Herzlich Willkommen zum Workshop rund um das Thema Licht!

Herzlich Willkommen zum Workshop rund um das Thema Licht! Ihr wollt heute also eine Einparkhilfe selbst konstruieren, Geschwindigkeiten messen, eine Blume mit der Sonne wandern lassen oder Temperaturen über Farben anzeigen? Das ist super, aber bevor ihr euch auf diese Projekte stürzt, ist es wichtig, dass ihr erst mal euer Material kennenlernt. Hier bekommt ihr einen Überblick über den Arduino-Mikrocontroller, die Bauelemente und die Programmierumgebung! Ziele des Einstiegs Wenn ihr diese Station hinter euch habt, wisst ihr, was mit dem Kram in der Box anzufangen ist, weiter könnt ihr Abb. 1: InfoSphere-Box eine LED zum Leuchten bringen, sie blinken lassen und mit einem Taster ein- und ausschalten. Abb. 2: Inhalt der InfoSphere-Box Dafür lernt ihr erst mal, wo was angeschlossen wird, was bei LEDs zu beachten ist und wie man den Arduino programmiert! 1

Der Arduino Als erstes solltet ihr euch mit dem Arduino beschäftigen, der im Mittelpunkt jeder Schaltung steht. USB-Anschluss Digitale Pins Stromanschlüsse Analoge Pins Steckbretter Abb. 3: Arduino-Board und Steckbretter Das ist nur eine schematische Darstellung, in der einige unbedeutende Teile weggelassen wurden. Selbst auf dem Schema ist noch mehr drauf als ihr wirklich braucht. Alles was ihr wirklich braucht, wird jetzt kurz erläutert: Der USB-Anschluss. Damit verbindet ihr den Arduino später mit dem Computer, um euer Programm zu übertragen. Außerdem dient dieser Anschluss als Stromversorgung. Stromanschlüsse Manche Bauteile müssen mit Strom versorgt werden. Auch wenn es nicht explizit drauf steht, merkt euch einfach: GND = (Minuspol) 5V = + (Pluspol) Digitale Pins sind entweder AN (in Arduinosprache: HIGH) oder AUS (LOW). Digitale Anschlüsse können als Eingänge (z.b. für Schalter) oder Ausgänge (z.b. für Lampen) benutzt werden. [Hinweis: Bitte benutzt nur die Pins 2-13. Die anderen beiden haben eine Sonderfunktion.] 2

Im Gegensatz zu den digitalen Pins, werden die analogen Pins nur als Eingänge benutzt, daher sprechen wir auch von den analogen Eingängen. Sie kennen nicht nur HIGH und LOW, sondern insgesamt 1024 verschiedene Werte. Sind 0V angeschlossen, ist der Wert 0, bei 5V ist er 1023. Doch dazu später mehr. Wenn ihr alles auf eurem Arduino gefunden habt, geht s jetzt an die Steckbretter. Auf den Steckbrettern seht ihr viele Löcher. Diese sind unter der Oberfläche miteinander verbunden. Wie genau seht ihr im folgenden Bild: Abb. 4: Steckbrett mit gekennzeichneten Verbindungen Wichtig: Bevor ihr etwas an der Verkabelung ändert, trennt den Arduino immer vom Strom! Zieht dafür einfach das USB-Kabel aus dem Computer. Strom am Brett Ein guter Start ist es, erst mal die äußeren Anschlussleisten am Steckbrett mit dem Arduino zu verbinden. So könnt ihr alle Bauelemente auf dem Steckbrett mit Strom versorgen, die äußeren Reihen sind also so was wie eure Mehrfachsteckdosen. Verbindet jetzt euren Arduino mit zwei Steckkabeln (rot an 5V, blau an GND) mit dem Steckbrett! Abbildung 5: Stromanschlüsse Abbildung 6: Steckkabel [Tipp: Das schwarze Kabel im Bild ist nur ein Beispiel. Ihr findet in eurem Kasten viele Kabel in verschiedenen Farben!] 3

Es leuchtet Bevor es ans Programmieren geht, werdet ihr schon mal lernen, wie das mit der Verkabelung funktioniert und ob da wirklich schon Strom fließt. Außerdem lernt ihr zwei wichtige Bauteile kennen: LED und Widerstand. Abb. 7: LED LEDs LED, das ist die englische Abkürzung für Light Emitting Diode. Es handelt sich also um ein Bauteil, das Licht aussendet. Dioden sind Bauteile, die Strom nur in eine Richtung durchlassen. Welche Richtung das ist, könnt ihr bei LEDs ganz einfach erkennen: Ein Beinchen ist länger als das andere. Das lange muss mit dem Pluspol verbunden werden! Leider sind LEDs übermäßig ehrgeizige Bauteile. Sie wollen immer so viel Licht wie möglich produzieren. Dabei erwärmen sie sich aber auch und werden im schlimmsten Fall so heiß, dass sie kaputt gehen. Deswegen muss der Strom immer begrenzt werden, wenn ihr mit LEDs arbeitet. Dafür gibt es Widerstände. In eurem Set findet ihr zwei Sorten. Die mit den rotrot-braun-goldenen Ringen (220 Ω) sind die Richtigen für diesen Fall. Ob ihr den Widerstand vor oder nach der LED einbaut oder wie herum, spielt keine Rolle. So sieht also das Schema zum Anschließen einer einzelnen LED aus: Abb. 8: Widerstand Jetzt seid ihr dran. Nehmt ein gelbes Steckkabel, den Widerstand und die LED zur Hand und steckt das Ganze mal bei euch nach. Zur Erinnerung: Das kurze Beinchen zeigt Richtung Minuspol! Wenn ihr alles richtig gemacht habt, sollte euer Ergebnis so aussehen: 5V Abb. 9: LED mit Widerstand GND Abb. 10: Komplette Schaltung Falls eure LED nicht leuchtet: Ist das USB-Kabel eingesteckt? Steckt die LED richtig rum? Sind LED, Widerstand und Kabel in der gleichen Reihe? Habt ihr den richtigen Widerstand gewählt? 4

Das war zum Einstieg schon mal prima! Jetzt seid ihr bereit für die richtig spannenden Dinge, wie die Programmierung des Mikrocontrollers. Auf dem Computer vor euch findet ihr ein Programm, das genauso heißt wie euer Mikrocontroller, nämlich Arduino. Wenn ihr es startet, seht ihr folgendes Fenster: Bedienelemente Euer Code Fehler- und Statusmeldungen Abbildung 11: Screenshot der Arduino-Software Bevor ihr loslegt, gibt es erst mal eine kurze Erklärung der wichtigsten Bedienelemente: Mit diesen Knöpfen überprüft ihr euer Programm. Dabei macht euch die Software auf eventuelle Fehler im Code aufmerksam. Während der linke nur überprüft, sendet der rechte euer Programm nach erfolgreicher Prüfung auch gleich an den Arduino. [Hinweis: Ihr müsst beim Senden des Codes an den Arduino ein wenig Geduld zeigen, da das Hochladen des Programms etwas dauern kann! Beobachtet den Ladebalken, der rechts unten auftaucht und euch den Status anzeigt!] Dieser Knopf öffnet einen neuen Sketch. Diese Knöpfe öffnen bzw. speichern Sketches. Sketch: das ist einfach der Name für ein Programm in der Arduino-Sprache 5

Programmierung: Erste Schritte Das Programmieren eures Arduinos ist ganz einfach. Es gibt ein paar Regeln, die ihr kennen und einhalten müsst, dann läuft der Rest wie geschmiert. So sieht das Grundgerüst aus, das ihr für jedes Programm brauchen werdet: Einstellungen Anweisungen, die beim Start einmalig ausgeführt werden Anweisungen, die wiederholt ausgeführt werden Abb. 12: Aufbau eines Arduino-Sketch Schreibt dieses Grundgerüst schon mal in euren Sketch ab! 1. Anweisungen: Ihr gebt dem Arduino Anweisungen was er zu tun hat. Damit der Arduino weiß, wann eine Anweisung zu Ende ist, schließt ihr jede Anweisung mit einem Semikolon ; ab. 2. Variablen und Typen: Variablen sind kleine Container, in denen ihr Informationen ablegen könnt. Rechnet ihr etwas aus, könnt ihr das Ergebnis in einem Container ablegen. Immer wenn ihr das Ergebnis braucht, müsst ihr nicht neu rechnen, sondern könnt einen Blick in den Container werfen. Der Arduino muss aber vorher wissen, ob ihr zum Beispiel Zahlen oder Wörter speichern wollt. So passen ganze Zahlen in Variablen vom Typ (engl. Kurzform für ganze Zahl). Wollt ihr eine neue Variable erzeugen (oder in Informatikersprache: deklarieren), schreibt ihr erst den Typ (hier immer ) auf, dann den Namen und schließt die Anweisung mit einem Semikolon ab: z.b.: Diese Zeile erzeugt eine Variable für ganze Zahlen, ihr Name ist ergebnis. Ihr könnt auch direkt einen Wert speichern: Texte in <> sind Platzhalter, hier muss später euer Text hin z.b.: 6

Der Arduino unterscheidet zwischen Groß- und Kleinschreibung! Ergebnis ist also nicht gleich ergebnis! [Tipp: Entwickler können sich auch Notizen im Code machen. Alles hinter zwei Schrägstrichen // ist nur ein Kommentar und wird vom Programm ignoriert.] Genug der Theorie, jetzt geht es an s Programmieren! Verändert zunächst eure Schaltung ein wenig, schließlich wollt ihr die LED ja jetzt mit eurem Arduino steuern. Zieht dafür erstmal das USB-Kabel aus dem Computer. Verbindet dann einfach das obere Ende des gelben Steckkabels, das vorher in die Plus-Leiste ging, mit einem digitalen Pin des Arduino. Notiert euch hier, wo ihr das Kabel eingesteckt habt: Eure ToDo s 1. Speichert euren Sketch unter einem sinnvollen Namen an einem sinnvollen Ort (fragt hierzu euren Lehrer bzw. die Betreuer). Das Grundgerüst habt ihr ja schon auf Seite 5 angelegt. 2. Dann legt ihr eine Variable an, die speichert, mit welchem Pin die LED verbunden ist. Nochmal zur Erinnerung: Eine ganze Zahl kommt in eine Variable vom Typ. Also: Diese Zeile kommt in den Bereich Einstellungen (siehe Seite 5). In die Lücke kommt wieder die Nummer des Pins, in dem euer gelbes Kabel steckt. 3. Nun zu : a. dient dazu, einige Grundeinstellungen vorzunehmen. Zum Beispiel, ob ein digitaler Pin ein Eingang oder ein Ausgang sein soll. b. Als erstes muss also der Typ des Pins über die Anweisung definiert werden. Tragt hier ein, wie die Zeile bei euch aussehen muss: eure ledpin hier OUTPUT ist Variable ist 4. Zum Herzstück: Eure LED ist mit einem digitalen Ausgang verbunden. Die Anweisung, um diesen entsprechend ein- oder auszuschalten, heißt Wie sieht die Zeile bei euch aus? Der ist dabei entweder für Strom an oder für Strom 5. Speichert euren Code. Führt ihn aus, indem ihr das USB-Kabel anschließt und auf den Knopf zum Überprüfen und Übertragen klickt! Wenn ihr alles richtig gemacht habt, leuchtet eure LED jetzt wieder! Hat es nicht geklappt? Schaut nochmal drüber, ob hinter jeder Anweisung ein Semikolon steht, alle Klammern [ ( ) & { } ] gesetzt sind und eure Variable die Nummer des richtigen Pins enthält. 7

Wenn es immer noch nicht klappt, vergleicht euren Sketch einmal mit folgender Musterlösung! Abb. 13: Programmcode zum Einschalten einer LED Prima, die LED leuchtet wieder. Jetzt geht es direkt weiter mit etwas ganz Neuem: Lasst sie blinken! Die Anweisung dafür ist eigentlich ganz einfach: Da ja immer und immer wieder läuft, dürfte es ja völlig reichen, die LED erst einzuschalten und dann wieder auszuschalten. [Erinnerung: Das Gegenteil von ist!] Eure ToDo s Passt euren Sketch entsprechend an und testet euer Programm. Huch, es leuchtet einfach weiter? Nicht wirklich, es blinkt tatsächlich. Nur wird so schnell ausgeführt, dass unser Auge gar nicht mitbekommt, dass zwischendurch auch mal ausgeschaltet wird. Zeit, einfach mal den Arduino ein wenig auszubremsen. Dafür gibt es eine einfache Anweisung: Diese Anweisung lässt das Programm für genau <zeit> Millisekunden pausieren. führt also dazu, dass eine Sekunde Pause eingelegt wird. Fügt also einfach nochmal. nach jedem Schaltvorgang ein und testet euren Sketch Hervorragend, ihr könnt jetzt also mit einem Mikrocontroller eine LED zum Blinken bringen! 8

So sollte es jetzt blinken: Licht auf Tastendruck! Abb. 14: Programmcode zum Blinken einer LED Nur Dinge ein- und auszuschalten, ohne von außen Einfluss darauf zu haben ist irgendwie langweilig, oder? Deshalb lernt ihr jetzt ein neues Element kennen: Den Taster. Der Taster Ein Taster, das ist ein Bauelement, das Strom leitet, solange der Knopf runtergedrückt ist. Nimmt man den Finger weg, fließt auch kein Strom mehr. Ihr findet einen Taster in eurer Box, er sieht so aus: Achtung, Kleinteil! Abb. 15: Taster Ein paar Kleinigkeiten sind beim Einbau eines Tasters jedoch zu beachten. Die eine Seite des Tasters kommt an den Plus-Pol, die andere Seite wird mit einem der digitalen Pins des Arduino verbunden. Zusätzlich muss diese Seite aber noch mit einem großen Widerstand (100 kω, braunschwarz-gelb-gold) mit dem Minus-Pol verbunden werden. Wenn euch interessiert warum, schlagt auf dem Zusatzblatt Elektrotechnik unter Pull-down nach! Baut den Taster jetzt ein! Eure Schaltung sollte dann so aussehen wie rechts im Bild: Zum Arduino Notiert hier, mit welchem digitalen Pin ihr den Taster verbunden habt: Zum Arduino Abb. 16: Schaltung mit Taster und LED [Tipp: Versucht doch einmal, den Stromfluss vom Arduino, durch die Schaltung und wieder zurück nachzuvollziehen! Ihr dürft gerne in die Abbildung oben hineinmalen!] 9

Bevor ihr jetzt mit dem Programmieren loslegt, müsst ihr zunächst einen neuen Sketch anlegen. Auch hier braucht ihr wieder das Grundgerüst von Seite 5, also und. Werft einen Blick auf euren letzten Sketch und kümmert euch schon mal um die Variable für die LED. Zwei Schritte sind wichtig: Die Variable deklarieren (im Bereich Einstellungen) und den Pin als Ausgang (in ) setzen. Ihr lernt jetzt ein weiteres wichtiges Konstrukt kennen, das ihr als angehende Programmierer bald im Schlaf beherrschen werdet: Die if-anweisung Die if-anweisung prüft, ob die angegebene Bedingung wahr ist. Wenn ja, werden die Anweisungen in den geschweiften Klammern ausgeführt, wenn nicht werden sie ausgelassen und mit der nächsten Zeile im Programm weiter gemacht. Doch wie wird so eine Bedingung formuliert? Zum Beispiel, indem ihr testet, ob der Taster gedrückt ist, also der Eingang den Wert meldet! Eine mögliche Bedingung wäre zum Beispiel: So wie ihr vorhin benutzt habt, um einen Ausgang zu benutzen, könnt ihr jetzt verwenden, um einen digitalen Eingang zu benutzen. Einige Dinge sollten euch hier auffallen: 1. Was ist denn tasterpin? Ja, gut aufgepasst! So wie ihr euer Grundgerüst gerade mit den beiden Zeilen für den ledpin gefüllt habt, könnt ihr es jetzt mit der Variable tasterpin ergänzen. 2. In wird dem Arduino ja gesagt, ob der Pin ein Eingang oder ein Ausgang ist. Ihr erinnert euch noch, was ihr dem ledpin in mit auf den Weg gegeben habt? Wie heißt dann wohl die Anweisung für einen Eingang? 3. Vorher kam immer nur ein einfaches vor. Plötzlich steht da ein doppeltes. Das ist kein Tippfehler. Ein sagt dem Arduino weise einen Wert zu, während ihm mitteilt vergleiche beide Werte. Eure ToDo s Genug Gerede, ihr seid dran! Versucht doch mal die LED einzuschalten, sobald der Taster gedrückt wird! [Kleiner Tipp: Um den Arduino neuzustarten, müsst ihr nicht jedes Mal das Kabel ziehen. Auf dem Arduino ist ein kleiner Knopf, der mit Reset beschriftet ist und den gleichen Zweck erfüllt! ] Abb. 17: Reset-Knopf 10

Und sonst? Ein Schritt ist getan, aber ihr habt bestimmt auch etwas festgestellt: Die LED geht jetzt an, wenn ihr den Taster drückt, aber sie geht nicht wieder aus, wenn ihr loslasst! Was fehlt ist die Anweisung an den Arduino, was zu tun ist, wenn der Taster nicht gedrückt ist! Dabei wird euch eine Erweiterung der if-anweisung helfen: Den oberen Teil kennt ihr ja schon. Das englische Wort steht für sonst. Die Anweisungen, die darauf folgen, werden nur dann ausgeführt, wenn die Bedingung falsch war. Schafft ihr es, euren Sketch so anzupassen, dass beim Loslassen auch die LED wieder ausgeschaltet wird? 11

Arduino an Programmierer/in! Der Arduino kann nicht nur über das Ein- und Ausschalten von LEDs mit seinem Programmierer bzw. seiner Programmiererin reden. Gerade in den späteren Projekten wird es wichtig, dass ihr euch zwischendurch Sensorwerte oder Rechenergebnisse auf dem Computer anzeigen lasst. Dafür haben die Entwickler von Arduino ein hervorragendes Werkzeug eingebaut! Die serielle Konsole Die serielle Konsole schickt Daten über das Kabel vom Arduino zum Computer. Ihr startet diese Übertragung indem ihr in die Zeile einfügt. Die 9600 ist dabei die Geschwindigkeit mit der Daten über USB gesendet werden. Wollt ihr Daten ausgeben, so könnt ihr sie einfach in eurem über schicken. <Eure Daten> kann eine beliebige Variable sein, aber auch Text in Anführungszeichen, z.b. LED eingeschaltet. Nach dem Übertragen des Programms könnt ihr schließlich über den Reiter Tools Serial Monitor (oder die entsprechende Tastenkombination) die Konsole in einem neuen Fenster öffnen. Abb. 18: Öffnen des Serial Monitors Verändert euren Sketch jetzt so, dass nach jedem Schaltvorgang auch ein entsprechender Text ausgegeben wird! Herzlichen Glückwunsch! Ihr habt alle Grundlagen gemeistert. Wenn ihr noch Fragen habt, schaut einfach in die Zusatzblätter. Viel Spaß in den Lichtprojekten! Quellenverzeichnis: Abb. 1, 2, 6, 10, 15, 17 - Quelle: InfoSphere Abb. 3, 4, 5, 7, 8, 9, 16 - Quelle: Screenshots der Fritzing-Software (http://fritzing.org) Abb. 12, 13, 14, 18 - Quelle: Screenshots der Arduino-Software (http://www.arduino.cc) Alle weiteren Grafiken/Icons - Quelle: InfoSphere 12