Arduino Einführung - Hochschule Niederrhein

Einführung in die
Arduino-Programmierung
Hochschule Niederrhein
University of Applied Sciences
Elektrotechnik
und Informatik
Faculty of Electrical Engineering
and Computer Science
1. Blinkende Leuchtdiode (LED)
In diesem ersten Versuch werden wir ein Progamm schreiben, dass eine Leuchtdiode
zum Blinken bringt. Machen Sie sich mit den zur Verfügung gestellten Bauteilen
vertraut und bauen Sie die Schaltung nach Abbildung 1.1 auf. Wenn Sie sich unsicher
sind fragen Sie einen der anwesenden Betreuer um Rat.
Abbildung 1.1.: Schaltplan für die Ansteuerung einer LED
Zum Verbinden der Bauteile nutzen Sie sogenannte Jumper Kabel (oder auch Steckbrücken genannt). Die Farben können dem Entwickler bei der Orientierung helfen
und sollten wenn möglich wie gezeichnet verwendet werden. Die Farbe hat allerdings
keinen Einfluss auf elektrische Eigenschaften.
Der verwendete Widerstand hat einen Wert von 330 Ω und dient als Vorwiderstand
zur Begrenzung des Stroms. Diesen Widerstand wegzulassen könnte sowohl die LED
als auch den Arduino beschädigen. Die Einbaurichtung ist beliebig.
Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski
2
1. Blinkende Leuchtdiode (LED)
Wie Sie aus dem Lötworkshop möglicherweise bereits wissen, ist bei der LED auf
die richtige Polarität zu achten. Das kürzere Beinchen und die flache Kante zeigen
den negativen Pol der LED an.
Flache Kante
Kurzes Bein
Nun werden wir gemeinsam den Arduino programmieren. Die Bedienung der Arduino IDE1 wird auf den Bildschirmen und/oder auf dem Beamer vom Dozenten
gezeigt. Beachten Sie inbesondere die Einstellungen für die Platine (Menü Werkzeuge - Platine - „Arduino Uno“) und die Auswahl des richtigen COM-Ports (Menü
Werkzeuge - Port).
Folgendes Programm wird erstellt:
/* Blink: Eine Leuchtdiode wird
periodisch ein- und ausgeschaltet. */
int gruen = 3; // Port der gruenen LED definieren
void setup() { // Funktion setup() wird 1x am Anfang ausgeführt
pinMode(gruen, OUTPUT); // Port 3 wird zum Ausgang definiert
}
void loop() { // Funktion loop() wird ständig wiederholt
digitalWrite(gruen, HIGH); // Port 3 wird auf 5V geschaltet
delay(1000); // eine Sekunde warten (1000 ms = 1 s)
digitalWrite(gruen, LOW); // Port 3 wird auf 0V geschaltet
delay(1000); // eine Sekunde warten
}
Nach Eingabe des Programms können Sie es durch einen Klick auf die Schaltfläche
„Hochladen“ (der Pfeil →) auf den Arduino überspielen2 .
1
2
IDE: Integrated Development Environment (zu deutsch: Integrierte Entwicklungsumgebung)
Falls Sie einen USB-Adapter ohne separate Resetleitung verwenden, so müssen Sie zu Beginn
3
Arduino Einführung
1. Blinkende Leuchtdiode (LED)
Nach dem erfolgreichen Upload sollte die LED im Sekundentakt umschalten. Sollte
dies nicht funktionieren, so sprechen Sie bitten einen Betreuer an.
Aufgaben
• Ändern Sie in Ihrem Programm die Blinkfrequenz. Testen Sie, ob es möglich
ist den Zustand (High/Low) zu schnell zu wechseln, dass dies mit dem bloßen
Auge nicht mehr sichtbar ist.
• Erweitern Sie Ihre Schaltung um eine gelbe und eine rote LED. Lassen Sie
diese wie bei einer Ampel abwechselnd leuchten. Nutzen Sie für die rote LED
Port 6 und für die gelbe LED Port 5 wie in Abbildung 1.2 gezeigt.
Abbildung 1.2.: Schaltplan mit drei LEDs
des Hochladevorgangs den Resettaster auf dem Arduino gedrückt halten. Im Normalfall sollte
dies nicht erforderlich sein. Den richtigen Zeitpunkt zum Loslassen zu treffen erfordert etwas
Übung. Schalten Sie in der Arduino IDE unter „Voreinstellungen“ die „Ausführliche Ausgabe“
für Kompilierung ein, um die internen Vorgänge besser zu sehen.
4
Arduino Einführung
2. Analoge Sensorwerte
In diesem Versuch werden wir Sensorwerte einlesen und über die serielle Schnittstelle
auf dem PC darstellen. Lassen Sie die drei LEDs aus dem vorherigen Teil gesteckt
und ergänzen Sie die Schaltung entsprechend Abbildung 2.1.
Abbildung 2.1.: Schaltbild LEDs und Potentiometer
Das neue Bauteil ist ein sogenanntes Potentiometer. Ein „Poti“ ist ein variabler Widerstand, dessen Widerstandswert sich durch drehen von 0 Ω bis zum Maximalwert
(hier: 10 kΩ) einstellen lässt. Angeschlossen wird das Potentiometer an einen der 6
analogen Eingänge des Arduino. Das Potentiometer steht beispielhaft für verschiedene Sensoren (Licht, Temperatur, Lautstärke, ...).
Mit dem folgenden Programm können Sie den Sensor auslesen:
Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski
5
2. Analoge Sensorwerte
/* Potentiometer */
int
int
int
int
gruen = 3;
gelb = 5;
rot = 6;
sensorwert = 0;
void setup() {
pinMode(gruen, OUTPUT);
pinMode(gelb, OUTPUT);
pinMode(rot, OUTPUT);
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
sensorwert = analogRead(A0);
Serial.println(sensorwert);
delay(1);
}
Nach dem Upload des Programms auf den Arduino passiert zunächst einmal nichts.
Damit man sich die Werte ansehen kann, öffnet man unter dem Menüpunkt „Werkzeuge“ den „Serial Monitor“. Jetzt sollten kontinuierlich Werte angezeigt werden. Da
der Mikrocontroller über einen 10 Bit Analog/Digital-Wandler verfügt werden Sie
Werte zwischen 0 und 1023 (210 = 1024) beobachten.
Aufgaben
• Erweitern Sie das Programm derart, dass mit dem Potentiometer die Blinkfrequenz einer oder mehrerer LEDs eingestellt werden kann. Ergänzen Sie das
obige Programm dazu um die Ansteuerung der LEDs aus dem ersten Versuch.
• Alternativ können Sie den Sensorwert auch nutzen, um einzustellen, welche
LED aktiv sein soll. Im unteren Drittel des Wertebereichs leuchtet beispielsweise die rote LED, im mittleren die gelbe LED und im oberen die grüne
LED.
6
Arduino Einführung
2. Analoge Sensorwerte
0
341
682
1023
Abbildung 2.2.: Einteilung des Wertebereichs
Das Codegerüst für eine dafür nötige Bedingung (if/else) sieht so aus:
if (sensorwert >= 0 && sensorwert < 341) {
digitalWrite(gruen, HIGH);
digitalWrite(gelb, LOW);
digitalWrite(rot, LOW);
}
...
7
Arduino Einführung
3. Ultraschallentfernungsmessung
In diesem Versuch werden wir einen weiteren Sensor kennenlernen. Der HC-SR04 ist
ein Ultraschallsensormodul, dass man sehr günstig (ca. 3 €) im Internet erwerben
kann. Mit ihm lässt sich die Laufzeit eines kurzen Schallimpulses bestimmen. Dies
kann man dann leicht verwenden, um den Abstand des Moduls zum nächsten Hindernis zu berechnen. Diese Technik wird in der Praxis häufig eingesetzt. Beispielsweise
funktionieren viele Rückfahrt-Abstandswarnsysteme in Autos nach diesem Prinzip.
Zunächst verkabeln wir das Modul wie in Abbildung 3.1 gezeigt. Die bestehende
Schaltung für die LEDs aus den vorherigen Versuchen bleibt zusätzlich bestehen.
Abbildung 3.1.: Schaltplan Ultraschallsensor und LEDs
Lassen Sie Ihren Aufbau anschließend von einem Betreuer prüfen.
Jetzt werden wir in der Arduino IDE ein Programm schreiben, dass uns die Entfernungswerte auf den PC Bildschirm ausgibt. Wie Sie sehen ist dieses Programm
bereits geringfügig umfangreicher als die letzten Programme.
Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski
8
3. Ultraschallentfernungsmessung
/* Ultraschall: Ein Ultraschallsensor
liefert Werte zum PC.*/
int echoPin = 4; // Echo Pin
int trigPin = 2; // Trigger Pin
long laufzeit, entfernung;
void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(trigPin, LOW); // Trigger
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
laufzeit = pulseIn(echoPin, HIGH);
entfernung = laufzeit*0.017; // Berechnung der Distanz in cm.
Serial.println(entfernung);
delay(50); // 50 ms warten
}
Aufgaben
• Halten Sie testweise Ihre Hand und andere Objekte in verschiedenen Entfernungen vor den Sensor, die Werte auf dem Bildschirm sollten entsprechend
variieren.
• Stellen Sie das Messergebniss mittels LED(s) grafisch dar. Realisieren Sie dazu einen Schwellwertschalter, indem Sie eine LED leuchten lassen sofern der
aktuelle Wert kleiner 30 cm beträgt. Nutzen Sie dafür wieder eine Bedingung
(if/else).
• (optional:) Stellen Sie den Sensorwert mit den drei LEDs dar, wobei jede Farbe
eine unterschiedliche Entfernung signalisiert (z.B. Rot - nah).
9
Arduino Einführung
4. Liquid Crystal Display (LCD)
Als nächstes widmen wir uns der Darstellung auf LC Displays, wie sie in vielen
Geräten zu finden sind. Zur Verfügung steht ein einfaches Modul mit zwei Zeilen
und 16 Zeichen pro Zeile. Der verbaute Controller ist kompatibel zum bekannten
Hitachi HD44780. Zunächst verbinden Sie das Display bitte wie in Abbildung 4.1
gezeigt mit dem Arduino.
Abbildung 4.1.: Schaltplan LCD
Das eingezeichnete Potentiometer (10 kΩ) dient als einstellbarer Spannungsteiler.
Durch Drehen lässt sich so der Kontrast des LCD verändern.
Lassen Sie Ihren Aufbau von einem Betreuer prüfen. Anschließend geben Sie das
folgende Programm ein:
Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski
10
4. Liquid Crystal Display (LCD)
/* LCDtest: Gebe „Hello World!“ auf einem LCD aus.*/
#include <LiquidCrystal.h> // Einbinden der Bibliothek
LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13); // Pins definieren
void setup() {
lcd.begin(16, 2); // Anzahl Spalten und Zeilen
lcd.print("Hello World!"); // Ausgabe
}
void loop() {
lcd.setCursor(0, 1); // Cursor auf 1. Zeichen in der
// 2. Zeile setzen
lcd.print(millis()/1000); // Ausgabe der Sekunden
// seit dem letzten Reset
}
Auf dem Display sollte nun der Schriftzug „Hello World!“ in der ersten Zeile und
eine sich ändernde Sekundenanzeige sichtbar sein.
Aufgaben
• Modifizieren Sie das Programm, sodass es Ihren Namen oder einen anderen
Text ausgibt.
• (optional:) Öffnen Sie Ihr Programm zu Entfernungsmessung aus der vorherigen Aufgabe und ergänzen Sie es so, dass die Messergebnisse auf dem LCD
ausgegeben werden. Sie können in der ersten Zeile den Zahlenwert als Text
ausgeben (z.B. „Distanz: 40 cm“) und in der zweiten Zeile proportional zur
Entfernung schwarze Zeichen auf dem Display darstellen. Falls erforderlich
können Sie mit dem Befehl lcd.clear(); die vorherigen Werte auf dem Display
löschen. Ein Zeichen mit allen Pixeln aktiviert erhalten Sie beispielsweise mit
dem Befehl lcd.print("\377");.
11
Arduino Einführung
4. Liquid Crystal Display (LCD)
Exkurs
Im HD44780 sind bereits viele Zeichen vorgesehen. Eine kurze Suche im Internet
fördert den Zeichensatz zutage. Für besondere Anwendungen ist es zusätzlich auch
möglich bis zu 8 eigene Zeichen zu definieren. Die Zeichen haben dabei eine Größe
von 5x8 Pixeln.
Im folgenden ist der Beispielcode für ein Smiley abgebildet.
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(8, 9, 10, 11, 12, 13);
byte smiley[8] = { B00000,
B10001,
B00000,
B00000,
B10001,
B01110,
B00000, };
void setup() {
lcd.createChar(0, smiley);
lcd.begin(16, 2);
lcd.write(byte(0));
}
void loop() { }
Definieren Sie sich doch ein individuelles Zeichen indem Sie den Programmcode
entsprechend ändern.
12
Arduino Einführung
Weiterführende Informationen
Dieser Workshop dient als erster Einstieg in die Arduino-Welt. Wenn Sie sich in einem ähnlichen Stil weiter mit Arduinos beschäftigen möchten, so finden Sie im Internet viele ausführliche Tutorials, beispielsweise bei Adafruit (https://learn.adafruit.com)
oder SparkFun (https://learn.sparkfun.com). Auch in der Bibliothek gibt es das Buch
„Arduino Workshops“ von John Boxall.
Eine wichtige Anlaufstelle für weitergehende Schritte ist natürlich auch die offizielle
Seite http://www.arduino.cc. Dort kann man die Entwicklungsumgebung herunterladen und findet auch viel Dokumentation.
Leider können wir Ihnen aus Kostengründen die hier verwendeten Komponenten
nicht zur Verfügung stellen. Eine Liste der Bauteile mit Bezugsquellen finden Sie
hier:
http://makerspace.hsnr.de/wiki/index.php/Workshop_2
Für eigene Experimente gut geeignet sind Arduino Starter-Kits die man im OnlineVersandhandel beziehen kann. Diese beinhalten für einen Preis von 30-50 € meist
ein Steckboard mit Kabeln sowie eine Sammlung von Sensoren und Aktoren.
Kaltenecker, Kremer, Radmacher, Toszkowski
13
Bitwise Operators
& (bitwise and)
^ (bitwise xor)
<< (shift left)
| (bitwise or)
~ (bitwise not)
>> (shift right)
Compound Operators
++ (increment)
-- (decrement)
+= (compound addition)
-= (compound substraction)
*= (compound multiplication)
/= (compound division)
&= (compound bitwise and)
|= (compound bitwise or)
General Operators
= (assignment operator)
+ (add)
- (subtract)
* (multiply)
/ (divide)
% (modulo)
== (equal to)
!= (not equal to)
< (less than) > (greater than)
<= (less than or equal to)
>= (greater than or equal to)
&& (and)
|| (or)
! (not)
(persists between calls)
(in RAM (nice for ISR))
(make read only)
(in flash)
Qualifiers
static
volatile
const
PROGMEM
Arrays
int myInts[6]; // array of 6 ints
int myPins[]={2, 4, 8, 3, 6};
int mySensVals[6]={2, 4, -8, 3, 2};
myInts[0]=42; // assigning first
// index of myInts
myInts[6]=12; // ERROR! Indexes
// are 0 though 5
(0, 1, true, false)
(e.g. 'a' -128 to 127)
(-32768 to 32767)
(-2147483648 to 2147483647)
char (0 to 255)
(0 to 255)
int
(0 to 65535)
(0 to 65535)
long (0 to 4294967295)
(-3.4028e+38 to 3.4028e+38)
(currently same as float)
Data types
void
boolean
char
int
long
unsigned
byte
unsigned
word
unsigned
float
double
Strings
char S1[8] =
{'A','r','d','u','i','n','o'};
// unterminated string; may crash
char S2[8] =
{'A','r','d','u','i','n','o','\0'};
// includes \0 null termination
char S3[]="Arduino";
char S4[8]="Arduino";
Pointer Access
& (reference: get a pointer)
* (dereference: follow a pointer)
Constants
HIGH | LOW
INPUT | OUTPUT
true | false
143
(Decimal)
0173
(Octal - base 8)
0b11011111 (Binary)
0x7B
(Hexadecimal - base 16)
7U
(force unsigned)
10L
(force long)
15UL
(force long unsigned)
10.0
(force floating point)
2.4e5
(2.4*10^5 = 240000)
Variables, Arrays, and Data
Control Structures
if (x < 5) { ... } else { ... }
while (x < 5) { ... }
do { ... } while ( x < 5);
for (int i = 0; i < 10; i++) { ... }
break; // exit a loop immediately
continue; // go to next iteration
switch (myVar) {
case 1:
...
break;
case 2:
...
break;
default:
...
}
return x; // just return; for voids
Basic Program Structure
void setup() {
// runs once when sketch starts
}
void loop() {
// runs repeatedly
}
DC in
sugg. 7-12V
limit 6-20V
RESET
Time
unsigned long millis()
// overflows at 50 days
unsigned long micros()
// overflows at 70 minutes
delay(msec)
delayMicroseconds(usec)
Advanced I/O
tone(pin, freqhz)
tone(pin, freqhz, duration_ms)
noTone(pin)
shiftOut(dataPin, clockPin,
[MSBFIRST,LSBFIRST], value)
unsigned long pulseIn(pin,
[HIGH,LOW])
Digital I/O (pins: 0-13 A0-A5)
pinMode(pin,[INPUT, OUTPUT])
int digitalread(pin)
digitalWrite(pin, value)
// Write HIGH to an input to
// enable pull-up resistors
Analog In (pins: 0-5)
int analogRead(pin)
analogReference(
[DEFAULT, INTERNAL, EXTERNAL])
PWM Out (pins: 3 5 6 9 10 11)
analogWrite(pin, value)
Pin Input/Output
TX
RX
L
DIGITAL (PWM~)
External Interrupts
attachInterrupt(interrupt, func,
[LOW, CHANGE, RISING, FALLING])
detachInterrupt(interrupt)
interrupts()
noInterrupts()
Type Conversions
char()
byte()
int()
word()
long()
float()
Bits and Bytes
lowByte(x)
highByte(x)
bitRead(x, bitn)
bitWrite(x, bitn, bit)
bitSet(x, bitn)
bitClear(x, bitn)
bit(bitn) // bitn: 0=LSB 7=MSB
Random Numbers
randomSeed(seed) // long or int
long random(max)
long random(min, max)
Math
min(x, y)
max(x, y)
abs(x)
sin(rad)
cos(rad)
tan(rad)
sqrt(x)
pow(base, exponent)
constrain(x, minval, maxval)
map(val, fromL, fromH, toL, toH)
1
POWER
ANALOG IN
ATmega382:
16MHz, 32KB Flash (prog.),
2KB SRAM, 1KB EEPROM
ICSP
ON
WWW.ARDUINO.CC - Made in Italy
ARDUINO UNO
Adapted from:
- Original by Gavin Smith
- SVG version by Frederic Dufourg
- Arduino board drawing
original by Fritzing.org
by Mark Liffiton
Wire (I²C comm.) (#include <Wire.h>)
// join a master
begin()
begin(addr) // join a slave @ addr
requestFrom(address, count)
beginTransmission(addr) // Step 1
send(myByte)
// Step 2
send(char * mystring)
send(byte * data, size)
endTransmission()
// Step 3
int available() // #bytes available
byte receive() // get next byte
onReceive(handler)
onRequest(handler)
Servo (#include <Servo.h>)
attach(pin, [min_uS, max_uS])
write(angle) // 0 to 180
writeMicroseconds(uS)
// 1000-2000; 1500 is midpoint
int read()
// 0 to 180
bool attached()
detach()
EEPROM (#include <EEPROM.h>)
byte read(intAddr)
write(intAddr, myByte)
SoftwareSerial (serial comm. on any pins)
(#include <softwareSerial.h>)
SoftwareSerial(rxPin, txPin)
begin(long Speed) // up to 115200
listen()
// Only 1 can listen
isListening() // at a time.
read, peek, print, println, write
// all like in Serial library
Serial (communicate with PC or via RX/TX)
begin(long Speed) // up to 115200
end()
int available() // #bytes available
byte read() // -1 if none available
byte peek()
flush()
print(myData)
println(myData)
write(myBytes)
SerialEvent() // called if data rdy
Libraries
Primary source: Arduino Language Reference
http://arduino.cc/en/Reference/
Built-in Functions
SCL
SDA
Operators
AREF
GND
13
12
~11
~10
~9
8
IOREF
RESET
3.3V
5V
GND
GND
Vin
Structure & Flow
Arduino Programming Cheat Sheet
int1
int0
7
~6
~5
4
~3
2
TX→1
RX←0
A0
A1
A2
A3
A4
A5
SDA
SCL