Das Arduino Board

Was ist ein Mikrocontroller?

Ein Mikrocontroller (auch MCU oder µC) ist ein elektronisches Halbleiterelement, welches auf einem einzigen Chip mehrere Elemente, wie eine CPU, eine Uhr, Timer, I/O Ports und Speicher zur Verfügung stellt. Mikrocontroller werden heute in vielfältiger Art und Weise eingesetzt. Elektronische Produkte besitzen fast immer einen Mikrocontroller, welcher für die “Logik” der Produkte verantwortlich ist. Dabei verarbeitet er Eingaben von Sensorenund reagiert in dem er die Stellung oder Anzeige von Aktuatoren verändert.

Eine Besonderheit von Mikrocontrollern ist es, dass sch die Logik durch Programmierung verändern lässt. In diesem Workshop werden wir Arduino benutzen – eine Mikrocontroller Plattform welche am Interaction Design Institute Ivrea speziell für Interaction Design Studenten entwickelt wurde. Arduino besteht aus einem Mikrocontroller Board, sowie einer eigenen Integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) welche es möglich macht, das Board via USB zu programmieren.

Hier gibt es eine Dokumentation zur Entstehungsgeschichte und Bedeutung des Arduino
 

Übersicht Arduino Board

Pins des Arduino Boards

USB
Die USB-Schnittstelle ist eine serielle Schnittstelle, welche zur Programmierung des Arduino verwendet wird. Ausserdem wird über diese Schnittstelle das Arduino mit Strom versorgt. Weitere Informationen unter [USB Schnittstelle]

Externe Stromversorgung
Wenn das Arduino ohne Computer (also USB Schnittstelle) laufen soll, dann kann dieser Anschluss verwendet werden um das Arduino mit Strom zu versorgen 

Digitaler Input / Output
Diese Pins können verwendet werden um digitale Events zu erkennen, bzw. schalten (siehe Digitaler Input / Output). Eine spezielle Form ist die Pulse Width Modulation (PWM).

Analoger Input
Diese Pins können benutzt werden um Sensoren auszulesen (siehe Analoger Input). Zwei dieser Pins (A4 und A5) übernehmen zusätzlich eine wichtige Rolle in der Kommunikation über I2C.

Power
Hier sind alle Pins versammelt, welche für die grundlegende Spannungsversorgung benötigt werden. Es gibt GND, 5V, 3.3V und Vin. 

Spezielle Funktionen

pinMode(PIN)
Definiert ob ein PIN als Eingang oder Ausgang benutz wird

digitalRead(PIN)
Liesst den Wert an einem digitalen PIN (vorher als Eingang definiert)

digitalWrite(PIN, Wert)
Setzt einen Wert für einen PIN (vorher als Ausgang definiert)

analogRead(PIN)
Liesst den Wert eines analogen PIN

analogWrite(PIN, Wert)
Setzt den PWM Wert eines digitalen PIN (PWM = Pulse Width Modulation)

delay(Wert)
Pausiert das aktuelle Programm für eine definierte Zeit (Zeit wird in Millisekunden angegeben)

Aufgaben

1. Nutz das Blink Beispiel (Exampels/Basic/Blink) und erweitere es um eine zweite LED.
2. Öffne das BlinkWithout Delay Beispiel (Exampels/Digital/BlinkWithoutDelay) und verstehe das Konzept.
3. Programmiere ein Lauflicht mit 3 LEDs, welches sich von einer zur anderen Seite bewegt.
4. Definiert eine eigene Funktion void blinkLED(int _Pin, int _duration) welche es ermöglicht unterschiedliche LEDs mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten blinken zu lassen.

void setup() {                
  // initialize the digital pin as an output.
  // Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards:
  pinMode(13, OUTPUT); 
  pinMode(12, OUTPUT);  
}
 
void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);   // set the LED on
  digitalWrite(12, HIGH);   // set the LED on
  delay(1000);              // wait for a second
  digitalWrite(13, LOW);    // set the LED off
  digitalWrite(12, LOW);    // set the LED off
  delay(1000);              // wait for a second
}

// constants won't change. Used here to 
// set pin numbers:
const int ledPin =  13;      // the number of the LED pin
 
// Variables will change:
int ledState = LOW;             // ledState used to set the LED
long previousMillis = 0;        // will store last time LED was updated
 
// the follow variables is a long because the time, measured in miliseconds,
// will quickly become a bigger number than can be stored in an int.
long interval = 1000;           // interval at which to blink (milliseconds)
 
void setup() {
  // set the digital pin as output:
  pinMode(ledPin, OUTPUT);      
}
 
void loop()
{
  // here is where you'd put code that needs to be running all the time.
 
  // check to see if it's time to blink the LED; that is, if the 
  // difference between the current time and last time you blinked 
  // the LED is bigger than the interval at which you want to 
  // blink the LED.
  unsigned long currentMillis = millis();
  
  if(currentMillis - previousMillis > interval) {
    // save the last time you blinked the LED 
    previousMillis = currentMillis;   
 
    // if the LED is off turn it on and vice-versa:
    if (ledState == LOW)
      ledState = HIGH;
    else
      ledState = LOW;
 
    // set the LED with the ledState of the variable:
    digitalWrite(ledPin, ledState);
   }
}

#define LED_ONE 13
#define LED_TWO 12
#define LED_THR 11
 
void setup() 
{                
  pinMode(LED_ONE, OUTPUT); 
  pinMode(LED_TWO, OUTPUT); 
  pinMode(LED_THR, OUTPUT);  
}
 
void loop() 
{
  for(int i=13; i<11; i--)
  {
    digitalWrite(i, HIGH);
    delay(500);
    digitalWrite(i, LOW);
    delay(500);
  }
   
  for(int i=11; i<=13; i++)
  {
    digitalWrite(i, HIGH);
    delay(500);
    digitalWrite(i, LOW);
    delay(500);
  } 
}

int ledPins[3] = {8,9,10}; // Alle LED Pins in einem Array initialisieren
boolean ledStates[3] = {false, false, false}; // Alle LED Status speichern
long previousMillis[3] = {0,0,0}; // Die Zeiten speichern
 
void setup()
{
  for(int i=0; i<3; i++)
  {
    pinMode(ledPins[i], OUTPUT); // Alle LED Pins sind Output
  }
}
 
void loop()
{
  blinkLED(1, 100);  // Aufrufen unserer Funktion
  blinkLED(2, 1000);
  blinkLED(3, 500);
}
 
void blinkLED(int _Pin, int _duration) // Eigene Funktion
{
  if(millis() - previousMillis[_Pin-1] > _duration) // Ist genug Zeit vergangen?
  {
    previousMillis[_Pin-1] = millis(); // Zeit speichern
    ledStates[_Pin-1] != ledStates[_Pin-1];  // Den LED State umdrehen (wenn AUS dann AN)
    digitalWrite(ledPins[_Pin-1], ledStates[_Pin-1]); // State setzen
  }
}

Weitere Informationen

Getting Started with Arduino – Massimo Banzi (2008)
Arduino – Die Arduino Website. Bitte anschauen…
Mikrocontroller – Was ist ein Mikrokontroller?

Reflektion

Mikrocontroller

In der ersten Lektion haben wir uns mit dem Mikrocontroller und dessen Schaltung und Programmierung vertraut gemacht. Folgende Inhalte waren dabei wichtig:
- Ein Mikrocontroller ist eine programmierbare elektronische Komponente.
- Wir verwenden die Arduino IDE, welche auf C/C++ basiert ist.

Bauteile

Des weiteren haben wir schon unterschiedliche elektronische Bauteile und Gesetzmässigkeiten angewandt. Dazu zählen:
- Widerstand
- LED

Hier zunächst weitere Informationen zu den betreffenden Bauteilen:
Make Presents: The Resistor
Make Presents: The LED

Funktionen

setup()
Wird nur einmal zum Beginn des Programms aufgerufen. Hier werden weitere Funktionen aufgerufen (z.B. pinMode()).

loop()
Der Loop beinhaltet das eigentliche Programm und wird permanent ausgeführt. Die Geschwindigkeit, mit der das Programm aufgerufen wird hängt dabei von der Taktfrequenz des Prozessors und den Funktionen ab, die aufgerufen werden.

pinMode()
Definiert ob ein digitaler Pin als Input oder Output genutzt wird.

digitalWrite()
Schreibt einen Wert auf einen Pin (zunächst nur HIGH oder LOW).

delay()
Hält das Programm für eine definierbare Zeit an. Diese Funktion ist nicht so effektiv, wie die Nutzung von millis().

millis()
Hier wird die Aktuelle Systemzeit (in Millisekunden) zurückgegeben.