Arduino enthüllt: DIY-Mikrocontroller-Projekte meistern

Heute kann man fast alles in einen Computer verwandeln. Wenn Sie eine LED oder ein LCD mit Tastatur sehen, steckt wahrscheinlich ein kleiner Computer darin. Manche Geräte enthalten sogar sechs, sieben oder mehr winzige Computer – sogenannte Mikrocontroller.

Der bekannteste davon ist der Arduino. Wenn Sie Ihr eigenes elektronisches Gerät mit eingebautem Computer entwickeln möchten, müssen Sie verstehen, was Mikrocontroller sind und wie sie funktionieren. Erst dann können Sie sich Bausätze beim PCB-Händler besorgen und Ihre Projekte starten.

Was ist Arduino?

Diese kleinen Mikrocontroller-Computer werden auch als eingebettete Controller oder Mikrocontroller-Einheiten (MCU) bezeichnet. Es sind komplette Computersysteme mit allem, was man sich vorstellt: Zentraleinheit (CPU) für Programmausführung, temporärer RAM-Speicher, permanente Speichersysteme und Anschlüsse für Peripherie und Zubehör.

Mikrocontroller sind Einzweckcomputer, die nur wenige spezifische Aufgaben ausführen. Meist läuft nur ein einziges Programm, das auf einem ROM gespeichert ist. Externer Speicher lässt sich zwar anschließen, aber sie gelten als Niedrigleistungsgeräte – genau das ist ihr Reiz. Sie können vollständig mit Batterien betrieben werden.

Ein Arduino ist eine Open-Source-Version eines Mikrocontrollers. Er kommt als Hardware-Entwicklungsboard, mit dem Sie eigene Geräte entwerfen und bauen können. Perfekt für Bastler, Hobbyisten und Maker bezeichnet Arduino sowohl ein spezifisches Board-Design als auch das Herstellerunternehmen und die Entwicklercommunity. Deshalb finden Sie Arduino in fast jedem Elektronik- oder PCB-Teilekatalog.

Die Plattform besteht aus einem programmierbaren Schaltkreisboard (dem Mikrocontroller selbst) und der Software bzw. IDE (Integrated Development Environment), mit der Sie das Programm für das Gerät erstellen. Bei neuen Entwicklern beliebt, benötigt Arduino kein separates Programmiergerät – was es benutzerfreundlicher macht als andere Mikrocontroller-Kits. Es verwendet sogar eine vereinfachte Version von C++, was die Programmierung erleichtert.

1.1 Aus welchen Komponenten besteht ein Arduino?

Arduino-Boards werden mit einigen vorinstallierten Komponenten und Schnittstellen auf einer einzelnen Leiterplatte (PCB) als Mikrocontroller-Kit geliefert. Diese Komponenten definieren einen Standardformfaktor, der den Mikrocontroller zugänglicher macht.

Die grundlegenden Komponenten

Obwohl sich das Design über die Jahre weiterentwickelt hat, enthält ein grundlegendes Arduino-Kit folgende Komponenten:

Pin-Anschlüsse

Es gibt zwei Pin-Typen in einem spezifischen Muster angeordnet. Sie verbinden den MCU mit anderen Boards und Teilen Ihres Geräts. Zudem ermöglichen sie den Anschluss eines Daughter-Add-on-Boards, eines sogenannten „Shields“.

• Digital – Einzustands-Ein-/Ausgangsanschlüsse (I/O), die auf Ein oder Aus gesetzt werden können. Die meisten Arduinos haben 14 digitale Pins.
• Analog – Mehrzustandsanschlüsse, die einen Wertebereich lesen können. Für feinere Steuerung. Meist 6 Stück.
• Ground (GND) – Drei Pins zum Erden Ihres Geräts.
• Power – Vier 5-Volt- und fünf 3,3-Volt-Pins liefern Stromsignale für Add-ons und Anbauteile.
• Pulsweitenmodulation (PWM) – Acht der digitalen Pins dienen gleichzeitig als PWM-Anschlüsse. Sie simulieren analoge Ausgangssignale, z. B. zum Dimmen von LEDs.
• Analog Reference (AREF) – Manchmal zur Regelung externer Spannungen genutzt, diese Pins werden selten verwendet.

Stromanschluss

Dieser Anschluss versorgt das Gerät und erzeugt Niederspannung für LEDs, Sensoren usw. Sie können ihn mit einem Netzteil oder einer kleinen Batterie nutzen.

Hauptprozessor

Der Mikrocontroller-CPU ist das Herz der Plattform. Er ermöglicht dem Arduino, Befehle auszuführen und Entscheidungen basierend auf Eingaben und laufenden Programmen zu treffen. Der Chip variiert je nach Arduino-Typ, die meisten Kits liefern Atmel-Chipsätze mit unterschiedlichem Onboard-Speicher. Standardprozessoren umfassen:

• ATmega8
• ATmega168
• ATmega328
• ATmega1280
• ATmega2560

Serieller Anschluss

Die meisten Arduino-Boards haben einen Standard-USB-Anschluss zum Verbinden mit dem Computer zum Laden neuer Programme. Bei manchen Boards dient der USB-Anschluss auch als Stromanschluss.

Reset-Taste

Arduino-Boards enthalten eine Reset-Taste. Drücken löst den Reset-Pin aus und startet den aktuell laufenden Code neu – ideal, wenn Ihr Programm keine Neustartfunktion hat.

Power-LED-Indikator

Einige Arduino-MCUs haben eine Power-LED, die anzeigt, ob das Gerät eingeschaltet ist. Generell leuchtet die LED, wenn Sie das Gerät an eine Stromquelle anschließen. Bleibt sie aus, stimmt wahrscheinlich etwas nicht.

Signal-Sende- und Empfangs-LEDs

Beschriftet als TX (Senden) und RX (Empfangen) zeigen diese LEDs serielle Kommunikationsaktivität. Sie geben einen dezenten visuellen Hinweis, wenn das Gerät Daten sendet oder empfängt.

Spannungsregler

Obwohl nicht benutzerprogrammierbar, verfügen Arduino-Boards über einen Spannungsregler. Er steuert die Spannung, die durch das Board fließt. Er hat Grenzen, aber die meisten Projekte überschreiten nicht 20 Volt.

1.2 Arduino-Zusatzmodule und Zubehör

Die oben genannten Komponenten sind in allen Arduino-MCUs enthalten, aber nicht die einzigen elektronischen Bauteile, die Sie mit der Plattform nutzen können. Die Boards entsprechen allen IEEE- und ISO-Standards, sodass Sie beliebige Standardteile für Ihr Arduino-Projekt verwenden können. Die Arduino-Plattformspezifikation sieht jedoch plattformkonforme Add-ons vor. Daher führen die meisten Arduino-Händler auch Arduino-Sensoren und Shields. Kein Arduino-Projekt ist ohne sie komplett.

Sensoren

Mit etwas Code können Sie Ihren Arduino zur Steuerung und Interaktion mit verschiedenen Sensoren nutzen.

Die meisten Arduino-Händler bieten Sensoren für:

• Licht
• Temperatur
• Biegegrad
• Druck
• Nähe
• Beschleunigung
• Kohlenmonoxid
• Radioaktivität
• Luftfeuchtigkeit
• Barometrischer Druck

Arduino-Breadboard

Sie können auch ein lötfreies Breadboard für Ihr Projekt erhalten. Damit prototypen und experimentieren Sie mit Schaltungsdesigns und -layouts, ohne Bauteile dauerhaft auf der PCB zu verlöten. Sie können Layout- und Designideen testen. Das Breadboard hat keinen eigenen Stromanschluss – Sie müssen es über Jumper-Kabel vom Mainboard mit Strom versorgen.

Shields

Die letzten Teile des Arduino-Puzzles sind Arduino-Shields. Diese vorgefertigten Daughter-Boards werden auf das Haupt-Arduino-Board aufgesteckt und bieten zusätzliche Funktionen.

Typische Shield-Funktionen:

• Motorsteuerung
• Internetkonnektivität
• Mobilfunk- und zellulare Netzwerke und Kommunikation
• LCD-Bildschirmsteuerung

Arduino-Entwickler nutzen die offizielle Arduino-IDE (Integrated Development Environment) zum Schreiben ihrer Programme. Die Open-Source-Java-basierte IDE läuft auf Windows, Mac und Linux. Sie bietet eine einzigartige Umgebung zum Schreiben und Testen von Code in der Processing-Programmiersprache, bevor er auf das Gerät hochgeladen wird.

Der Arduino Uno – Der beliebteste Arduino

Da keine zwei Projekte gleich sind, veröffentlichte die Arduino-Gruppe Spezifikationen für verschiedene Board-Typen. Einer der beliebtesten ist der Arduino Uno.

Als ausgezeichnete Wahl für Einsteiger ist der 22-Dollar-Arduino-Uno-MCU ein Basismodell. Er enthält nur die wesentlichen Komponenten, lässt Sie Ihr Projekt aber frei gestalten. Mit 25 Gramm und 68,5 × 53,4 mm ist diese PCB leicht genug für Gehäuse.

Die aktuelle Version, Arduino Uno R3, bietet:

• ATmega328P-Mikroprozessor
• 14 digitale Ein-/Ausgangspins
  • 6 PWM-Ausgänge
  • Eingebaute LED (an Pin 13 angeschlossen)
  • 5-Volt-, 3,3-Volt- und Ground-Pin-Spannungsausgänge
• 6 analoge Pins
• USB-Anschluss
• Strombuchse
• Reset-Taste
• 5-Volt Betriebsspannung
• 32 KB Flash-Speicher
• 2 KB SRAM und 1 KB EEPROM

Der Uno war vielleicht nicht das erste Arduino-Board, aber er ist das am aktivsten genutzte. Er ist auch der am besten dokumentierte Formfaktor mit unzähligen Projekttutorials und Foren im Internet.

Arduino Mega – Der MCU für GROSSE Projekte

Effektiv vier Uno-MCUs in einem, ist der Arduino Mega das Board für Ihre massiven Projekte. Angetrieben von einem Atmel ATmega2560-Chip bringt der Mega vier serielle Ports plus einen separaten USB-Port für Strom und Computer-Schnittstelle. Er besitzt sogar einen dedizierten ATmega16U2-Prozessor nur für den zusätzlichen USB-Port. Batteriebetrieb ist ebenfalls möglich.

Der Mega bietet:

• 54 digitale Ein-/Ausgangspins (I/O) mit 14 PWM-kompatiblen
• 16 analoge I/O-Pins
• USB-Anschluss
• Strombuchse
• Reset-Taste

Die große Pin-Anzahl macht das Board aus. Sie eignen sich für Projekte, die viele digitale I/O-Verbindungen, LEDs oder Tasten erfordern.

Die restliche Leistung kommt vom Prozessor. Der ATmega2560-Mikroprozessor bewältigt alles, was Sie ihm zumuten. Er bietet 16 MHz Taktrate, 256 KB Flash, 8 KB SRAM und 4 KB EEPROM. All das macht den Arduino Mega zum Standardboard für 3D-Drucker und Robotik.

Arduino ESP8266 – Macht Ihre Projekte kabellos

Kein Arduino-Board hat integriertes WLAN. Auch unter den verfügbaren Shields finden Sie keines. Für kabellose Projekte benötigen Sie ein Arduino ESP8266 Wi-Fi-Modul.

Obwohl es neuere Module gibt, ist der ESP8266 der Ursprung. Er ist nicht als eigenständiger MCU konzipiert, aber für den heutigen Mobilmarkt unverzichtbar.

Er bietet dennoch gute kabellose Konnektivität. Das Board hat Strom-, Ground-, Sende- und Empfangspins für die Verbindung zum Haupt-Arduino sowie einen Ein/Aus-„Chip-Controlled Power Down“ (CH_PD)-Pin. Dazu kommen ein Reset-Pin und zwei GPIO-Datenpins.

Ein Nachteil: Der ESP8266 benötigt ein 5-Volt-Signal. Er funktioniert nicht mit den standardmäßigen 3,3 Volt des Arduino.

PWM-Subsystem und Framework

5.1 Arduino PWM

Pulsweitenmodulation (PWM) simuliert ein analoges Signal mittels Rechtecksignalen mit variierenden Frequenzen und Amplituden. Die Arduino-Plattform nutzt diese Signale, um analoge Schaltungen mit ihren digitalen Ausgängen zu steuern.

Das Arduino-PWM-System ist keine separate Hardware. Alle Arduino-Boards haben die Systemaufrufe integriert. Sie müssen ein Programm schreiben, das sie nutzt. Der Befehl erzeugt die Rechteckwelle über einen kompatiblen Pin.

5.2 Arduino Nano – Perfekt für kleine Geräte und Projekte

Als kleinste Version der Arduino-Plattform bietet der Arduino Nano die gleichen Features wie der Uno in einem deutlich kleineren Gehäuse, angetrieben von einem ATmega328P-Prozessor und einem ATmega168-Coprozessor. Er nutzt dieselbe Arduino-IDE-Software wie die anderen Boards.

Der Nano bietet:

• 14 digitale I/O-Pins mit 6 PWM-kompatiblen Pins
• 8 analoge Pins
• 5-Volt Betriebsspannung
• Reset-Taste
• USB-Anschluss
• Serieller Anschluss
• 32 KB Flash-Speicher
• 8 KB SRAM
• 1 KB EEPROM

Trotz seiner Größe eignet sich der Nano hervorragend für:

• Eingebettete Systeme
• Automatisierung
• Robotik
• Regelsysteme
• Messtechnik

Warum Arduino statt Raspberry Pi wählen?

Arduino ist nicht der einzige MCU am Markt. Viele andere bieten ähnliche Features, darunter der Raspberry Pi. Doch der Pi ist ein grundlegend anderes Produkt.

Der Raspberry Pi ist ein kompletter Computer. Der Arduino nicht. Ein Mikrocomputer ist nur eine kleine Komponente eines Computers. Daher bietet Arduino nur einen kleinen Teil dessen, was der Pi leistet. Er kann nur kleine Anwendungen ausführen, kein vollwertiges Betriebssystem.

6.1 Stärken und Schwächen des Arduino

Das bedeutet nicht, dass Arduino nutzlos ist. Er ist perfekt für Elektronikprojekte, die keinen ganzen Computer benötigen. Sie schließen ihn direkt an Ihre Komponenten und Sensoren an und alles funktioniert out-of-the-box mit minimaler Einrichtung.

Das liegt an der Arduino-Firmware – der Kernsoftware, die die Arduino-Boards betreibt. Sie kommuniziert über USB mit Ihrem Computer und gibt Zugriff auf alle programmierbaren Funktionen. Sie müssen die Firmware nie ersetzen, nicht einmal neu starten. Nach dem Hochladen Ihres Codes läuft er sofort überall. Keine Tastatur, kein Display, keine Anwendungsauswahl nötig. Das Board erledigt den einen Job, den Sie ihm geben.

6.2 Der Raspberry Pi ist ein vollständiger Computer

Im Gegensatz dazu ist der Raspberry Pi ein voll funktionsfähiger Computer. Er braucht ein Betriebssystem, was Neustarts erfordert. Das Board hat keinen internen Speicher – Sie benötigen eine externe micro-SD-Karte für Programme. Zwar hat er integriertes Ethernet, Software-Updates sind aber ohne Kartenentnahme möglich.

Der Pi läuft auf einem Broadcom ARMv6-CPU mit Speicher und HDMI-Grafikprozessor. Er funktioniert hervorragend mit Tastatur und Maus, Sie können eine Linux-Variante laden und niemand merkt, dass so eine winzige Maschine alles steuert. Das ist seine Stärke. Er ist die perfekte Plattform für Projekte, die volle Benutzerinteraktivität und Rechenleistung erfordern.

Diese Macht macht den Pi aber ungeeignet für kleine Projekte. Beispiel: Eine LED am Arduino leuchtet mit nur 8 Codezeilen auf. Der Pi braucht zusätzliche Bibliotheken neben Ihrem Code, um zu starten – vorausgesetzt, ein OS ist bereits installiert.

Das heißt nicht, dass Sie Pi und Arduino nicht für dieselben Projekttypen nutzen können. Sie können Framework-Bibliotheken installieren, die dem Pi Arduino-Funktionen geben. Es kostet nur viel mehr Zeit und Aufwand.

Arduino hat auch eine größere Entwicklercommunity. Als beliebteste Plattform für Elektronikprojekte gibt es viele Einsteigertutorials.

Dennoch müssen Sie nie wählen. Sie arbeiten hervorragend zusammen. Mit dem richtigen Adapter wird Ihr Arduino zur Daughter-Extension für Ihren Raspberry Pi, sodass beide Boards aufeinander zugreifen können.

Fazit

Arduino ist eine Familie von Mikrocontroller-Plattformen, speziell für DIY-Elektronikprojekte entwickelt. Diese Einzweck-Boards bringen alles mit, um Ihre Aufgabe zu automatisieren – und mehr. Sie stecken es in den Computer, schreiben Code und führen es aus. Den Rest erledigt es selbst.

Für Boards oder Komponenten für Ihre Projekte kontaktieren Sie uns sofort. Unsere Vertreter kennen Arduino und helfen Ihnen bei der Auswahl des richtigen Boards und Zubehörs. Wir unterstützen sogar beim Verbinden von Arduino und Raspberry Pi, um Ihre Geräte auf das nächste Level zu heben.