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© 2012 Franzis Verlag GmbH, 85540 Haar

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EPUB-Bearbeitung und Konvertierung: www.goebel-software.com
Coverart & -design: www.ideehoch2.de

ISBN 9783645270106

Inhaltsübersicht

Vorwort

1  Der Engineering-Prozess

1.1  Zusammenstellen der Hardware

1.2  Zusammenstellen der Werkzeuge

1.3  Projekt: Blinkende LED

2  Arduino-Software-Entwicklung

2.1  Erste Schritte mit setup und loop()

2.2  Arbeiten mit Schleifen

2.3  Digitale Kommunikation

2.4  Analoge Kommunikation

2.5  Serielle Kommunikation

2.6  Arduino-Bibliotheken

3  Roboterausstattung – Bewegungssteuerung

3.1  H-Brücken

3.2  Fahrgestell

3.3  Projekt: Einschalten eines Motors mit einem Schalter

3.4  Projekt: Steuern der Motorgeschwindigkeit mit einem Potenziometer

3.5  Projekt: Steuern mehrerer Motoren mit dem Arduino-Board

3.6  Projekt: Steuern von Geschwindigkeit und Richtung

3.7  Projekt: Steuern von Motoren mit seriellen Befehlen

4  Arbeiten mit LCDs

4.1  Konfigurieren des Farb-LCD-Shields

4.2  Monochrom- und Farb-LCD-Shields

4.3  Arbeiten mit Bibliotheken

4.4  Grundlagen der LCD-Steuerung

4.5  Projekt: Erstellen eines Menüs auf dem Monochrom-LCD

4.6  Projekt: Erstellen eines Spielautomaten mit dem Farb-LCD-Shield

4.7  Projekt: Verwenden eines Tastenfelds zur Kommunikation mit einem Farb-LCD

4.8  Projekt: Erstellen eines Roboters nach Vorgabe

5  Integration eines GPS-Moduls

5.1  microSD-Shield

5.2  Das NMEA-Protokoll

5.3  Bibliotheken

5.4  Projekt: Ausgeben von GPS-Rohdaten an Serial Monitor

5.5  Projekt: Ausgeben von GPS-Daten auf einem Monochrom-LCD

5.6  Projekt: Erstellen eines Programms zur Fahrzeugpositionsbestimmung

5.7  Projekt: Protokollieren von GPS-Daten

6  Home-Engineering

6.1  Grundlagen der Spannungsteilung

6.2  Sensoren

6.3  Bibliotheken

6.4  Projekt: Programm zum Messen des Lichteinfalls

6.5  Projekt: Verwenden eines FSR-Drucksensors

6.6  Projekt: Verwenden eines Biegesensors

6.7  Projekt: Programm zur Bestimmung der horizontalen Abweichung

6.8  Projekt: Verwenden eines DHT22-Sensors mit einem Monochrom-LCD

6.9  Projekt: kabellose Temperaturüberwachung

7  Roboterwahrnehmung: Objekterkennung mit Arduino

7.1  Hardware

7.2  Servo-Bibliothek

7.3  Projekt: digitales Lineal

7.4  Projekt: Objektalarmsystem

7.5  Projekt: Solarregler

7.6  Projekt: automatisierter Roboter

8  Entwicklung eines Alarmsystems

8.1  Projekt: Türalarm

8.2  Projekt: Bewegungsmelder mit Datenausgabe an Serial Monitor

9  Arduino und GSM: Fehlermeldungen und Befehle

9.1  Cellular Shield

9.2  Einführung in den AT-Befehlssatz

9.3  Projekt: Senden einer Textnachricht

9.4  Projekt: Türalarm mit SMS-Benachrichtigung

9.5  Projekt: GPS-Tracker

10  Xbox-Controller-Integration mit LabVIEW

10.1  Einführung in die LabVIEW-Umgebung

10.2  LabVIEW-Funktionen

10.3  Projekt: Steuern mit einem Xbox-Controller

11  Arduino-Steuerung mit Bluetooth

Stichwortverzeichnis

Das Buch richtet sich an Studenten, Hobbybastler und Ingenieure gleichermaßen. Anhand verschiedener Projekte wird der praktische Einstieg in die Arbeit mit Arduino ermöglicht. Jeder findet heraus, wie er/sie die Plattform am besten für sich nutzen kann. Für den gelungenen Einstieg in die Programmierung mit Arduino unter Verwendung spezifischer Hardware-Komponenten wurden mehrere Einführungsprojekte konzipiert.

Das Werk enthält umfassende Informationen zum Thema Arduino und bietet weit mehr als nur die üblichen Anwendungsbeispiele mit LEDs. Eine Vielzahl von Peripheriegeräten und Technologien wie ein Ultraschallsensor, ein Xbox®-Controller und ein Bluetooth-Modul kommen zum Einsatz. Auch der Laie lernt in diesem Buch, Prozesse nachzuvollziehen, die auch für zukünftige (Nicht-Arduino-)Projekte hilfreich sein können.

Dieses Buch ist für jeden geeignet, der etwas über Arduino und die praktische Arbeit damit lernen möchte. Vorausgesetzt werden grundlegende Kenntnisse im Breadboarding und Löten.

In diesem Buch lernen Sie, wie Sie verschiedene Hardware-Komponenten und Technologien (Bluetooth, GPS, GSM) mit Arduino für sich nutzen können. Sie lernen, den Ablauf Ihrer Arduino-Projekte zu optimieren und sparen so Zeit und Ressourcen.

Mein Dank gilt den Fachkorrektoren Coleman Sellers und Andreas Wischer für Ihr ausführliches Feedback.

Christian Schweinfurth

• Zusammenstellen der Anforderungen
• Anlegen einer Checkliste
• Hardware
• Konfigurieren der Hardware
• Schreiben der Software
• Debuggen der Arduino-Software
• Hardware-Fehlerbehebung
• Fertiger Prototyp

Aus dieser Zusammenfassung lässt sich die Effektivität dieser Vorgehensweise für die Prototyperstellung bereits erahnen. Deshalb wird der Prozess für alle Arduino-Projekte in diesem Buch konsequent eingehalten.

Arduino ist ein frei konfigurierbarer Mikrocontroller und Open Source, d. h., der Quellcode ist frei verfügbar und die integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) zum Schreiben der Software kostenlos. Das gilt auch für einen Großteil der verfügbaren Ressourcen. Lediglich der Arduino-Mikrocontroller selbst muss käuflich erworben werden. Für den Arduino-Mikrocontroller finden Sie zahlreiche Ressourcen im Web und in Büchern, z. B. Tutorials zu einzelnen Problemstellungen. Für den Einstieg sind die Seiten www.arduino.cc und http://tronixstuff.wordpress.com/tutorials/ einen Besuch wert. Dieses Buch ist wesentlich mehr als nur eine Sammlung von Tutorials. Hier lernen Sie, den Engineering-Prozess konsequent anzuwenden, um Ihre Projekte übersichtlicher, effizienter und zuverlässiger zu gestalten.

• Arduino Duemilanove oder UNO : Beide Modelle verfügen über mehrere E/A-Ports für Sensoren und Motoren. Über diese E/As erfolgt die Steuerung und Programmablaufprotokollierung der verschiedenen Projekte in diesem Buch.
  

  Bild 1.1  Arduino UNO (links) und Duemilanove (rechts)

• ArduinoBT oder Bluetooth Mate Silver : Es empfiehlt sich, hier das Bluetooth-Mate-Silver-Modul zu verwenden. So können Sie aus Ihrem Arduino Duemilanove oder UNO ein ArduinoBT machen – und das zum halben Preis. Außerdem fehlt dem ArduinoBT ein 3,3-V-Ausgang, d. h., Sie müssten für einen 3,3-V-Ausgang dem Arduino-Board weitere Schaltungen hinzufügen. Einen solchen Ausgang benötigen Sie für Kapitel 6 (Home-Engineering) in diesem Buch.
  

  Bild 1.2  ArduinoBT (links) und Bluetooth-Mate-Silver-Modul (rechts)

• Lötfreie Steckplatine : Eine weitere wichtige Hardware-Komponente ist die lötfreie Steckplatine zur Umsetzung Ihrer Schaltungen. Für dieses Buch benötigen Sie eine mittelgroße lötfreie Steckplatine, die sowohl in der Entwurfs- als auch in der Fehlerbehebungsphase zum Einsatz kommt.
  

  Bild 1.3  Lötfreie Steckplatine

• Draht : Für die Projekte in diesem Buch wird viel Draht benötigt. Drahtbrücken erhalten Sie in jedem gut sortierten Elektrofachgeschäft.
• Arduino-Shields : In diesem Buch werden verschiedene Shields, z. B. Motor-, GPS-, GSM- und LCD-Shields verwendet.
  

  Bild 1.4  Arduino-Shields-: GPS-Shield (links), Motor-Shield (rechts)

• Motor-Shield : Dieses Shield dient der Steuerung von Motoren bis 18 V. Das Motor-Shield ist mit einer oberflächenmontierten H-Bridge zur Verwendung von Motoren mit einer höheren Versorgungsspannung/zur Steuerung von zwei Motoren ausgestattet. Weitere Informationen über H-Brücken finden Sie in Kapitel 3.
• GPS-Shield : Mit diesem Shield können Sie GPS-Positionsdaten abrufen. Es verwendet den NMEA(National Marine Electronics Association)-Standard, über den sich eine Vielzahl von Daten abrufen lässt, z. B. Längengrad, Breitengrad, GPS-Fix-Verfügbarkeit, GPS-Fix-Typ, Zeitstempel und Signal-Rausch-Verhältnis. Weitere Informationen über GPS-Systeme finden Sie in Kapitel 5.
• GSM-Shield : Mit diesem Shield können Sie die Leistungsfähigkeit des GSM-Standards nutzen, um Textnachrichten über große Distanzen hinweg zu versenden und zu empfangen. Das Shield verwendet als Standardprotokoll das GSM-Protokoll.
• LCD-Shield : Mit diesem Shield erweitern wir unseren Roboter um ein bildgebendes Verfahren und hauchen ihm dadurch Leben ein. Mit dem LCD-Shield können Sie auch eine eigene Benutzerschnittstelle für Ihren Roboter oder für jedes beliebige andere Projekt erstellen.
• Sensoren : Sensoren machen Ihre Projekte »lebendig«. Beispiele sind Bewegungsmelder, Ultraschall- und Temperatursensoren.
  

  Bild 1.5  Bewegungsmelder (links) und Ultraschallsensor (rechts)

• Bewegungsmelder: Dieser Sensor eignet sich hervorragend für die Erkennung von Infrarotlicht- und Temperaturschwankungen, lässt sich aber auch gut für die Bewegungserkennung einsetzen.
• Ultraschallsensor: Ultraschallsensoren eignen sich für das Erkennen von Objekten in der unmittelbaren Umgebung. Der hier eingesetzte Ultraschallsensor ermittelt die Entfernung zu einem bestimmten Objekt über ein digitales Ping-Signal.
• Temperatursensor : Mit diesen Sensoren können Sie die Temperatur ermitteln. Dazu müssen Sie zuerst eine Zuordnung der Spannungs- und Temperaturwerte (Skalierung) vornehmen, die Sie aufzeichnen möchten. Weitere Informationen finden Sie in Kapitel 6.
• Servos und Motoren : Motoren und Servos bieten vielfältige Steuerungsmöglichkeiten.
  

  Bild 1.6   Auswahl von Motoren

• Diverse Bauelemente: gängigste Komponenten elektronischer Schaltungen wie Widerstände, Kondensatoren, LEDs, Dioden und Transistoren.
  

  Bild 1.7  Diverse Bauelemente (Reihenklemmen, Kondensatoren, Widerstände, LEDs und Schalter)

• Lötkolben : Hiermit lassen sich Schaltungen miteinander verbinden.
  

  Bild 1.8  Lötkolben mit Halter

• Lot: Lot (Metalllegierung) ist der Werkstoff zum Verbinden von Schaltkreisen mithilfe eines Lötkolbens. Lot hat einen sehr geringen Schmelzpunkt.
• Spitzzange : Mit einer Spitzzange kann man Draht und Schaltungen in Position halten, Draht um Schaltungen wickeln usw.
• Lupe : Mit diesem Werkzeug hat man eine bessere Sicht auf die Schaltungen.
• Seitenschneider : Er dient dem Abtrennen von Drähten.
• Abisolierzange : Mit diesem Werkzeug entfernt man die Drahtisolierung.
• Multimeter : Hiermit kann man die Spannung (Wechsel- und Gleichstrom), die Stromstärke (Ampere) und den Widerstand (Ω) ablesen.
• Wissenschaftlicher Taschenrechner : Damit kann man verschiedene Berechnungen vornehmen (Widerstände nach ohmschem Gesetz, Spannungsteilung usw.)
  

  Bild 1.9  Wichtige Werkzeuge von links nach rechts: Multimeter, Spitzzange, Seitenschneider (oben), Abisolierzange (unten)

Hardware

• Arduino-Board
• LED
• 9-V-Batterie
• 9-V-Batterieanschluss
• Widerstand (22 Ω)

Software

• Programm, das eine LED im Abstand von 100 ms aufleuchten lässt

Auch wenn es sich in diesem Fall um ein sehr einfaches Beispiel handelt, wird das Prinzip dieser Vorgehensweise für den Rest des Buchs beibehalten. Mit einer solchen Checkliste vermeiden Sie z. B., dass Ihr Kunde fortlaufend das Hinzufügen neuer Funktionen erwartet. Das könnte zum Problem werden, weil Sie zusätzliche Arbeitszeit ohne entsprechende Bezahlung auf ein Projekt verwenden würden, das sich möglicherweise endlos hinzieht. Dank der Checkliste wissen Sie und Ihr Kunde genau, was zu tun ist und auf was Sie sich geeinigt haben. Nach dem Anlegen der Checkliste können Sie ein Flussdiagramm erstellen, das Ihnen später dabei hilft, die Software zu debuggen.

Bild 1.10  Programmablauf des Projekts »Blinkende LED«

• Arduino-Board
• LED
• 9-V-Batterie
• 9-V-Anschluss

Für die Einrichtung der Hardware muss die LED an Digital-Pin 13 und den Masse-Anschluss des Arduino-Boards angeschlossen werden.

Bild 1.11  Einrichten der Hardware für das Projekt »Blinkende LED

Bild 1.12  Schaltplan des Projekts »Blinkende LED«

Zuerst muss allerdings die Arduino-IDE installiert werden. Rufen Sie dazu die Adresse www.arduino.cc/en/main/software auf. Die Arduino-IDE ist unter Windows Vista, Windows 7, Mac OS X und Linux lauffähig. Nach dem Herunterladen der Arduino-IDE auf den Desktop liegen die Dateien im ZIP-Format vor und müssen entpackt werden. Nach dem Entpacken ist die Arduino-IDE installiert.

Nachdem Sie die Arduino-IDE auf dem Computer installiert haben, gilt es sicherzustellen, dass die IDE richtig konfiguriert ist. Öffnen Sie dazu die Arduino-IDE, und navigieren Sie zu Tools/Serial Port. Wählen Sie den seriellen Port aus, mit dem Ihr Arduino-Board verbunden ist. Wählen Sie anschließend Tools/Boards, und wählen Sie Ihr Arduino-Board aus (in diesem Buch verwenden wir das Modell Arduino Duemilanove ATmega328). Nachdem Sie die Hardware konfiguriert haben, können Sie die Software schreiben.

// Code für blinkende LED (Intervall: 100 ms)

const int LEDdelay = 100;  // Verzögerungszeit

void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);  // definiert Pin 13 als Ausgang
}

void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);   // gibt HIGH-Bit an Pin 13 aus
delay(LEDdelay);          // Verzögerung 100 ms
digitalWrite(13, LOW);
delay(LEDdelay)           // löst Syntaxfehler wegen eines 
// fehlenden Strichpunkts aus

} 

// Code für blinkende LED (Intervall: 100 ms)

const int LEDdelay = 100;  // Verzögerungszeit

void setup()
{
pinMode(13, OUTPUT);  // definiert Pin 13 als Ausgang
}

void loop()
{
digitalWrite(13, HIGH);   // gibt HIGH-Bit an Pin 13 aus
delay(LEDdelay);          // Verzögerung 100 ms
digitalWrite(13, LOW);
delay(LEDdelay);          // Strichpunkt jetzt vorhanden, 
// Code kann kompiliert werden

} 

Syntaxfehler gehören noch zu den harmloseren Fehlern. Die problematischsten Fehler sind logische Fehler. Hier wird der Code zwar kompiliert, aber Sie erhalten ein unerwartetes Ergebnis. Ein logischer Fehler liegt z. B. dann vor, wenn Sie ein Größer-als-Symbol (>) anstelle eines Kleiner-als-Symbols (<) verwenden. Bei einem Projekt mit mehreren Tausend Zeilen Code kann die Behebung eines solchen Fehlers ein nahezu unmögliches Unterfangen darstellen.

Logische Fehler in einem Arduino-Programm lassen sich am besten mithilfe eines Flussdiagramms ausfindig machen. Damit können Sie genau nachvollziehen, an welcher Stelle Werte abweichen.

// Einfaches Arduino-Programm

void setup()
{
// E/As hier einrichten 
}

void loop()
{
// Funktionalität
}

Unter setup() richten Sie E/A-Ports wie LEDs, Sensoren, Motoren und serielle Ports ein. Dieser Vorgang ist wichtig, denn um die Pins auf dem Arduino-Board nutzen zu können, müssen Sie die gewünschten Pins vorher »reservieren«.

loop() enthält den gesamten Code zur Steuerung der E/A-Ports. Hier legen Sie z. B. eine bestimmte Geschwindigkeit für Ihren Motor fest. Das Einrichten und Steuern der E/As wird in den nächsten Abschnitten näher erläutert.

Arduino-Programme enthalten außerdem diverse Unterfunktionen. Dabei handelt es sich um nützliche Sonderfunktionen, die Sie innerhalb von loop()-Anweisungen oder in den entsprechenden Unterfunktionen aufrufen können. Um eine Unterfunktion verwenden zu können, müssen Sie die Funktion zuerst am Anfang des Programms initialisieren. Diese erste Deklaration nennt sich Funktionsprototyp.

Beispiel:

// Funktionsprototyp
void delayLED();

void setup()
{

}

void loop()
{

}

// Unterfunktion

void delayLED()
{
// Code, der im Anschluss an die loop()-Struktur ausgeführt wird 
}

Nachdem Sie nun wissen, welche Variablentypen es gibt, gilt es, diese Variablen zu deklarieren. Für die Deklaration der Variablen müssen Sie wissen, in welchem Bereich sie verwendet werden können. Anschließend müssen Sie den Bereich angeben (deklarieren), der Ihren Anforderungen entspricht. Hier wird zwischen zwei grundsätzlichen Bereichen für Variablen unterschieden: lokal und global. Eine lokale Variable lässt sich nur innerhalb des für sie definierten Bereichs verwenden. Z. B. werden in einer Schleife die dort deklarierten Variablen nur innerhalb der Klammern verwendet, die Variablen sind also für diese Schleife lokal. Eine globale Variable kann von jedem beliebigen Ort des Programms aufgerufen werden. Zur Definition einer globalen Variable müssen Sie die Variable zu Beginn des Programms initialisieren. Das folgende Programm zeigt, wie Sie lokale und globale Variablen initialisieren:

// Variable initialisieren

int x;  // Diese Variable wird global deklariert und kann im 
// gesamten Programm aufgerufen werden.

void setup()
{

}

void loop()
{
x = 1 + 2;  // weist x den Wert 3 zu
for(int i; i <= 100; i++)
{
// i ist eine lokale Variable und kann nur innerhalb 
// dieser Schleife aufgerufen werden.
} 

} 

Alle anderen Deklarationen erfolgen auf die gleiche Weise, solange Sie keine Arrays verwenden. Mit Arrays können Sie mehrere Werte vom selben Typ übergeben. Wenn Sie z. B. mehrere digitale Pins übergeben möchten, müssen Sie nicht jeden Pin einzeln deklarieren:

int pins[] = {13,9,8};

Sie sollten auch die Größe des Arrays deklarieren, wie im folgenden Beispiel:

const int NumOfPins = 3;
int pins[NumOfPins] = {13,9,8};

So können Sie auf die Informationen im Array zugreifen und anschließend an einen digitalen Pin oder eine andere Instanz übergeben.

if-Anweisungen sind wichtige bedingte Anweisungen, die für nahezu jede boolesche Operation und verschiedene andere Zwecke verwendet werden können, z. B. zur Grenzwertbestimmung. Im Folgenden ein Beispiel für eine if-Anweisung:

int i;
if (i < 10)
{
i++;
}

Sie können am Ende Ihrer if-Anweisung weitere elseif-Anweisungen hinzufügen, um weitere Bedingungen hinzuzufügen, oder Sie erstellen eine if-elseif-Anweisung:

int i;
if (i < 10)
{
i++;
}
else if (i > 10)
{
i--;
}

Ein praktisches Anwendungsbeispiel für eine bedingte Anweisung ist z. B. das Auslesen eines Potenziometerwerts:

potValue = analogRead(potPin);

if (potValue <= 500)
{
digitalWrite(motorpin, 1);
}
else
{
digitalWrite(motorpin, 0);
}

Eine switch-Anweisungswitch