Arduino und Modelleisenbahn

In letzter Zeit habe ich mich mit den Arduinos näher befasst. Es handelt sich hier umMikro-Controller, die für umfangreiche Elektronik-Schaltungen in allen Bereichen herangezogen werden können. Es gibt sie in unterschiedlichen Ausführungen, Größen undPreislagen. Über diese Technik sind schon einige Bücher geschrieben und veröffentlichtworden. Auch im Internet findet man viele Beispiele für Funktionsanwendungen.

In dieser Anleitung möchte ich näher auf LED-Techniken und Beleuchtungen speziell fürdie Modelleisenbahn eingehen. Damit lassen sich viele Lichteffekte und brauchbare Va-rianten realisieren. Vieles davon gibt es bereits im Zubehörhandel für Modellbahnen zukaufen. Hier ist alles deutlich teurer als meine dargestellten Alternativen. Allerdings sollteman etwas Bastelgeschick mitbringen und auch vor einem Lötkolben keine Angst haben.

In erster Linie geht es mir um die elektronischen Schaltungen und deren Funktion. Wieman das Gehäuse einer z. B. Ampel im Straßenverkehr herstellt, bleibt jedem selber über-lassen. Man kann natürlich hier auch auf Zubehör aus dem Modellbahnhandel zu greifen.

Um diese ganzen Blinkeffekte wie Ampeln, Baustellenblitz, Polizei und Feuerwehr,Leuchtreklamen usw. umzusetzen, benötigen wir einen Mikro-Controller den wir für dieseAufgaben einsetzen können. Es handelt sich hier um den relativ kleinen Arduino Nano mitden Abmesseungen 44 mm x 18 mm wie im nachfolgenden Foto zu sehen.

Der Stromanschluss erfolgt über einen USB-Mini-Stecker und wird standardmäßig mit 5Volt Gleichstrom aus einem USB-Netzteil (Smartphone, PC oder auch eine Powerbank)gespeist. Die komplette Platine kostet mit einem USB-Anschlußkabel um die 6 Euro. Im3er oder 5er Pack ist er deutlich billiger.

In meinen Ausführungen wollen wir bevorzugt LEDs einsetzen und diese müssen an denNano angeschlossen werden. Zu Experimentierversuchen kann man einfach ein soge-nanntes Breadboard verwenden. Hier wird der Nano einfach aufgesteckt. Die LEDs,Widerstände und kabel ebenso. Zu Versuchszwecken ist das ideal und man wirdAnschlussfehler erkennen und dann vermeiden. Für die Modellbahn müssen wir einen an-deren Weg gehen.

LEDs

LEDs sind die bekannten Leuchtdioden, die es in verschiedenen Farben und Größen gibt.Für meine Zwecke werden LEDs mit 3 mm Durchmesser verwendet. Teilweise sind diesefür H0-Zwecke immer noch zu groß. Ich kann aber mit dieser Baugröße ganz gut leben,denn sie sind preisgünstig. In der Regel kosten 500 Stück sortiert in verschiedenen Farbenkeine 10 Euro.

Dazu brauchen wir noch Widerstände. Möglichst klein 1/8 oder 1/4 Watt in der einfachstenAusführung. Wichtig! Für jede LED wird ein Widerstand benötigt. Mehrere LEDs an einemWiderstand anzuschließen sollte man vermeiden. Dieser Widerstand muss angeschlossensein oder die LED wird zerstört. Die Ohmzahl der Widerstände richtet sich nach der LED-Farbe. Diese ist unterschiedlich. Bei 5 Volt haben wir ca. 200 Ohm. Die roten LEDs benöti-gen nur 100 Ohm. Darunter sollte man nicht gehen. Der Wert kann auch größer gewähltwerden. Bei 1000 Ohm (1K Ohm) werden die LEDs bereits etwas dunkler. Hier kann mansich nicht unbedingt rechnerisch nach dem Ohmschen Gesetz festlegen, denn die Hellig-keit der gekauften LEDs kann sehr unterschiedlich sein. Mann muss das vorher mal aus-probieren. Nimmt man einen zu hohen Wert (10 K Ohm, übertrieben) wird die LED nichtmehr leuchten. Bei zu kleinem Widerstand (unter 100 Ohm oder kein Widerstand) wird dieLED zerstört. Zwischen den angegebenen Werten hat man Handlungsfreiheit und der LEDwird in der Regel nichts passieren. Die Werte der Widerstände wird mit einem Farbcodeangezeigt. Hierzu möchte ich nichts Näheres schreiben. Im Internet gibt es genug Möglich-keiten sich zu informieren.

Die LED kann nur in einer Richtung angeschlossen werden. Plus-Pol an Anode (längeresBeinchen) und Minus-Pol an Kathode (kürzeres Beinchen). Vertauscht wird die LED nichtleuchten. Der Widerstand wird in Reihe dazwischen angeschlossen. Dabei ist es egal wieherum der Widerstand liegt oder ober er zwischen Plus-Pol und Anode oder Minus-Pol undKathode gelegt wird.

Damit hätten wir schon außer ein paar Kabel, evtl. mit Stecker oder Buchsen das benötigteMaterial zusammen. Näheres geht auch aus den nachfolgenden Zeichnungen und Fotoshervor. Falls mal eine Lochrasterplatine benötigt wird, werde ich das entsprechend darstel-len.

Polizei, Feuerwehr, Rettungswagen

Ein Wort: „Blaulicht“. Damit ist schon viel gesagt und dieses Blaulicht blinkt. Im Prinzipeine einfache Schaltung. Zwei LEDs die abwechselnd blinken. Anhand dieser Einfachheit

möchte ich den Anschluss des Nano und die Programmierung demonstrieren.

Zuerst zum Nano. Dieser hat 12 digitale Anschlüsse um Verbraucher, Sensoren oder LEDsanzuschließen. Diese 12 Anschlüsse werden mit D2 bis D13 gekennzeichnet. Weiterhingibt es den Masseanschluss GND an welcher der Minuspol zusammengeführt wird. Dieanderen Anschlussbeinchen für 5 Volt und 3,3 Volt bzw. Analog-Anschlüsse benötigen wirfür diese Schaltung nicht.

Für unsere Schaltung verwenden wir zwei D-Ports und einen GND-Port. Die D-Ports kön-nen wir uns aussuchen. Wir nehmen einfach mal den Port D4 und D5 für den Plus-Pol(Anode) der LEDs und für den Minuspol (Kathode) den Port GND.

Der Schaltplan sieht jetzt so aus:

Die beiden Widerstände sind 220 Ohm passend für eine 5-Volt-Versorgungsspannung. DieKabel können mit Kabelbuchsen für Platinen an die Pins des Nano angeschlossen wer-den.

Das sieht dann so aus:

An der Gegenseite wird der Kabel mittels Widerstand an die LED gelötet und mitSchrumpfschlauch überzogen. So wird sicher verbunden und kein Kurzschluss fabriziert.Damit ist die ganze Konstruktion schon fertig und kann eingebaut und dann in Betrieb ge-setzt werden.

Die Programmierung des Nano

Der Nano ist ein kompletter Minicomputer, der für die gestellten Aufgaben programmiertwerden muss. Das klingt komplizierter, wie es ist. Wir brauchen dafür einen ganz normalenPC oder Laptop mit Windows, Linux oder Apple-Mac-Betriebssystem. Wir laden uns ausdem Internet das kostenlose Programm Arduino IDE 1.8.5 herunter und installieren es aufden PC. Auf diese Prozedur möchte ich an dieser Stelle nicht näher eingehen. Hierzu gibtes im Netz genügend Anleitungen um dieses zu bewerkstelligen. Nach erfolgter Installa-tion öffnet sich nach dem Start folgendes Bild:

An dieser Stelle möchte ich jetzt keine Abhandlung über die Programmierung mit der Com-putersprache C halten. Deshalb werde ich mich nur auf das Relevante für unsere Schal-tung beschränken. Wir tragen mal den folgenden Text in das weiße Feld ein:

// 2 blaue LEDs blinken, Polizei, Feuerwehr usw.// Peter Neise, Feb. 2018, läuft auf Uno und Nano

void setup(){ //Wir starten mit dem SetuppinMode(4, OUTPUT); //Pin 4 ist ein Ausgang.pinMode(5, OUTPUT); //Pin 5 ist ein Ausgang.}void loop(){ // Das Hauptprogramm beginnt.digitalWrite(4, HIGH); //Schalte die LED an Pin 4 ein.delay(1000); //Warte 1000 Millisekunden.digitalWrite(4, LOW); // Schalte die LED an Pin 4 aus.digitalWrite(5, HIGH); //Schalte die LED an Pin 5 ein.delay(1000); //Warte 1000 Millisekunden.digitalWrite(5, LOW); //Schalte die LED an Pin 5 aus.} //Hier am Ende springt das Programm an den Start des Loop-Teils.Also…//…schalte die LED an Pin4 an.// … usw… usw… usw…

Alle Texte hinter den beiden // ist für das Programm nicht erforderlich. Es soll uns nur dasnähere Verständnis für die einzelnen Programmzeilen zeigen. Man kann ihn weglassenaber auch stehen lassen. Alles andere muss natürlich aufgeführt werden.Jetzt noch einmal ganz langsam:

void setup() {Start des Setup. Im Prinzip startet hier das Gesamtprogramm.

pinMode(4, OUTPUT);pinMode(5, OUTPUT);Hier werden die Ausgänge des Nano festgelegt. Wir benötigen zwei wegen der zwei LEDs.Hier wird dann 4 und 5 eingetragen. Alles wird dann mit der Klammer } abgeschlossen.

void loop () {Hier beginnt das eigentliche Hauptprogramm. Die erste Programmzeile folgt.

digitalWrite(4, HIGH);Hier wird die erste LED die an Pin 4 liegt eingeschaltet.

delay(1000);Das Programm wird angewiesen 1000 Millisekunden (1 Sekunde) zu warten. Die LEDleuchtet eine Sekunde. Wenn man hier den Wert verkleinert, blinkt die LED schneller. z. B.200, 300 oder 500. Im Prinzip kann man jeden Wert eintragen.

digitalWrite(4, LOW);Hier wird die LED die an Pin 4 liegt, wieder ausgeschaltet.Jetzt folgt das ganze noch einmal, und zwar für LED an Pin 5

digitalWrite(5, HIGH);delay(1000);digitalWrite(5, LOW);

Jetzt wird wieder alles mit der Klammer } abgeschlossen. Das Programm endet hier undspringt wieder in die Zeile void loop. Der Vorgang beginnt von vorn. Diese Schleife dauertunendlich. Natürlich bis der Strom abgeschaltet wird.

Programm auf dem Nano hochladen

Dieses Programm wird jetzt auf den Nano hochgeladen. Dazu wird der Nano mittels USB-Kabel an den PC angeschlossen. Der Atmega328P-Prozessor des Nano wird in der Regelvon Windows automatisch erkannt. Im IDE-Programm muss der Nano jetzt aktiviert wer-den. Dazu geht man auf „Werkzeuge“ und dann „Board“ (wie im Bild) und markiert denNano. Im zweiten Schritt wird noch der Port eingestellt. Hier war es zufällig COM5. Eskann auch eine andere Zahl sein. Der PC wählt den COM-Port automatisch aus. Ist dieEinstellung vom PC angenommen, kann man sie im IDE-Fenster ganz unten, (siehe Bildoben) ablesen.

Jetzt wird in der IDE-Leiste der runde Button mit dem Pfeil nach rechts gedrückt. Nachkurzer Zeit ist der Einladevorgang beendet. Sollte das Programm einen Fehler auswerfen,muss man noch einmal alles kontrollieren. Es kann ein falscher COM-Port sein oder manhat im Programm etwas vergessen. Schon eine fehlende Klammer oder Semikolon kanneinen Fehler erzeugen.

Der Nano ist jetzt programmiert. Dieses Programm bleibt im Prinzip dauerhaft erhalten,auch wenn der Nano abgestöpselt und kein Strom erhält. Erst durch eine Neuprogrammie-rung kann es verändert werden. Man kann immer nur ein Programm aufladen. MehrereProgramme gleichzeitig sind nicht möglich. Immer das zuletzt geladene Programm bleibtaktiv.

Anmerkung: Im oberen Bild ist der Port 7 und 8 ausgewiesen. Im Prinzip geht alles. Hiersollten die LEDs natürlich auch an Port 7 und 8 angeschlossen sein.

Der Nano mit den angeschlossenen LEDs wird jetzt mit einer externen Stromquelleverbunden. Dazu kann man gut ein USB-Netzteil vom Handy verwenden. Sollen mehrereNanos angeschlossen werden, kann man ein USB-Minihub verwenden. Diese habenmehrere USB-Anschlüsse und ein externes Netzteil, welches für LEDs ohne Problemeausreicht.Erwähnen möchte ich an dieser Stelle noch, dass man für die ganze Prozedur auch dengrößeren Arduino Uno verwenden kann. Dieser hat mehr Anschlussports und kann auch

mit einem 9 Volt Netzteil betrieben werden. (runder Anschlussstecker 5,5 mm außen bzw.2,1 mm innen).

Wir haben hier einen ganz einfachen Wechselblinker programmiert. Wem das zu einseitigist, kann das auch erweitern. Wir nehmen jetzt 4 blaue LEDs anstatt der zwei in der vorhe-rigen Schaltung. Die 4 LEDs werden dann unterschiedlich blinken. Natürlich ist der Einbauin einem H0-Fahrzeug recht knifflig. Es brauchen nur die blauen LEDs im Dach der Feuer-wehr eingebaut werden. Alles andere wird unter der Straße bzw. Platte versteckt.

Hier der Anschluss:

Die Schaltung ist um zwei LEDs erweitert, die am Port 7 und 8 angeschlossen sind. Dazukommt hier das benötigte Programm:

// 4 blaue LEDs blinken, Polizei, Feuerwehr usw.// Peter Neise, Feb. 2018, läuft auf Uno und Nano

void setup(){ // StartpinMode(4, OUTPUT); //Pin 4 ist ein Ausgang.pinMode(5, OUTPUT); //Pin 5 ist ein Ausgang.pinMode(7, OUTPUT); //Pin 7 ist ein Ausgang.pinMode(8, OUTPUT); //Pin 8 ist ein Ausgang.}

void loop(){ // Das Hauptprogramm beginnt.digitalWrite(4, HIGH); //Schalte die LED an Pin4 an.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(4, LOW); // Schalte die LED an Pin4 aus.digitalWrite(7, HIGH); //Schalte die LED an Pin7 ein.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(7, LOW); //Schalte die LED an Pin7 aus.digitalWrite(5, HIGH); //Schalte die LED an Pin5 an.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(5, LOW); // Schalte die LED an Pin5 aus.digitalWrite(8, HIGH); //Schalte die LED an Pin8 ein.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(8, LOW); //Schalte die LED an Pin8 aus.} //Loop-Schleife.// Anmerkung: Evtl. die Millisekunden anpassen

Wie wir sehen, ist die Ergänzung überschaubar. Man kann auch die 200 Millisekundenunterschiedlich verändern. Der Blinkeffekt lässt sich dadurch effektiv beeinflussen. DieserProgramm-Text kann auch aus diesem Dokument herauskopiert und dann im IDE-Pro-gramm-Fenster eingesetzt werden. Dadurch kann man sich das Abtippen sparen. Nanoanschließen, Programm hochladen, LEDs blinken.

Ampel-Schaltung

So langsam macht uns die Sache Spaß. Deshalb möchte ich hier eine Ampel-Schaltungfür den H0-Straßenverkehr vorstellen. Es ist eine Erweiterung der Schaltung auf 6 LEDs,welche dann den bekannten Lichtwechsel einer Straßen-Ampel zeigen. Einmal ist die Am-pel A auf grün, dann die Ampel B.

Hier der Anschluss mit folgender Belegung:

Ampel A

rot = Port 7 (r)gelb = Port 8 (y)grün = Port 9 (g)

Ampel B

rot = Port 6 (r)gelb = Port 5 (y)grün = Port 4 (g)

Damit die Ampeln nicht zu hell leuchten, nehmen wir für 5 Volt Anschluss 510 Ohm Wider-stände. Die gemeinsame Masse ist wie immer GND. Im Programm gibt es eine kleine Än-derung. Wir teilen den Anschluss-Pins des Nanos eine feste Bezeichnung zu. Unter derProgrammzeile „int“ ist es aufgeführt.

Jetzt zum Programm:

// Ampelschaltung für 2 Ampeln im Wechsel// Schalttyp: Deutschland// für Arduino Uno3 oder Nano von Peter Neise

int g_B = 4;int y_B = 5;int r_B = 6;

int r_A = 7;int y_A = 8;int g_A = 9;

void setup() {pinMode(g_B, OUTPUT);pinMode(y_B, OUTPUT);pinMode(r_B, OUTPUT);

pinMode(g_A, OUTPUT);pinMode(y_A, OUTPUT);pinMode(r_A, OUTPUT);

}

void loop(){digitalWrite(r_B, HIGH);digitalWrite(g_A, HIGH);delay(7000);digitalWrite(g_A, LOW);digitalWrite(y_A, HIGH);delay(2500);digitalWrite(y_A, LOW);digitalWrite(r_A, HIGH);delay(2500);digitalWrite(y_B, HIGH);delay(2500);digitalWrite(r_B, LOW);digitalWrite(y_B, LOW);digitalWrite(g_B, HIGH);delay(7000);digitalWrite(g_B, LOW);digitalWrite(y_B, HIGH);delay(2500);digitalWrite(y_B, LOW);digitalWrite(r_B, HIGH);delay(2500);digitalWrite(y_A, HIGH);delay(2500);digitalWrite(r_A, LOW);digitalWrite(y_A, LOW);

}

Wer aufmerksam die Programm-Struktur liest, wird feststellen, dass der Lichtwechsel 2,5Sekunden beträgt. Die grüne und rote Phase beträgt jeweils 7 Sekunden. Wem dieses zuwenig bzw. zu viel ist, kann hier den Grundwert verlängern oder verkürzen. Allgemein gilt,nach jeder Änderung muss das Programm neu hochgeladen werden. Für spätere Korrek-turen oder Anpassungen kann das Programm im PC gespeichert werden. Diese ist allesmit der Software Arduino IDE möglich. Das gilt natürlich auch für die obigen Projekte.

Baustellenblitz

An dieser Stelle möchte ich noch ein weiteres Projekt vorstellen. Irgendwann in den 90erhabe ich mal so eine Schaltung im Modellbahn-Zubehör-Handel gekauft. Damals gab esdas schon. Nur es war recht teuer. In der folgenden Schaltung haben wir den gleichenEffekt und können sogar im Programm die Laufgeschwindigkeit anpassen. Für diesenVersuch nehmen wir 6 gelbe LEDs und 6 Widerstände mit 220 Ohm. Der Anschlussplan

entspricht genau der Ampelschaltung und ist im Anschluss vollkommen identisch. DasProgramm ist etwas anders, einfacher und ist hier abgedruckt:

//Baustellenblitz mit 6 gelben LED für Arduino-Nano an 5 Volt.//Widerstände 6 x 220 Ohm. Projekt: Peter Neise 2018.//aufgebaut auf Platine. Schaltdauer 200 Millisekunden.//Pause nach jeder Phase 1 Sekunde (1000 Millisekunden).

void setup(){ // //Setup-Start.pinMode(4, OUTPUT); //Pin 4 ist ein Ausgang.pinMode(5, OUTPUT); //Pin 5 ist ein Ausgang.pinMode(6, OUTPUT); //Pin 6 ist ein Ausgang.pinMode(7, OUTPUT); //Pin 7 ist ein Ausgang.pinMode(8, OUTPUT); //Pin 8 ist ein Ausgang.pinMode(9, OUTPUT); //Pin 9 ist ein Ausgang.

}void loop(){ // Das Hauptprogramm beginnt.digitalWrite(4, HIGH); //Schalte die LED an Pin4 an.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(4, LOW); // Schalte die LED an Pin4 aus.digitalWrite(5, HIGH); //Schalte die LED an Pin5 an.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(5, LOW); // Schalte die LED an Pin5 aus.digitalWrite(6, HIGH); //Schalte die LED an Pin6 an.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(6, LOW); // Schalte die LED an Pin6 aus.digitalWrite(7, HIGH); //Schalte die LED an Pin7 an.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(7, LOW); // Schalte die LED an Pin7 aus.digitalWrite(8, HIGH); //Schalte die LED an Pin8 ein.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(8, LOW); //Schalte die LED an Pin8 aus.digitalWrite(9, HIGH); //Schalte die LED an Pin9 ein.delay(200); //Warte 200 Millisekunden.digitalWrite(9, LOW); //Schalte die LED an Pin9 aus.delay(1000); //Pause am Ende} //Hier am Ende springt das Programm in die Loop-Schleife.

Nach gleicher Manier kann man auch ein Lauflicht mit 12 LEDs herstellen. Damit ist dieGrenze des Nano erreicht. Mehr geht nur, wenn man ein IC-Baustein zur Hilfe nimmt. Alle12 LEDs werden nach gleicher Art mit den Ports des Nano D2 bis D13 verbunden. Hiermöchte ich zeigen, dass man das Programm mittels einer Laufvariablen auch gehörigkürzen kann.

int i; //die Laufvariable

void setup() {for(i=0; i<12; i++) { pinMode( i, OUTPUT); }

}

void loop() {for(i=0; i<12; i++) { digitalWrite(i, HIGH); delay(200);

digitalWrite(i, LOW); }}

An dieser Stelle möchte ich meine Ausführungen erst einmal beenden. In ein paar Wochengibt es mehr davon.

Peter Neise - www.sepelone.de - April 2018