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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Kurseinheit 1 14.06.2012
1. Das Labor Das Laborsteckbrett Leitungsstruktur eines Laborsteckbretts Anschluss des Netzteils Arduino Nano auf dem Steckbrett
Stromversorgung
2. PC & Entwicklungs- umgebung
Einschalten des PC Starten Entwicklungsumgebung Anschluss Arduinio
3. Elektronik & Mikrorechnertechnik
Strom, Spannung, Lampe Stromkreis mit Schalter Die erste Mikrorechner-Schaltung
Schaltung aufbauen
4. Software Das Blinkprogramm Grundstruktur Programm laden, compilieren und Upload zu Arduino
Wie funktioniert der Programm-Code ?Anhänge
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Spaß an Technik: Das Labor
Das Steckbrett wird für den Laboraufbau verwendet Bauteile mit Drahtenden, Integrierte Schaltkreise und Drähte passen in die Kontakte Die Verdrahtung kann über handelsüblichen Klingeldraht (D=0.5mm, Cu, PVC) erfolgen Abisolierung sollte ca. 4-5mm lang sein Keine Bauteile verwenden, die schon einmal eingelötet waren ! Kontakte nicht mit Gewalt durch zu kleine Öffnungen im Brett treiben ! Aufbauten können einige Wochen so funktionieren, keine Dauerlösung !
Beispiel aus: http://www.youtube.com/watch?v=uxi04YE7Erg
Das Labor-Steckbrett
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Spaß an Technik: Das Labor
Leitungsstruktur eines Steckbretts
Schienen fürStromversorgung
Schienen fürVerbindungVon Bauelemente-anschlüssen
Open-Source- Software zur Planung / Doku-mentation von Aufbauten auf einem Steckbrett http:www.fritzing.org
Bauelemente werde quer zu denBauteil-Verbindungschieneneingesteckt, sonst Kurzschluss!
Es gibt Steckbretter mit unterschiedlichen Markierungen für die Stromversorgung.
Bei manchen Steckbretten sind die Stromversorgungsschienen genau in der Mitte des brettes unterbrochen.
Bilder: Screenshots Prog.Fritzing, www.fritzing.org
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Spaß an Technik: Das Labor
Anschluss des Netzteils
Die Stromversorgung erfolgt über ein elektronisch stabilisiertes 5V-Netzteil (ca. 1A, kurzschlussfest)
Wichtig ist das Ausmessen der Polung und Markieren der Kabeladern ! Rot = +5V, Blau= 0V Verpolung beim Anschluss an das
Board zerstört das Arduino-Board !
Die farbig markier-ten Verbindungs-schienen sind nicht intern verbunden sondern müssen bei Benutzung mit Drähten verbunden werden !
Foto: Katalog Pollin Best.Nr. 350 052
Bildert: Eigene Fotos
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Spaß an Technik: Das Labor
Anschluss des Arduino Nano auf dem Steckbrett
Das Arduino Nano-Board sollte mit dem USB-Stecker nach rechts auf der rechten Hälfte des Steckbretts eingesteckt werden.
USB
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Spaß an Technik: Das Labor
herausgezogen.
Wenn versucht wird grössere Lasten über USB zu versorgen, dann brennt eine Diode auf dem Arduino-Board durch !
Spaß an Technik: PC und Entwicklungsumgebung
Mit Druckknopf auf der Frontplatte einschalten Starten des PC
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Spaß an Technik: PC und Entwicklungsumgebung
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Spaß an Technik: PC und Entwicklungsumgebung
USB
Jetzt wird der Arduino Nano an eine USB-Schnittstelle angeschlossen Nach Anschluss des Arduino-Boards erkennt der Rechner dies und macht ein
Geräusch und/der zeigt ein kleines Fenster mit Meldung.
In der Arduino-Entwicklungsumgebung lässt sich unter Tools – Serieller Port eine neue COM-Schnittstelle mit einem Haken dahinter finden. Unter Tools – Boards muss nun noch der Arduino Nano 328 eingestellt
werden. Nun sind wir startklar !
Bild: Eigenes Foto
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Was ist elektrischer Strom ?
Elektronen bewegen sich durch einen Leiter
Sie drängeln sich ähnlich wie Murmeln durch ein Rohr
6242000000000000000 (6,242.1018) Elektronen pro Sekunde = 1 Ampere,
( Abkürzung 1 A )
Die Elektronen bewegen sich dabei mit weniger als 1mm pro Sekunde.
Wenn links ein Elektron in den Leiter geschoben wird, fällt ein anderes rechts
heraus. Das erscheint als Reaktion dann sehr schnell (300000km/s).
Leiter (z.B. Kupfer)
Elektronen
Wer hat´s erfunden ?Der Herr Ampère...(bei der Stromrichtung hat er noch etwas geübt)Bild: Wikipedia
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Was treibt den Strom ?
Spannung noch mit Fröschen gemessen..
Bild: Wikipedia
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Warum leuchtet ein Lämpchen ?
Wenn man Leiter sehr dünn macht, dann müssen sich die Elektronen an der dünnen Stelle sehr drängeln
Solche Engstellen setzen der Bewegung der Elektronen einen Widerstand entgegen
An Widerstandsstellen entsteht durch de Reibung Wärme. Wenn der Leiter glüht sendet er Licht aus.
Ein Fahrradrücklicht arbeitet z.B mit 6V und es fliessen 0,1A
-
+
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Aufbau einerLampenschaltung (z.B. Taschenlampe)
Schalter
-
+
Um einen Verbraucher anzutreiben, ist immer ein Stromkreis notwendig Ein Schalter unterbricht den Stromfluß
Technische Stromrichtung (!)
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Batterie oderStromversorgung
Lämpchen6V 30mA
Microcontrolerplatine Arduino Nano mit Mikroprozessor Atmega328P
Der Microcontroler kann mit seinen Ausgängen elektrische Verbraucher schalten, wie z.B. schwache Lämpchen
Warum soll man das so kompliziert machen ?
Microcontroler können sehr intelligente Reaktionen mit Hilfe ihrer Ein- und Ausgänge und ihres Programms erzeugen
+
-
Bild: Eigenes Foto
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Schaltplan
Erstellt mit Open-Source-CAD TinyCADhttp://sourceforge.net/apps/mediawiki/tinycad/index.php?title=TinyCAD
In der Elektronik werden Schaltungen durch einen Schaltplan dargestellt, das ergibt eine bessere Übersichtlichkeit
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Spaß an Technik: Elektronik & Mikrorechner
Versuchsaufbau Versuch 1
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Spaß an Technik: Software
Start nachEinschalten
Pin 9 soll als Ausgang funktionieren
Pin 9 = HIGH
Warte 1s
Pin 9 = LOW
Warte 1s
Funktion setup()
Funktion loop()
HIGH bedeutet 5V, Lampe ist leuchtet nicht
LOW bedeutet 0V, Lampe leuchtet
Ausschaltzeit
Einschaltzeit
Programmablaufplan des Blinkprogramms
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Spaß an Technik: Software
Laden Programm:Datei-Sketchbook-Blink1
Compilieren und Upload:Pfeil links
Programm laden und Ausführen
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Spaß an Technik: Software
Das Programm Blink1
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Spaß an Technik: Software
/* xxxxxxxx */ Kommentar, auch über mehrere Zeilen, damit kann man auch versuchsweise ganze Teile des Codes unwirksam machen
// xxxxxxxxx Ab dem Doppel-Querstrich ist nach rechts in der Zeile alles Komentar
void setup() Definiert eine Funkltion (= Programmmodul)
OUTPUT Konstante, im Compiler definiert
pinMode( 9,OUTPUT) Aufruf einer Funktion aus einer Bibliothek (Library), Übergabe von zwei Eingangswerten (Parameter)
Programmelemente
An dem Programmbeispiel sind nur die Struktur und die Semikolons reines C !Alle Funktionsaufrufe rufen Module aus Arduino-Biliotheken auf.
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Spaß an Technik: Software
Zeit
Lampen-strom
Ausschalt-zeit
Einschalt-zeit
Lampebrennt
Lampedunkel
Wieso leuchtet das Lämpchen wenn aus dem Ausgang LOW herauskommt ?
Die Lampe liegt auf der einen Seite auf +5V. Sie bekommt erst die Spannung angelegt, wenn das andere Ende auf 0V liegt, dann fließt Strom.
Bilder: Smileys Wikipedia
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Spaß an Technik: Software
Weitere Ideen für Experimente (für zu Hause) :
Wie kann man das Blinken schneller oder langsamer machen ?
Kann man die Einschaltzeit länger als die Ausschaltzeit machen ?
Wie kann man einfach folgenden Blinkeffekt realisieren ?
Was passiert wenn man die Zeiten ganz kurz macht, kann die Lampe so schnell folgen ?
Was passiert wenn man bei kurzen Zeiten die Ein- und Ausschalt-Zeit ungleich macht ?
Kann man die Zeiten von einem Durchlauf zum Nächsten verändern ?
Was passiert , wenn man in der Funktion pinmode aus der 9 eine 13 macht ?
Wie bekommt man einen Wechselblinker hin ?
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Anhänge
Anhang A
PC: Treiber installieren
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PC: Treiber installieren
Das Arduino Board wird mit der USB-Schnittstelle verbunden
Der PC meldet sich akustisch mit einem „Ding-Dong“
Es erscheint ein Fenster „Neue Hardware gefunden“
Wenn die neue Hardware nioht berkannt ist erscheint ein Fenster mit dem Hardware-Assistenten
Dort wird die Frage, ob per Internet mit Windows-Update verbunden werden sool mit „Nein, diesmal nicht“ beantwortet
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PC: Treiber installieren
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PC: Treiber installieren
Es wird ein Haken bei „Folgende Quelle...“ gesetzt. Nun wird auf „Durchsuchen“ geklickt und das Verzeichnis, in das die Arduino-Installationsdateien kopiert wurden gesucht Auf den Rechnern in der FvS-Schule ist diese Datei
„Arduino“ direkt unter Laufwerk C: oder Laufwerk D: angelegt
Dort wird das Unter-verzeichnis „drivers“ gesuicht und „FTDI USB Drivers“ angeklickt
PC: Treiber installieren
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Anhänge
Anhang B
PC: Entwicklungsumgebung einrichten
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Entwicklungsumgebung einrichten
Das Arduino-Entwicklungsprogramm kann unter www.arduino.cc kostenlos aus dem Internet geladen werden.Nach
Erscheint der Download-Bereich.Es wird das entasprechende Betriebssytsem ausgewählt und der Download ausgelöst.
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Entwicklungsumgebung einrichten
Es erscheint ein Fenster in dem ausgewählt wird, dass das Programm in einer Datei gespeichert werden soll.
Am sinnvollsten speichert man das Programm dort ab, wo auch andere Downloads gespeichert werden Das Programm ist noch mit ZIP gepackt. Danach wird das Programm entpackt. Dazu wird ein Packer-Programm benötigt. Falls auf dem Rechner noch keines vorhanden ist kann man z.B. 7-ZIP aus dem Netz laden.
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Entwicklungsumgebung einrichten
Man entpackt dann das Zip-File nachC:/ oder D:/ und erhält dann das Verzeichnis arduino-1.0.1. Dort sind alle Arduino-Files enthalten. Das File arduino.exe kann durch anklicken von dort gestartet werden. Man sollte jedoch eine Verlinkung auf den Desktop einrichten.
Es wird beim Entpacken ebenfalls ein Datenbereich eingerichtet, wo später die Programme (Sketches) abgelegt werden:C:\Dokumente und Eigenschaften\Username\Eigene Dateien\Arduino
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Entwicklungsumgebung einrichten
Auswählen “Neu“ Auswählen “Verknüpfung“ Es erscheint in Auswahlfenster
Anwählen des Desktops (Arbeits- oberfläche) Maus irgendwo auf die Hintergund- fläche schieben Rechte Maustaste klicken
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Anhang B
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Anhang B
Es erscheint wieder das Verknüpfungsfenster „Weiter“ drücken „Fertigstellen“ drücken Nun ist das Arduino-Symbol auf dem
Bildschirm zu sehen und man kann ab jetzt das Programm mühelos starten
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Anhänge
Anhang C
PC: Bedienung Entwicklungsumgebung
Weitere Erklärungen:Arduino Hilfe – Umgebung (Englisch)
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Bedienung Entwicklungsumgebung
Es erscheint die Entwicklungsumgebung
Die aktuelle Version ist V1.0.1 Die aktuelle Version lässt sich unter
www.arduino.cc überprüfen
Das Programm funktioniert wie ein einfaches Textverarbeitungsprogramm.. Man kann per Tastatur Text in das
weiße Fenster schreiben und den auch verändern.
Cursor, läss sich per Mausklick umsetzen
Löschen per“ <--“-TasteOder mit „Entf“-Taste
Selektion durch Überfahren mehrerer Zeichen bei festgehaltener
linker Maustaste
Selektierte Textteile können gelöscht, kopiert oder verschoben werden
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Bedienung Entwicklungsumgebung
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Bedienung Entwicklungsumgebung
Auswahl des ange-schlossenen Boards
Auswahl der virtuellen COM-Schnittstelle zum Board
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Bedienung Entwicklungsumgebung
Hier findet man die Online-Referenz mit der Beschreibung der Sprachelemente
Auch eine Beschreibung der Entwicklungsumgebung lässtSich aufrufen
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Bedienung Entwicklungsumgebung
Jetzt kann das Demoprogramm BLINK laden und compilieren/Uploaden. Das Arduino-Board wird über die USB-Schnittstelle über Strom versorgt. Das Programm blinkt nacj Upload mit einer LED auf dem Board.
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Arduinio - Unterstützung
www.netzmafia.de: Arduino Programmierhandbuch (deutsch)http://www.ladyada.net/learn/arduino/lesson4.html: Sehr ausführliches Tutorial mit Installtion (Englisch)http://www.freeduino.de/books/arduino-tutorial-lady-adaTeilweise Übersetzung von Ladyada-Tutorial (deutsch)
http://www.youtube.com/playlist?list=PLAB63281B90FB376E&feature=plcpYoutube Tutorial Seriehttp://www.youtube.com/watch?v=avOZaRoKVggYoutube Tutorial Serie mit Installation vom Internet auf PC (deutsch)