Arduino – Eine Einführung in DIY-Mikrocontroller-Geräte

Heutzutage kann Arduin alles in einen Computer verwandeln. Wenn Sie eine LED oder LCD mit einer Tastatur sehen, hat wahrscheinlich jemand einen Laptop in dieses Gerät gesteckt. Einige dieser Dinger enthalten sogar sechs, sieben oder mehr kleine Computer, Mikrocontroller genannt.

In ihnen, von denen der Arduino der beliebteste ist. Wenn Sie sich vorstellen, Ihr elektronisches Gerät mit einem eingebauten Computer zu erstellen, müssen Sie verstehen, was diese sind und wie sie funktionieren.

Erst dann können Sie ein paar Kits in einem PCB-Shop kaufen und mit Ihren Projekten beginnen.

Was ist Arduino?

Diese kleinen Mikrocontroller-Computer werden normalerweise entweder als eingebettete Controller oder Mikrocontroller-Einheiten (MCU) bezeichnet. Sie sind komplette Computersysteme mit allem, was Sie sich vorstellen können, was in einen Computer passt. Sie alle verfügen über eine zentrale Verarbeitungseinheit zum Ausführen von Programmen, temporären RAM-Speicher, permanenten Speichersystemen und Anschlüssen für Peripheriegeräte und Zubehör.

Mikrocontroller sind nur Computer für individuelle Zwecke, die nur für einige wenige spezifische Aufgaben gebaut und entwickelt wurden. Meistens führen diese Geräte nur ein einziges Programm aus, das auf einem ROM gespeichert ist. Sie können jedoch auch einen externen Speicher an sie anschließen. In jedem Fall gelten sie als Low-Power-Geräte, und das ist ihr Charme. Sie können einen vollständig mit Batterien betreiben.

Ein Arduino ist nur eine Open-Source-Version eines Mikrocontrollers. Es ist ein Hardware-Entwicklungsboard, mit dem Sie Ihre eigenen Geräte entwerfen und bauen können. Arduino ist perfekt für Tüftler, Bastler und Hersteller und bezieht sich sowohl auf eine bestimmte Art von Platinendesign als auch auf das Unternehmen, das sie herstellt, und auf die Gemeinschaft der Entwickler, die sie verwenden. Aus diesem Grund finden Sie sie in fast jedem Elektronik- oder PCB-Teilegeschäft oder Katalog.

Die Plattform besteht aus einer physischen programmierbaren Leiterplatte, dem Mikrocontroller selbst und der Software oder IDE (integrierte Entwicklungsumgebung), mit der Sie das Programm erstellen, das das Gerät ausführt. Der bei neuen Entwicklern beliebte Arduinos erfordert kein separates Programmiergerät, wodurch er viel benutzerfreundlicher ist als andere Mikrocontroller-Kits auf dem Markt. Es verwendet sogar eine vereinfachte Version der Programmiersprache C++, wodurch es einfach zu programmieren ist.

1.1 Was macht ein Arduino aus?

Arduinos-Boards werden mit einigen Komponenten und Schnittstellen geliefert, die auf einer einzigen Leiterplatte (PCB) als Mikrocontroller-Kit vorinstalliert sind. Diese Komponenten legen einen Standardformfaktor fest, der den Mikrocontroller zugänglicher macht.

Die Grundkomponenten

Obwohl sich das Design im Laufe der Jahre geändert hat, enthält ein einfaches Arduinos-Kit die folgenden Komponenten:

Pin-Anschlüsse

Es gibt zwei Arten von Pins:Diese Pins sind in einem bestimmten Muster angeordnet und ermöglichen es Ihnen, die MCU mit den anderen Platinen zu verbinden, die Teile Ihres benutzerdefinierten Geräts sein können. Sie ermöglichen es Ihnen auch, eine Tochter-Zusatzplatine, genannt „Shield“, an Ihrem Gerät anzubringen.

Digital – Single-State Input/Output (I/O)-Anschlüsse, die Sie entweder ein- oder ausschalten können. Die meisten Arduinos haben 14 digitale Pins.

Analog – Konnektoren mit mehreren Zuständen, die eine Reihe von Werten lesen können. Sie können sie für eine feinkörnigere Steuerung verwenden. Normalerweise sind es sechs.

Boden – Mit GND gekennzeichnet, ermöglichen Ihnen diese drei Pins, Ihr Gerät zu erden.

Macht – Die vier 5-Volt- und fünf 3-Volt-Pins liefern Stromsignale für Add-Ons und andere Anbaugeräte.

Pulsweitenmodulation (PWM) – Acht der digitalen Pins dienen gleichzeitig als PWM-Anschlüsse. Sie können analoge Ausgangssignale für Anwendungen wie das Dimmen von LEDs simulieren

Analogreferenz (AREF) – Wird manchmal verwendet, um externe Spannungen zu regulieren, aber diese neun Pins werden selten verwendet.

Stromanschluss

Dieser Anschluss versorgt das Gerät mit Strom und erzeugt Niederspannungsstrom für LEDs, Sensoren und andere. Sie können den Anschluss entweder mit einem Netzteil oder einem kleinen Akku verwenden.

Hauptprozessor

Die Mikrocontroller-CPU ist das Herzstück der Plattform. Es ermöglicht dem Arduino, Befehle auszuführen und Entscheidungen basierend auf verschiedenen Eingaben und laufenden Programmen zu treffen. Das gleiche Chit wird zwischen den Arduinos-Typen variieren, aber die meisten Kits liefern Atmel-Chipsätze mit unterschiedlichem Onboard-Speicher. Zu den Standardprozessormodellen gehören:

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Serieller Anschluss

Die meisten Arduino-Boards verfügen über einen Standard-USB-Anschluss, über den Sie die MCU an Ihren Computer anschließen können, um neue Programme zu laden. Bei einigen Boards dient der USB-Anschluss auch als Stromanschluss.

Reset-Taste

Arduino-Boards enthalten auch eine Reset-Taste. Durch Drücken der Taste wird der Reset-Pin ausgelöst. Es startet jeden gerade laufenden Code neu. Perfekt, wenn Sie etwas testen möchten, aber Ihr Programm keine Neustartfunktion hat.

Betriebs-LED-Anzeige

Einige Arduino MCUs sind mit einer Power-LED ausgestattet, die anzeigt, ob das Gerät eingeschaltet ist. Im Allgemeinen leuchtet die LED auf, wenn Sie das Team an eine Stromquelle anschließen. Wenn dieses Licht nicht aufleuchtet, ist wahrscheinlich etwas nicht in Ordnung.

LEDs zum Senden und Empfangen von Signalen

Bezeichnung als TX (Senden) und RX (Empfangen); Diese LEDs zeigen die Aktivität der seriellen Kommunikation an. Sie geben einen subtilen visuellen Hinweis, wenn das Gerät Daten empfängt oder sendet.

Spannungsregler

Arduino-Boards sind zwar nicht vom Benutzer programmierbar, verfügen jedoch über einen Spannungsregler. Der Regler steuert die Höhe der Spannung, die durch die Platine geht. Es hat natürlich Grenzen, aber die meisten Projekte werden keine Spannungen über 20 Volt haben.

1.2 Arduino Add-ons und Zubehör

Die oben genannten Komponenten sind in allen Arduino-MCUs enthalten, aber sie sind nicht die einzigen elektronischen Komponenten, die Sie mit der Plattform verwenden können. Die Boards sind mit allen IEEE- und ISO-Standards konform. Sie können also alle handelsüblichen Teile verwenden, um Ihr Arduino-Projekt lohnenswert zu machen. Die Arduinos-Plattformspezifikation erfordert jedoch einige plattformkompatible Add-Ons. Aus diesem Grund führen die meisten Arduino-Lieferanten auch einige Arduino-Sensoren und -Abschirmungen. Ohne sie ist auch kein Arduino-Projekt vollständig.

Sensoren

Sie können ein wenig Code verwenden, damit Ihr Arduino eine Reihe von Sensoren steuert und mit ihnen interagiert.

Die meisten Arduino-Anbieter bieten Sensoren zum Messen an:

• Licht
• Temperatur
• Grad der Biegung
• Druck
• Nähe
• Beschleunigung
• Kohlenmonoxid
• Radioaktivität
• Feuchtigkeit
• Luftdruck

Arduino-Steckbrett

Sie können auch ein lötfreies Steckbrett für Ihr Projekt erhalten. Mit dieser Platine können Sie Prototypen erstellen und mit Ihren Schaltungsdesigns und -layouts experimentieren, ohne Ihre Komponenten dauerhaft auf Ihre Leiterplatte zu löten. Sie können Ihre Layout- und Designideen experimentieren und testen. Das Steckbrett hat kein Netzteil. Es wäre also hilfreich, wenn Sie Jumper-Drähte verwenden würden, um es über das Mainboard mit Strom zu versorgen.

Schilde

Die letzten Teile des Arduino-Puzzles sind Arduino-Schilde. Diese vorgefertigten Tochterplatinen passen auf die Arduino-Hauptplatine und bieten zusätzliche Funktionen.

Einige standardmäßige Schutzfunktionen umfassen

Motoren steuern

Internetverbindung

Mobile und zellulare Vernetzung und Kommunikation

LCD-Bildschirm-Controller

Arduino-Entwickler verwendeten die offizielle integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) von Arduino, um ihre Arduino-Programme zu schreiben. Die Java-basierte Open-Source-IDE funktioniert auf allen Plattformen mit Windows, Mac und Linux. Es bietet Ihnen eine einzigartige Umgebung zum Schreiben und Testen von Code, der in der Programmiersprache Processing geschrieben wurde, bevor Sie ihn auf Ihr Gerät hochladen.

Das Arduino Uno – das beliebteste Arduino

Da kein Projekt dem anderen gleicht, hat die Arduino-Gruppe Spezifikationen für einige Arduino-Board-Typen veröffentlicht. Einer der beliebtesten dieser Boardtypen ist das Arduino Uno.

Als ausgezeichnete Wahl für Anfänger ist das $22 Arduino Uno MCU ein Bare-Bones-Board. Es wird nur mit den wesentlichen Komponenten geliefert, aber es ermöglicht Ihnen, Ihr Projekt nach Ihren Wünschen zu gestalten. Mit 25 Gramm ist dieses 68,5 x 53,4 Millimeter große PCB leicht genug, um auch in ein Gehäuse zu passen.

Die aktuelle Version, der Arduino Uno R3, kommt mit:

• ATmega328P Mikroprozessor
• 14 digitale Eingangs-/Ausgangspins
  • 6 PWM-Ausgang
  • Eingebaute LED (verbunden mit Pin 13)
  • 5-Volt-, 3,3-Volt- und Masse-Pin-Spannungsausgang

• Sechs analoge Pins
• USB-Anschluss
• Netzanschluss
• Zurücksetzen-Taste
• 5 Volt Betriebsspannung
• 32 KB Flash-Speicher
• 2 KB SRAM und 1 KB EEPROM

Das Uno ist vielleicht nicht das erste Arduino-Board, aber es wird am aktivsten verwendet. Es ist auch der am besten dokumentierte Formfaktor mit Tonnen von Projekt-Tutorials und Foren im gesamten Internet.

Arduino Mega – Die MCU für GROSSE Projekte

Das Arduino Mega ist praktisch vier Uno-MCUs in einem und das Board für Ihre umfangreichen Projekte. Angetrieben von einem Atmel ATmega2560-Chip bringt der Mega vier serielle Anschlüsse mit einem separaten USB-Anschluss für die Stromversorgung und Schnittstellen mit Computern auf den Tisch. Es verfügt sogar über einen dedizierten ATmega16U2-Prozessor nur für den zusätzlichen USB-Anschluss. Sie können die MCU auch mit einer Batterie betreiben.

Das Mega hat:

• 54 digitale Input/Output (I/O) Pins mit 14 PWM-kompatiblen Pins
• 16 analoge IO-Pins
• USB-Anschluss
• Netzbuchse
• Zurücksetzen-Taste

Die große Anzahl von Pins des Mega macht das Board aus. Sie können sie in Projekten verwenden, die viele digitale E/A-Verbindungen, LEDs oder Tasten erfordern.

Der Rest der Leistung der Mega MCU kommt von ihrem Prozessor. Der ATmega2560-Mikroprozessor kann alles tun, was Sie ihm zuwerfen können. Es verfügt über eine Taktfrequenz von 16 MHz, 256 KB Flash, 8 KB SRAM und 4 KB EEPROM. All dies macht das Arduino Mega zum idealen Board für 3D-Drucker und Robotik.

Arduino ESP8266 macht Ihre Projekte drahtlos

Kein Arduino-Board verfügt über ein drahtloses Netzwerk auf dem Board selbst. Sie werden es auch auf keinem der verfügbaren Schilde finden. Sie benötigen ein Arduino ESP8266 Wi-Fi-Modul, wenn Sie Ihr Projekt drahtlos machen möchten.

Es gibt zwar neuere Module, aber das ESP2866 ist das Original. Es ist möglicherweise nicht als eigenständige MCU konzipiert, aber Ihr Projekt benötigt eine auf dem heutigen Mobilmarkt.

Es bietet jedoch eine anständige drahtlose Konnektivität. Das Board ist mit Strom-, Erdungs-, Sende- und Empfangspins ausgestattet, um diese Funktionen mit Ihrem zentralen Arduino zu verbinden, sowie mit einem Ein-Aus-Pin für „chipgesteuerte Abschaltung“ (CH_PD). Sie haben auch einen Reset und zwei GPIO-Datenpins.

Es gibt einen Nachteil. Der ESP8266 benötigt ein 5-Volt-Stromsignal. Es funktioniert nicht mit dem Arduino-Standard 3,5 Volt.

PWM-Subsystem und Framework

5.1 Arduino-PWM

Pulsweitenmodulation (PWM) simuliert ein analoges Signal mithilfe von Rechteckwellensignalen mit unterschiedlichen Frequenzen und Amplituden. Die Arduino-Plattform verwendet diese Signale, um analoge Schaltungen mit ihren digitalen Ausgängen zu regeln.

Die Arduino PWM-Plattform ist keine separate Hardware. Alle Arduino-Boards sind mit integrierten Systemaufrufen ausgestattet. Sie müssen ein Programm schreiben, das sie verwendet. Der Befehl erzeugt die Rechteckwelle über einen kompatiblen Pin.

5.2 Arduino Nano – Perfekt für kleine Geräte und Projekte

Als Miniaturversion der Arduino-Plattform bietet der Arduino Nano die gleichen Funktionen wie der Uno in einem viel kleineren Paket, das von einem ATmega328P-Prozessor und einem Atmega168-Coprozessor angetrieben wird. Es verwendet die gleiche Arduino IDE-Software wie die anderen Arduino-Boards.

Der Nano kommt mit:

• 14 digitale E/A-Pins mit 6 PWN-kompatiblen Pins
• Acht analoge Pins
• 5-Volt-Betriebsspannung
• Zurücksetzen-Taste
• USB-Anschluss
• Serielle Schnittstelle
• 32 KB Flash-Speicher
• 8 KB SRAM
• 1 kb EEPROM

Trotz seiner Größe funktioniert der Nano hervorragend mit den folgenden Projekttypen:

• Eingebettete Systeme
• Automatisierung
• Robotik
• Kontrollsysteme
• Instrumentierung

Warum ein Arduino einem Raspberry Pi vorziehen?

Die Arduino-Plattform ist nicht die einzige MCU auf dem Markt. Viele der anderen MCUs bieten die gleichen Funktionen wie der Arduino, einschließlich des Raspberry Pi. Der PI ist jedoch ein ganz anderes Produkt als der Arduino.

Zum einen ist der Raspberry PI ein ganzer Computer. Der Arduino ist es nicht. Ein Mikrocomputer ist nur eine kleine Komponente, aus der ein Computer besteht. Aus diesem Grund bietet die Arduino-Plattform nur einen kleinen Teil dessen, was der PI zu bieten hat. Beispielsweise kann es nur kleine Anwendungen ausführen und kein vollwertiges Computerbetriebssystem.

6.1 Stärken und Schwächen der

Das bedeutet nicht, dass der Arduino nutzlos ist. Es ist perfekt für Elektronikprojekte, die keinen ganzen Computer benötigen, um zu funktionieren. Sie können es direkt an Ihre Komponenten und Sensoren anschließen und alles funktioniert sofort mit wenig oder gar keiner Einrichtung.

Der Arduino kann dies aufgrund der Funktionsweise der Arduino-Firmware tun. Die Firmware ist die Kernsoftware, die die Arduino-Board-Reihe ausführt. Es kommuniziert auch mit Ihrem Computer über USB, um Ihnen Zugriff auf alle seine programmierbaren Funktionen zu geben. Sie können die Firmware zwar jederzeit ersetzen, müssen dies aber nie tun. Sie müssen es nicht einmal neu starten. Sobald Sie Ihren Code hochgeladen haben, können Sie ihn sofort überall ausführen. Es besteht keine Notwendigkeit für eine Tastatur, ein Display oder Mittel zur Auswahl einer Anwendung. Das Board erledigt die eine Aufgabe, die Sie ihm übertragen.

6.2 Der Raspberry Pi ist ein vollwertiger Computer

Im Gegensatz dazu ist der Raspberry Pi ein voll funktionsfähiger Computer. Es benötigt ein Betriebssystem, um ausgeführt zu werden, was einen Neustart erfordert, um betriebsbereit zu bleiben. Das Board hat auch keinen internen Speicher. Es wäre hilfreich, wenn Sie eine externe Micro-SD-Karte bereitstellen, um die Programme zu speichern, die Sie ausführen möchten. Obwohl es über ein integriertes Ethernet verfügt, können Sie die Software aktualisieren, ohne die Karte entfernen zu müssen.

Der Pi läuft auf einer Broadcom Arm-v6-CPU mit Speicher und einem HDMI-Grafikprozessor. Das Board funktioniert auch hervorragend mit Tastatur und Maus, sodass Sie eine Linux-Variante laden können und es so haben, dass niemand erkennen kann, dass Sie eine so winzige Maschine verwendet haben, um alles zu steuern. So mächtig ist es. Es ist die perfekte Plattform für Projekte, die eine vollständige Benutzerinteraktivität und all diese Verarbeitungsleistung erfordern.

Diese Leistung macht den Pi jedoch für kleinere Projekte ungeeignet. Sie müssen beispielsweise eine LED an ein Arduino-Board anschließen, um es mit nur acht Zeilen Code zum Leuchten zu bringen. Der Pi benötigt zusätzlich zu Ihrem Code zusätzliche Bibliotheken, um loszulegen, und das ist der Fall, wenn Sie bereits ein Betriebssystem auf dem Board installiert haben.

Das bedeutet nicht, dass Sie den Raspberry Pi und den Arduino nicht für die gleichen Arten von Projekten verwenden können. Sie können Framework-Bibliotheken installieren, die dem Pi die gleichen Funktionen wie dem Arduino verleihen. Es kostet einfach viel mehr Zeit und Mühe, einen Pi in einem Projekt zu verwenden.

Der Arduino hat auch eine größere Community von Entwicklern. Als beliebteste Plattform für Elektronikprojekte bietet Arduino viele Tutorials für Anfänger, die Ihnen den Einstieg erleichtern.

Unabhängig davon müssen Sie sich nie zwischen diesen beiden Boards entscheiden. Sie arbeiten großartig zusammen. Mit der richtigen Befestigung kann Ihr Arduino zu einem Tochter-Erweiterungsboard für Ihren Raspberry Pi werden, wodurch beide Karten Zugriff auf die Funktionen der jeweils anderen Karte erhalten.

Schlussfolgerung

Arduino ist eine Familie von Mikrocontroller-Plattformen, die speziell für Do-it-yourself-Elektronikprojekte entwickelt wurden. Diese Einweg-Boards enthalten alles, was Sie zur Automatisierung Ihrer Aufgaben benötigen, und noch einiges mehr. Sie müssen es an Ihren Computer anschließen, Code erstellen und es einfach ausführen. Es erledigt den Rest.

Um die eine oder andere Komponente für Ihre Projekte zu erhalten, kontaktieren Sie uns sofort. Unsere Vertreter verstehen Arduino und sind bereit, Ihnen bei der Entscheidung zu helfen, welches Board und welche Add-Ons für Sie geeignet sind. Wir können Ihnen sogar helfen, die Teile zu beschaffen, die Sie benötigen, um Ihren Arduino an einen Raspberry Pi anzuschließen, um Ihre Geräte auf die nächste Stufe zu bringen.