Arduino-Breadboard: Die Open-Source-Lösung für effizientes Prototyping

Prototyping ist ein wesentlicher Bestandteil von Design- und Entwicklungsprozessen. Es ist unverzichtbar, bevor man in fortgeschrittenere Phasen von PCB-Projekten übergeht. Daher ist ein Arduino-Breadboard für Entwickler digitaler Elektronik der ideale Weg.

Vor Arduino hatten Einsteiger Schwierigkeiten beim Erlernen von Mikrocontrollern. Sie mussten teure Kits verwenden, die Programmierung in Assembler erforderten – eine Sprache, die schwer zu beherrschen war.

Arduino änderte dies grundlegend, indem es eine erschwingliche, einfach zu nutzende Plattform mit Programmierung in höheren Sprachen wie C++ bereitstellte.

In diesem Artikel betrachten wir das Arduino-Breadboard und die Schritte zum Aufbau solcher Boards.

Was ist Arduino?

Arduino ist eine Open-Source-Plattform für digitale Elektronik – Software und Hardware, Projekt und Nutzercommunity in einem. Die Plattform entwickelt und vertreibt benutzerfreundliche Single-Board-Mikrocontroller und deren Kits für die Entwicklung digitaler Elektronik.

Was ist ein Breadboard?

Ein Breadboard (Steckbrett) ist eine rechteckige Kunststoffplatte mit quadratischen Durchkontaktierungen und aufgedruckten Symbolen sowie Linien. Es dient als Aufbauplatine, um mehrere elektronische Bauteile und Mikrocontroller wie Arduino für Prototyping-Zwecke zusammenzustecken.

Der Hauptunterschied zu Leiterplatten (PCBs) ist das lötfreie Design des Breadboards.

Üblicherweise werden Breadboards mit Jumper-Kabeln, Netzteilen und elektronischen Bauteilen wie Transistoren, Widerständen und Kondensatoren geliefert.

Wichtige Spezifikationen von Arduino (am Beispiel des Arduino Uno)

• Betriebsspannung: 7–12 V (DC-Buchse), 5 V (USB)
• Digitale I/O-Pins: 14 (davon 6 für PWM nutzbar)
• Analoge Eingänge: 6
• Flash-Speicher für Programmspeicher: 32 KB
• RAM: 2 KB
• EEPROM: 1 KB
• Taktfrequenz: 16 MHz
• Stromausgang pro I/O-Pin: 20 mA

Ein Arduino auf dem Breadboard aufbauen

Beim Aufbau eines Arduino auf dem Breadboard bildet ein Mikrocontroller wie der ATmega328P die Basis des minimalen Arduino-Schaltkreises. Doch die restlichen Bauteile sind ebenso wichtig und vervollständigen die Schaltung. Die Spezifikationen des ATmega328P lauten:

Im Vergleich zum Standard-ATmega328P verfügt der Breadboard-Arduino über den Arduino-Bootloader. Dieser ermöglicht die Programmierung über die Arduino IDE. Zudem bietet der Breadboard-Arduino folgende Vorteile:

• Tieferes Verständnis der Arduino-Hardware
• Einfache Skalierbarkeit
• Geringer Stromverbrauch

Benötigte Bauteile

Für den vollständigen Aufbau benötigen Sie folgende Komponenten:

Verbinden Sie diese Bauteile wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Für die Verdrahtung ist es hilfreich, die Pinbelegung des Mikrocontrollers zu kennen. Hier ist das Pinout-Diagramm des Chips:

Externe Stromversorgung anschließen

Beginnen Sie mit der Verdrahtung der Breadboard-Stromversorgung. Dabei werden die Versorgungs- und Masseleitungen dort platziert, wo der Spannungsregler sitzen wird. Achten Sie auf die Pinnummerierung, um Fehlverbindungen zu vermeiden.

Anschließend verbinden Sie Masse- und Versorgungsleitungen am unteren Brettende, um beide Schienen miteinander zu verbinden. Danach montieren Sie den Spannungsregler und verbinden ihn mit den Stromschienen.

Die maximal zulässige Spannung am VCC-Pin beträgt 6 V – dieser Wert sollte nicht erreicht werden. Arbeiten Sie im Bereich von 3,3–5,5 V.

In den meisten Fällen reicht eine 9–12 V DC-Stromversorgung (Batterie). Der Spannungsregler wandelt diese in ca. 5 V um; der Eingang sollte daher 7–16 V betragen.

Setzen Sie einen 10 µF-Kondensator zwischen den Regler-Eingang (IN) und Masse. Einen weiteren 10 µF-Kondensator platzieren Sie auf der rechten Schiene zwischen Plus und Masse.

Befestigen Sie nun die LED und den 220-Ohm-Widerstand auf der linken Brettseite, gegenüber dem Spannungsregler.

Nachdem die Stromversorgung steht, folgt der Mikrocontroller und anschließend das USB-zu-Seriell-Wandler-Modul.

Mikrocontroller anschließen

Stecken Sie den Chip wie in der Abbildung gezeigt in das Breadboard. Verbinden Sie den 10 kΩ Pull-Up-Widerstand zwischen +5 V und dem Reset-Pin, um ein unbeabsichtigtes Zurücksetzen im Normalbetrieb zu verhindern. Wird der Reset-Pin auf 0 V (Masse) gezogen, startet der Mikrocontroller neu.

Anschließend schließen Sie den 16-MHz-Quarz an die Pins 9 und 10 an. Verbinden Sie je einen 22-pF-Kondensator von jedem dieser Pins nach Masse.

Verbinden Sie einen kleinen Taster zwischen Reset-Pin und Masse als Reset-Taste. Damit können Sie den Chip neu starten, um ein neues Programm hochzuladen.

Hinweis: Manche Chips sind ab Werk mit dem Blink-LED-Programm vorprogrammiert. Die Arduino-Software enthält dieses Programm standardmäßig.

Wichtige Pin-Verbindungen

Stellen Sie sicher, dass folgende Pins wie angegeben verbunden sind:

• Pin 7 – Digitale Versorgungsspannung (VCC)
• Pin 8 – GND
• Pin 20 – AVCC – ADC-Versorgungsspannung. Ohne ADC-Nutzung an die Eingangsspannung anschließen. Bei ADC-Nutzung über einen Tiefpassfilter an die Versorgung anbinden.
• Pin 21 – AREF – Analoger Referenzeingang für ADC
• Pin 22 – GND

Nach Abschluss der Verdrahtung und Anschluss der Batterie sollte die Board-LED blinken. Sie dient als Indikator dafür, dass das Board korrekt mit Strom versorgt wird und kein Kurzschluss vorliegt.

Hier könnten Sie aufhören, doch der eigentliche Spaß beginnt mit der Programmierung des Breadboard-Arduino. Um eigenen Code aufzuspielen, müssen Sie das USB-zu-Seriell-Wandler-Modul mit dem Breadboard verbinden.

Da Sie den Code in der Arduino IDE auf Ihrem Computer schreiben, stellt der USB-zu-Seriell-Wandler den benötigten USB-Anschluss bereit, um Ihren Computer per USB-Kabel mit dem Breadboard-Chip zu verbinden.

USB-zu-Seriell-Wandler-Modul anschließen

Es sind lediglich fünf Verbindungen erforderlich:

• Rx (Modul) → Tx (Chip)
• Tx (Modul) → Rx (Chip)
• Vcc → Vcc
• GND → GND
• DTR/RTS → RST über 10 µF Kondensator

Ab sofort können Sie in der Arduino IDE kreativ werden und verschiedene Code-Beispiele auf dem Chip ausführen – etwa das Versetzen in den Sleep-Mode für eine bestimmte Zeit.

Zusammenfassung

Wie gezeigt, bieten Arduino-Breadboards eine einfach zu nutzende, kostengünstige Plattform für Tests und Entwicklung – ideal für Einsteiger in der digitalen Elektronik. Bei Fragen stehen wir gerne für weitere Erläuterungen zur Verfügung.