIGH (5 volts) LOW (0 volts) 10% 90% 0.5V HIGH (5 volts) LOW (0 volts) 50% 50% 2.5V HIGH (5 volts) 10% LOW (0 volts) 90% 4.5V Abbildung 5.2.: Funktionsweise PWM (Quelle: SparkFun Inventor s Kit Guide) Der Arduino ermöglicht den PWM Betrieb auf allen Pins, die mit einer Tilde ( ) gekennzeichnet sind. Die PWM-Frequenz beträgt je nach Pin entweder 490 oder 980 Hz. Wie Sie sehen, können die von uns bisher verwendeten Ports (3,5 und 6) allesamt auch für PWM genutzt werden. Die Schaltung muss also nicht verändert werden. Nutzen Sie folgenden Code zum Test der PWM-Funktionalität: /* PWM: Die Helligkeit einer Leuchtdiode wird über PWM gesteuert. */ int gruen = 3; // Port der gruenen LED definieren int helligkeit = 128; // Helligkeitswert definieren void setup() { pinmode(gruen, OUTPUT); // Port 3 wird zum Ausgang definiert void loop() { analogwrite(gruen, helligkeit); // Port 3 gesetzt. Die LED sollte jetzt weniger hell leuchten als zuvor. 3 Arduino Einführung

4 5. Dimmen einer LED mittels Pulsweitenmodulation (PWM) Aufgaben Testen Sie die Leuchtstärke für verschiedene Werte der Variable helligkeit. Die Funktion analogwrite akzeptiert Werte im Bereich 0 bis 255. Programmieren Sie einen Sweep -Modus. Die Helligkeit soll langsam zunehmen, bis sie den Maximalwert erreicht. Sie können dazu ihr Progamm um folgendes Codefragment ergänzen: for (int helligkeit=0; helligkeit <= 255; helligkeit++){ analogwrite(gruen, helligkeit); delay(25); // Warte 25 ms. (optional:) Erweitern Sie Ihr Programm so, dass die LED periodisch heller und dunkler wird. 4 Arduino Einführung

5 6. Motorsteuerung Jetzt wollen wir nach dem selben Prinzip anstelle der LED einen Motor steuern. Wir verwenden hier einen kleinen Gleichstrommotor, der auch mit niedrigen Spannungen arbeitet. Gleichstrommotoren werden vielfältig eingesetzt, beispielsweise bei Lüftern im Computer, als Antrieb bei Modellautos (Carrera Bahn) usw. Abbildung 6.1.: Motorsteuerung mit Transistor Der Betrieb des Motors erfordert einen höheren Strom, als dies bei den LEDs der Fall gewesen ist. Die maximale Belastung eines Pin beträgt 40mA. Aus diesem Grunde benutzen wir einen Transistor 1 zur Stromversorgung. Mit dem Pin des Arduino wird 1 NPN-Bipolartransistor BC547C Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski 5

6 6. Motorsteuerung der Transistor ein- und ausgeschaltet. Bauen Sie die Schaltung aus Abbildung 6.1 auf. Aufgaben Nehmen Sie den Motor in Betrieb. Verwenden Sie das Programm aus der vorhergehenden Aufgabe. Vertauschen Sie testweise die Pole des Motors. Was können Sie dabei beobachten? Bestimmen Sie den niedrigsten Spannungswert, bei dem der Motor noch läuft. Die Spannung können Sie mit folgender Formel berechnen: Spannung = x 255 5V 6 Arduino Einführung

7 7. Motortreiber In der aktuellen Konfiguration lässt sich der Motor mit verschiedenen Geschwindigkeiten betreiben. Es ist allerdings nicht möglich im Programm zwischen Linksund Rechtsdrehung zu wechseln. Diese Funktion lässt sich durch eine sogenannte H-Brücke realisieren. Anstatt sie aus einzelnen Bauteilen aufzubauen verwenden wir hier einen integrierten Schaltkreis (IC). Abbildung 7.1.: Motorsteuerung mit Treiberbaustein Der genutzte Motortreiber IC ist der bekannte L293D, dessen Datenblatt leicht im Internet zu finden ist. Er kann zwei Motoren parallel mit bis zu 600 ma betreiben (kurzzeitig bis 1,2 A). Der IC ist wie in Abbildung 7.1 gezeigt mit dem Motor zu verbinden. Die Funktion lässt sich dann über Pin 3,5 und 6 des Arduino einstellen. Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski 7

8 7. Motortreiber Pin 3 und 5 stellen die Drehrichtung ein und Pin 6 schaltet den Motor ein oder aus. Diesen Pin sprechen wir mittels PWM an, um die Geschwindigkeit zu steuern. Die folgende Tabelle fasst die Bedeutung der Pinbelegungen zusammen. A B E Funktion X X LOW Motor läuft aus LOW LOW HIGH Sofortiger Stopp LOW HIGH HIGH Linksdrehung HIGH HIGH HIGH Sofortiger Stopp HIGH LOW HIGH Rechtsdrehung Mit dem folgenden Code wird der Motor im Uhrzeigersinn mit voller Geschwindigkeit angetrieben. /* Motortreiber */ int motor_a = 5; int motor_b = 3; int motor_e = 6; // E: Enable void setup(){ pinmode(motor_a, OUTPUT); pinmode(motor_b, OUTPUT); pinmode(motor_e, OUTPUT); digitalwrite(motor_a, HIGH); // A HIGH und B LOW digitalwrite(motor_b, LOW); // => Motor dreht rechts void loop() { analogwrite(motor_e, 255); Aufgaben Ergänzen Sie Ihr Programm so, dass der Motor für beispielsweise 20 Sekunden langsam dreht, pausiert und dann 10 Sekunden schnell rückwärts fährt. 8 Arduino Einführung

9 8. Drehzahlmessung Ziel dieser Aufgabe ist es einen Sensor zu entwickeln, der die Drehzahl des in Kapitel 7 entwickelten Motors erfasst. Auf die Achse des Motors wird eine Scheibe angebracht die halb weiß und halb schwarz ist. Die Scheibe dreht sich entsprechend mit der selben Frequenz wie die Motorachse. Zu Verfügung steht ein Sensormodul bestehend aus einer IR-LED und einem Fototransistor. Mit diesem Sensor ist es möglich schwarz und weiß zu unterscheiden. VCC OUT VCC OUT VCC OUT Sensorwert: 100 Sensorwert: 5 Sensorwert: 100 Abbildung 8.1.: Drehung der Scheibe Abbildung 8.1 zeigt anschaulich, wie die Messung ablaufen könnte. Solange der Sensor auf die schwarze Fläche gerichtet ist (1), wird kein bzw. wenig Licht reflektiert und der Sensor liefert hohe Werte. Sobald die Fläche weiß wird (2), werden die Sensorwerte deutlich geringer. Der Zeitpunkt des ersten Wertes unter einer Schwelle die schwarz und weiß trennt wird gespeichert. Ebenso wird der Zeitpunkt detektiert, an dem zum ersten Mal wieder hohe Werte (schwarz) gemessen werden(3). Aus dieser Zeitdifferenz lässt sich die Umdrehungsdauer der Scheibe und damit die Motordrehzahl bestimmen. Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski 9

10 8. Drehzahlmessung VCC OUT 1 A B C D E F G H I J 1 RESET 5 5 ICSP TX RX L AREF IOREF RESET 3V3 5V VIN A0 A1 A2 A3 A4 A5 POWER ANALOG IN ICSP 1 Arduino TM ON DIGITAL (PWM= ) TX0 RX A B C D E F G H I J 30 Abbildung 8.2.: Schaltplan Drehzahlmessung Aufgaben Machen Sie sich zunächst mit der Funktionsweise des Sensors vertraut, indem Sie ihn an A0 anschließen (siehe Abbildung 8.2) und mit dem Beispielprogramm AnalogSerialRead testen. Der Motor muss dabei zunächst nicht aktiv sein. Das Programm finden Sie unter: Datei - Beispiele Basics - AnalogReadSerial Die Werte können Sie sich wieder mit dem seriellen Monitor ansehen. Ermitteln Sie einen sinnvollen Schwellwert, um schwarz und weiß zu unterscheiden. 10 Arduino Einführung

11 8. Drehzahlmessung Nun erstellen Sie ein Programm, dass die Drehzahl auswertet. Das folgende Programm ist eine einfache Implementierung der oben vorgestellten Vorgehensweise. /* Drehzahlmessung */ unsigned long zeit; int flag = 0; int sensorwert; int schwelle = ; // Hier sinnvollen Wert eintragen void setup() { Serial.begin(9600); void loop() { sensorwert = analogread(a0); if (sensorwert <= schwelle && flag == 0){ zeit=millis(); flag=1; if (sensorwert > schwelle && flag == 1){ Serial.println((millis()-zeit)*2); flag=0; Die Funktion millis() gibt die Anzahl der Millisekunden seit dem Start des Arduino zurück. Aufgaben Messen Sie die Umdrehungsdauer. Geben Sie Drezahl in Umdrehungen pro Minute an. 11 Arduino Einführung