Erste Schritte mit dem Arduino UNO R3

Geschrieben von: Volker Lange-JansonSonntag, den 04. Dezember 2016 um 13:28 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 15. September 2019 um 06:32 Uhr

// Erste Schritte mit dem Arduino UNO R3

Das Entwicklungsboard Arduino UNO basiert auf dem Microcontroller ATmega328.Zusammen mit der Software Arduino ermöglicht es selbst ProgrammieranfängernMicrocontroller-Projekte der Steuer- und Regelungstechnik zu realisieren. Dieser Artikelliefert einen Einstieg für den absoluten Anfänger von der Hard- und Software-Beschaffung bis zum ersten Programm, das eine Leuchtdiode blinken lässt.

Was brauche ich? Im Prinzip brauchen wir nur das Entwicklungsboard Arduino UNO R3,welches meistens mit einem USB-Kabel geliefert wird, ein Rechner mit USB-Schnittstelle unddie kostenlose Arduino-Software Arduino IDE aus dem Internet. Das Entwicklerboard ArduinoUNO R3 habe ich mir inklusive USB-Kabel und Versandkosten für etwa 5 Euro in der Buchtdirekt aus China besorgt. Teuer ist der Einstieg also wirklich nicht.

Ein zusätzliches Steckernetzteil für ein paar Euro ist kein Muss, aber hilfreich. Und schonkönnen wir loslegen. Unter https://de.wikipedia.org/wiki/Arduino_(Plattform) gibt esHintergrund-Infos zum Arduino-Projekt. Für den Arduino gibt es jede Menge Sensoren,LCD-Anzeigen und weiteres Zubehör, welches man ebenfalls in der Bucht findet. Für dieProgrammierung stehen zahlreiche vorgefertigte Bibliotheken (Libraries) zur Verfügung, welchedie Ansteuerung dieser externen Hardware-Module einfach gestalten. Es sei noch zuerwähnen, dass in der "Bucht" Kits mit einem Sortiment verschiedener Sensorenangeboten werden. Es gibt sehr viel steckbares Zubehör, wodurch ein Löten entfällt.

Arduino ursprünglich für Künstler geschaffen: Wohlgemerkt wurde Arduino nicht fürProgrammierer geschaffen. Wer wirklich das Programmieren lernen möchte, sollte sich bessermit C beschäftigen. Ursprünglich wurde Arduino für Künstler entwickelt, welche mit einemMicrocontroller ihre Installationen steuern möchten. Letzten Endes heiligt jedoch der Zweck dieMittel.

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Zahlreiche fertige Arduino-Projekte im Internet: Viele Leser interessieren sich einfach nurdafür, wie vorhandene Programme in den Microcontroller gelangen, um fertig programmierteProjekte zu realisieren, wie sie z.B. unter http://www.vwlowen.co.uk/arduino/index.htmoder http://circuitdigest.com/arduino-projectsbeschrieben sind. Mein Artikel soll dabei helfen die Anfängerhürden zu überwinden, denn für

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Erste Schritte mit dem Arduino UNO R3

Geschrieben von: Volker Lange-JansonSonntag, den 04. Dezember 2016 um 13:28 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 15. September 2019 um 06:32 Uhr

einen Anfänger ist nichts selbstverständlich. Weiter unten im Text ab 8. befinden sich nochmehr Links zu Arduino-Projekten.

Viele Webseiten dokumentieren die Verdrahtungen mit Hilfe von bildhaften Darstellungenunter Verwendung des Programms Fritzing . Der Vorteil keine Schaltbilder und Schaltsymbolemehr lesen können zu müssen, hat seinen Preis, denn nur ein Schaltbild bietet die notwendigeummissverständliche Klarheit und damit das Verständnis, wie die Elektronik überhauptfunktioniert. Es besteht die Gefahr, dass der Arduino nach einer Anleitung mit einem ebenfallsverdrahteten Steckbrett verbunden wird, ohne zu verstehen, was man da eigentlich macht.  

Schritt-für-Schritt-Anleitung von der Beschaffung der Hard- und Softwarebis zum Brennen des ersten Programms

1. Das Entwicklerboard Arduino UNO R3: Es ist unter https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno vorgestellt.Zwischen den Bezeichnungen Arduino und Genuino gibt es keine Unterschiede. Dieunterschiedlichen Bezeichnungen haben juristische Ursachen. Die Belegung der Pins desBoards und des Microcontrollers sind unter

http://forum.arduino.cc/index.php?topic=146315.0 und

https://www.robomart.com/arduino-uno-online-india

beschrieben. Wir wählen eine Variante des Board, dessen Microcontroller steckbar ist undnicht die SMD-Ausführung. Den Unterschied erkennt man auf den Bildern der Anbieter.

Die SMD-Version des Arduino UNO R3 aus chinesischer Produktion habe ich für etwa 3 Euroeinschließlich Versandkosten entdeckt. Wir können bei diesem günstigen Preis dasEntwicklerboard als  Baugruppe betrachten, um sie in selbst gebauten Geräten einzusetzen.Zudem liefert dieses Board wie seine steckbare Version ebenfalls noch stabilisierte 5 Volt und3,3 Volt. Diese Funktionen auf einer Lochrasterplatte nachzubauen, würde die Materialkostenvon 3 Euro wahrscheinlich überschreiten.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonSonntag, den 04. Dezember 2016 um 13:28 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 15. September 2019 um 06:32 Uhr

Der Arduino UNO R3 ist über ein USB-Kabel mit dem Rechner verbunden, um denATmega328 programmieren zu können oder um die Firmware aufspielen zu können. Wenn einegelbe Leuchtdiode auf dem noch ungenutzten Board schnell blinkt oder nur durchgehendleuchtet, ist das normal. Mit Beschaffungskosten um die 5 Euro ist der Weg frei in dieArduino-Welt. Im Bild zu sehen ist die steckbare Variante des Arduino UNO R3.

Ein altes Notebook mit Windows XP dient mir für den Einstieg. Die Entwickler-SoftwareArduino gibt es für verschiedene Betriebssysteme.

Den Arduino UNO R3 gibt es in verschiedenen Versionen. In der hier verwendeten Version istder Microcontroller steckbar im DiL-Gehäuse ausgeführt. Wir können den ATmega328 auf demArduino programmieren, die Firmware auf ihn brennen und den ATmega nach dem Ausbau ineiner anderen Schaltung verwenden.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonSonntag, den 04. Dezember 2016 um 13:28 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 15. September 2019 um 06:32 Uhr

Die Rückseite des Boards. Es steht zwar "Made in Italy"drauf, in Wirklichkeit ist esin China hergestellt.

Den steckbaren ATmega328 können wir auch einzeln kaufen. Es ist dann darauf zu achen,dass er ab Kauf bereits mit einem Arduino-Bootloader versehen ist. Diese Microcontroller gibtes ebenfalls in der Bucht. Vorsicht beim Heraushebeln mit dem Schraubzieher, damit dieBeinchen nicht abbrechen.

Das verwendete USB-Kabel mit zwei verschiedenen Steckern, links Typ A, rechts Typ B.  

2. Beschaffung der kostenlosen Arduino-Software: Sie befindet sich auf https://www.arduino.cc/en/Main/Software. Die Windows-Version holen wir per Mausklick auf den Schriftzug "WindowsInstaller". Es öffnet sich eine neue Seite, auf der dort auf "Just Download" zuklicken ist, um den Download einzuleiten.  

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3. Installation der Arduino-Software (gestestet mit Win XP SP3): Unter Windows geht dieInstallation auf dem üblichen Weg. Allerdings ist es ganz wichtig, dass bereits während der Installation das Entwicklerboardmit dem Windows-Rechner über den USB-Anschluss verbunden ist,weil nämlich dann der USB-Treiber gleich automatisch mitinstalliert wird. Die automatischeSuche nach dem richtigen USB-Treiber kann einige Minuten in Anspruch nehmen. Bei Windows 8 bitte hier die Beschreibung https://code-bude.net/2012/11/18/arduino-treiber-unter-windows-8-installieren/ beachten, damitWindows 8 die unsignierten Treiber akzeptiert.

Sollten aus irgendwelchen Gründen der notwendige USB-Treiber nicht installiert worden sein,lässt er sich mit der folgenden Anleitung https://www.arduino.cc/en/Guide/UnoDriversWindowsXP nachträglich installieren. Die Treiber befinden sichin einem der Unterordner des bereits installierten Arduino-Programms.  

4. Manuelle Konfiguration der Arduino-Software: Im Prinzip muss nach der Installation nurder Com-Port einmalig auf Com3 eingestellt werden. die nachfolgenden Bilder erklären denVorgang.

Das Arduino-Programm direkt nach der Installation.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonSonntag, den 04. Dezember 2016 um 13:28 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 15. September 2019 um 06:32 Uhr

Auswahl des richtigen Entwickler-Boards, hier Arduino/Genuino Uno.

COM3 stellt meistens die USB-Schnittselle dar. Wir müssen sie beim ersten Mal von Handauswählen.

Über "Boardinformationen holen" können wir testen, ob die Arduino-Software dasArduino-Board erkannt hat.

Das Board wurde von der Software erkannt. Hurra! Nun sind wir für das Programmierenbereit.   5. Brennen der ersten Firmware auf den ATmega: Dem Arduino-Programm sind Scripte(genannt Sketch) mitgelefiert. Wir nehmen das Programm "Blink", das eineLeuchtdiode auf dem Board blinken lässt. Später können wir die ON- und OFF-Zeiten desBlinkens im Script verändern und das veränderte Programm abspeichern.

Wir holen uns das Demo-Programm "Blink".

Der Quellcode von "Blink" erscheint im Programmfenster. Um dieses Programmauf den Microcontroller des Boards zu brennen, müssen wir nur oben im Fenster auf den Kreisklicken, in welchem sich ein nach rechts zeigender Pfeil befindet. Also einfach dort klicken,wohin der rote Pfeil zeigt. Klicken wir auf den Kreis mit dem Häkchen, testet das Programm nur,ob sich der Sketch kompilieren lässt, ohne dass ein Brennen des Sketches auf denMicrocontroller stattfindet.

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Der Kreis, auf dem wir geklickt haben, nimmt nun eine gelbe Farbe an, während das Listing(Sketch) kompiliert wird. Anschließend wird das kompilierte Programm automatisch auf denMicrocontroller gebrannt. Die beiden Vorgänge dauern insgesamt einige Sekunden bis Minuten.

"Hochladen abgeschlossen" bedeutet, dass sich die Firmware nun auf demMicrocontroller befindet. Wir haben unser erstes Programm auf den ATmega gebrannt! Unddazu waren nur wenige Mausklicks notwendig.

Da sich diese Firmware auf dem Microcontroller befindet, blinkt die gelbe Leuchtdiode aufdem Board jetzt langsamer. Eine Sekunde aus, eine Sekunde an. Dass sich die Firmware jetzt tatsächlich auf dem ATmega befindet, können wir beweisen, indem wir die USB-Verbinung zum Rechner trennen und das Board mit einem externen Netzteilbetreiben.

Der Arduino blinkt jetzt isoliert vom Rechner vor sich hin. Als Stromversorgung dient ein 9 bis12 Volt Steckernetzteil.

Das Steckernetzteil, ebenfalls für ein paar Euro in der "chinesischen Bucht"besorgt.

Die Daten des Stecknetzteils. In Wirklichkeit lieferte es 12 statt 9 Volt DC. Es ist abertrotzdem tauglich. 7 bis 12 Volt sind empfehlenswert. 6 bis 20 Volt sind die absoluten Grenzender Versorgungsspannung des Boards.

Der Stecker des Netzteils ist ein 2,1 mm-Stecker. Der positive Anschluss muss innen (in derMitte) sitzen. 6. Ändern der Software, erneutes Brennen und anschließendes Abspeichern: DieFirmware können wir abändern, damit die LED schneller oder langsamer blinkt. Mit dieserneuen Firmware können wir die alte auf dem Microcontroller immer wieder überschreiben. Jedeeinzelne Version lässt sich abspeichern. Dadurch können wir jeden Entwicklungsschrittunmittelbar testen. Dies macht die Programmierung einfach.

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Geschrieben von: Volker Lange-JansonSonntag, den 04. Dezember 2016 um 13:28 Uhr - Aktualisiert Sonntag, den 15. September 2019 um 06:32 Uhr

Hier habe ich die Leuchtdauer (ON, HIGH) von ursprünglich 1000 ms auf 333 ms geändert.Nach der Änderung des Scripts einfach wieder auf das Pfeilsymbol im Kreis klicken, um dasKompilieren und das Brennen einzuleiten. Die alte Firmware wird dann überschrieben. Wirmerken das sofort, wenn die Leuchtdiode nur noch kurz aufblitzt. 333 ms an und 1000 ms aus.

Das Script (der Quellcode) der geänderten Firmware können wir unter einem anderen Namenabspeichern. Somit haben wir unser erstes eigenes Script geschaffen.

Anschluss einer externen LED mit einem 470-Ohm-Vorwiderstand zwischen Masse (GND)und dem Anschluss 13 des Boards. Die Kathode der LED muss der Masse am nächsten liegen.Die Kathode einer LED ist durch eine kurzes Beinchen und eine Abflachung des Gehäusesgekennzeichnet. Hier kommt ein Steckbrett für den Aufbau zum Einsatz.

Anschluss des Tastkopfes eines Oszilloskops an den Anschluss 13 des Boards und Masse(GND).

Die Spannung springt zwischen 0 und 5 Volt hin- und her. Die An- und Auszeit dauert hierjeweils 10 ms, weil ich diese Zeiten einprogrammiert habe. Der Arduino dient jetzt also alsRechteckgenerator, mit dem sich Oszilloskope abgleichen lassen.   6a. Arduino Bibliotheken hinzufügen: Viele Programme benötigen Bibliotheken, die meistbei Github im Zip-Format abgelegt sind. Bibliotheken werden im Quellcode mit #includeeingebunden, z.B. #include <Adafruit_GFX.h> Nicht alle Bibliothekens sind in der Arduino IDE mitgeliefert. Wie diese fremden Bibliothekenals Zip-Dateien einzubinden sind, ist z.B. unter http://www.arduinoclub.de/2016/04/09/arduino-ide-bibliotheken-hinzufuegen/ beschrieben unddenkbar einfach. Wo genau die Bibliotheken herunterzuladen sind, ist in den jeweiligenProjektbeschreibungen erklärt. Viele Bibliotheken sind - wie bereitst erwähtn - demArduino-Programm bereits beigefügt. Bibliotheken (Libraries) enthalten Programm-Abschnitte (Routinen), die immer wieder benötigtwerden, um z.B. bestimmte Displays, Drehgeber, Stellmotoren, Schnittstellen, WLAN-Moduleund so weiter anzusteuern. Bibliotheken vereinfachen die Programmierung und verhindern,dass das Rad immer wieder neu erfunden werden muss.

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Download einer Bibliothek: Auf Github auf &quot;Clone or Download&quot; gehen und dann&quot;Download ZIP&quot;.

Die Bibliothek in der ZIP-Datei lassen und wie im Bild zu sehen ist, einbinden. 6b. Quellcode von einer Webseite in das Arduino-Programm kopieren: Das geht wie beieinem Textverarbeitungsprogramm mit Copy und Paste. Das Listing mit &quot;Copy&quot; ausder Webseite herauskopieren, im Arduino-Programm mit &quot;Datei&quot; > &quot;Neu&quot;eine neue Seite öffnen, das Listing mit &quot;Paste&quot; einfügen und das die Seite mit&quot;Datei&quot; > &quot;Speichern unter ...&quot; abspeichern.   7. Den ATmega ohne sein Board laufen lassen: Den mit dem Sketch &quot;Blink&quot;oder einem aneren Sketch geflashten (gebrannten) ATmega328P können wir vorsichtig aus derFassung entfernen und in eine externe Schaltung einbauen, wie sie unter https://wattsworth.wordpress.com/2014/08/31/breadboarding-the-arduino-uno/beschrieben ist. 8. Viele weitere Beispiele: Im Internet sind zahlreiche weitere Programm-Beispielebeschrieben, z.B auf der sehr umfangreichen Seite http://popovic.info/html/arduino/arduinoUno_1.html, die viele Anregungen und ausführlich beschriebene Experimente enthält. Für den Einsteigergeschrieben ist die Seite http://funduino.de/anleitungen, welche die ersten Schritte mit vielen einfachen Beispielen begleitet.   8.a Projekte, die mit Arduino und dem ATmega 328 realisiert worden sind: Zum BeispielDDS-Generator, Ladegeräte, FM-Radio, MP3-Player, Wetterstation, 2, 4 GHz SpectrumAnalyzer, Labor-Netzgerät. Nachfolgend Portale mit vielen Projekten: - http://www.vwlowen.co.uk/arduino/index.htm - http://www.electronicshub.org/arduino-project-ideas/ - http://circuitdigest.com/arduino-projects - https://www.hackster.io/arduino/projects - 9. Einführung in die Arduino-Programmiersprache: - http://www.ov-meschede.de/workshop/Arduino%20Programmierhandbuch.pdf - http://hems.de/fileadmin/_migrated/content_uploads/Arduino_Tutorial.pdf -

Anschluss eines 10-kOhm-Potis zwischen GND und 5 Volt, Schleifer am analogen EingangA0.

Ein DDS-Generator f&uuml;r Sinus und Rechteck von 1 Hz bis 40 MHz . Der verwendeteATmega328 wurde mit Arduino programmiert.   10. Austauschen des Microcontrollers: Den alten Microcontroller müssen wir vorsichtigabwechselnd von beiden Seiten mit einem Schraubenzieher aus seiner Fassung heraushebeln.Beim neuen Microcontroller haben die gegenüberliegenden Pins meistens einen etwas zugroßen Abstand, den wir anpassen können, in dem wir die linke oder rechte Reihe der Pinsvorsichtig gegen die Tischoberfläche drücken, bis der Abstand für die Fassung passend ist. Wirmachen uns das Leben einfacher und kaufen am besten Microcontroller, die bereits mit einemArduino-Bootloader versehen sind. Beim Hantieren mit dem Microcontroller ist für einenelektrostatischen Schutz zu sorgen.

Ein neuer ATMega 328P-PU. Der Lieferant hat ihn bereits mit einem Arduino-Bootloaderversehen.

Wie im Text beschrieben, ist der Microcontroller abwechselnd beidseitig vorsichtigherauszuhebeln, damit die Beinchen nicht abbrechen. Fortsetzung folgt!   //

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