1Idee und Entwicklung derArduino-PlatineIn diesem Kapitel Arduino entdecken

Die Herkunft und Bedeutung des Arduinos

Die Basisaspekte kurz vorgestellt

D as Arduino besteht als Gesamtlsung aus Hard- und Softwarekomponenten. Dazu gehrtzunchst einmal die Arduino-Platine (PCB Printed Circuit Board) selbst. Diese wurdespeziell fr einen Mikrocontroller-Chip entwickelt und stellt eine ganze Reihe weiterer An-schlsse bereit, die sich als Ein- und Ausgnge nutzen lassen. Darber hinaus befinden sichauf der Platine weitere elektronische Komponenten, ohne die der Mikrocontroller nicht funk-tionieren wrde und/oder die seine Fhigkeiten erweitern.

Mikrocontroller sind letztlich integrierte Kleinstcomputer, die so weit verkleinert wurden,dass sie sich in einem einzigen Chip unterbringen lieen. Sie eignen sich hervorragend frdie Programmierung und Steuerung elektronischer Schaltungen. Viele Mikrocontroller ge-nannte Gerte enthalten neben dem Mikrocontroller selbst weitere ntzliche Anschlsse undKomponenten, an die deren Benutzer Ein- und Ausgabegerte anschlieen knnen. Beispielefr Mikrocontroller-Platinen sind das Wiring Board, die PIC-Boards und das BASIC Stamp.

Mit der Arduino-Entwicklungsumgebung knnen Sie Software schreiben, die dem Mikrocon-troller mitteilt, was er machen soll. Mit einer Programmzeile knnen Sie eine LED beispiels-weise ein- oder ausschalten und sie so blinken lassen. Schlieen Sie einen Taster an undfgen eine weitere Codezeile hinzu und schon blinkt die LED nur bei gedrcktem Tastschal-ter auf. Soll die LED vielleicht nur blinken, wenn der Taster gedrckt gehalten wird? Auchkein Problem. Mit den hier gebotenen Mglichkeiten knnen Sie elektronischen Systemenschnell und einfach verschiedene Verhaltensweisen beibringen. Ohne Mikrocontroller lieesich so etwas nur schwer oder berhaupt nicht verwirklichen.

hnlich wie konventionelle Rechner knnen auch Arduinos vielfltige Funktionen berneh-men, bleiben aber auf sich allein gestellt weitgehend nutzlos. Erst mit weiteren Ein- und/oderAusgngen wird die Platine wirklich ntzlich. Dort lassen sich Sensoren anschlieen, mitderen Hilfe Computer auf ihre Umwelt reagieren und/oder Dinge in der realen Umwelt steu-ern knnen.

Um die nachfolgenden Darstellungen besser verstehen zu knnen, knnte es ntzlich sein, diebisherige Geschichte des Arduinos zumindest in ihren Grundzgen zu kennen.

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Wie entstand die Idee fr das Arduino?Die Idee fr das Arduino wurde in Italien am IDII (Interaction Design Institute Ivrea) geboren,einer Graduiertenschule fr Interaktionsgestaltung (interaction design). Das Institut bot De-signern weitere Qualifikationsoptionen und hatte sich schwerpunktmig auf Mensch-Com-puter-Interaktionen spezialisiert.

Der Begriff der Interaktionsgestaltung (interaction design) wurde Mitte der 1980er von BillVerplank und Bill Moggridge geprgt. Abbildung 1.1 enthlt ein Schaubild von Verplank, dasdie grundlegende Prmisse der Interaktionsgestaltung verdeutlichen soll. Es zeigt die Funkti-onsweise des Interaktionsprozesses: Eigene Aktionen fhren zu nderungen und einem wahr-nehmbaren Wandel, der selbst von Umweltnderungen angestoen wurde.

Abbildung 1.1: Das Prinzip der Interaktionsgestaltung

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Da es sich hier um ein allgemeingltiges Prinzip handelt, sollte besser hinzugefgt werden,dass es bei der Interaktionsgestaltung meist um Interaktionen mit Computern ber Periphe-riegerte (beispielsweise Maus, Tastatur und/oder Touchscreen) geht, die der Navigation imdigitalen Umfeld dienen, was sich wiederum beispielsweise auf die grafische Bildschirmdar-stellung auswirkt.

In einem weiteren Bereich geht es um das Physical Computing und damit um die bertra-gung der Mglichkeiten solcher Computerprogramme, Software oder Systeme und ihrer Er-weiterung bis in die reale Welt hinein. Computer knnen bei Nutzung entsprechender elek-tronischer Bauteile etwas ber ihre Umwelt erfahren und auch physisch darauf einwirken.

In den Bereichen der Interaktionsgestaltung und des Physical Computings braucht man Pro-totypen zur umfassenden Erforschung der Interaktionen. Und das stellte Designstudentenjenseits der technischen Fachbereiche vor nicht unbedeutende Probleme und Hindernisse.

Arduino fr Dummies

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Processing wurde als Projekt 2001 von Casey Reas und Benjamin Fry ins Leben gerufen. Essollte auch Nichtprogrammierer zur Programmierung hinfhren und ihnen schnell undleicht nutzbare Mglichkeiten bieten, mit denen sie Visualisierungen und Grafiken auf denBildschirm bringen konnten. Das Projekt versorgte Benutzer mit einem digitalen Zeichen-block, mit dessen Hilfe sie ihre Ideen und Experimente mit geringem Zeitaufwand festhaltenund ausprobieren konnten. Von diesem Projekt wurde wiederum ein hnliches inspiriert, dasauch Experimente in der realen Welt mglich machte.

Auf denselben Prinzipien wie Processing aufbauend begann Hernando Barragan 2003 mit derEntwicklung der Mikrocontroller-Platine Wiring, bei der es sich um einen Arduino-Vorluferhandelt.

Wie bei Processing sollten auch hier Knstler, Designer und andere Nichttechniker mit einge-bunden und bercksichtigt werden. Wiring sollte seinen Nutzern aber weniger die Program-mierung als die Elektronik nherbringen. Das in Abbildung 1.2 abgebildete Wiring Board warzwar preiswerter als einige andere Mikrocontroller (beispielsweise PIC und BASIC Stamp), frSchler und Studenten aber immer noch eine gewisse Investition.

Abbildung 1.2: Eines der ersten Wiring Boards

In einer Reaktion auf die Nachfrage nach erschwinglichen Gerten, die im Rahmen des Studi-ums der Interaktionsgestaltung leicht in Projekten genutzt werden konnten, wurde 2005 dasArduino-Projekt gestartet. Angeblich sollen Massimo Banzi und David Cuartielles das Projektzwar nach dem italienischen Knig Arduin von Ivrea benannt haben, aber wie mir aus zuver-lssigen Quellen zugetragen wurde, hie auch ein Lokal in der Nhe der Universitt so, dasmglicherweise eine bedeutsamere Rolle fr das Projekt gespielt haben knnte.

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Das Arduino-Projekt konnte in vielerlei Hinsicht von den durch Wiring und Processing erwor-benen Erfahrungen profitieren. Offensichtlich werden die Einflsse von Processing beispiels-weise bei der von der Arduino-Software verwendeten grafischen Benutzeroberflche (GUI Graphical User Interface). Diese GUI wurde anfangs einfach von Processing bernommen.Heute hneln sich die beiden Varianten zwar immer noch, aber die heutige GUI ist schondeutlich spezieller auf Arduino zugeschnitten. Mit der Arduino-GUI werden wir uns in Kapitel4 eingehender befassen.

Arduino hat auch die Processing-Namenskonventionen beibehalten und nennt ProgrammeSketch (Skizze). So wie Processing seinen Benutzern als digitaler Zeichenblock diente, mitdessen Hilfe sie Programme schnell erstellen und testen konnten, bietet Arduino seinen Nut-zern Mglichkeiten, ihre Hardware-Ideen mal eben kurz zu skizzieren. Im weiteren Verlaufdieses Buches werde ich Ihnen viele Sketche vorstellen, mit deren Hilfe Ihr Arduino aueror-dentlich vielfltige Aufgaben erledigen kann. Wenn Sie diese Beispielsketche nutzen und vari-ieren, lernen Sie schnell, wie sie funktionieren, und werden rasch eigene erstellen knnen.Um auch wirklich kein Detail zu vergessen, werden die jeweiligen Sketche und ihre Funkti-onsweise anschlieend zeilenweise erlutert.

Ein Entwicklungsziel der in Abbildung 1.3 dargestellten Arduino-Platine bestand darin, sie ro-buster und fehlertoleranter als Wiring und die anderen lteren Mikrocontroller zu machen.Bisher war es keineswegs ungewhnlich, wenn Studenten und Profis (insbesondere mitknstlerischem oder gestalterischem Hintergrund) ihre Platinen bereits nach wenigen Minu-ten der Nutzung einfach mal eben durch verpolt angeschlossene Leitungen zerstrt hatten.Diese Empfindlichkeit konnte nicht nur wirklich teuer werden, sondern war auch hinsicht-lich des Erfolgs der Platinen auerhalb technischer Kreise problematisch.

Abbildung 1.3: Das ursprngliche Arduino Serial

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Zudem kann der Mikrocontroller-Chip beim Arduino ausgetauscht werden. Da er gesockeltmontiert wird, lsst sich auch nur der Chip anstelle der kompletten Platine wechseln.

Einen weiteren wichtigen Unterschied zwischen Arduino und anderen Mikrocontroller-Plati-nen bilden die Kosten. Der ebenfalls beliebte Mikrocontroller BASIC Stamp kostete 2006 fastdas Vierfache wie ein Arduino. Selbst heute kostet das Wiring Board meist noch etwa das Dop-pelte eines Arduinos, das in der Uno-Variante bei etwa 30 Euro oder auch noch ein wenig da-runter liegt. In einem meiner ersten Arduino-Workshops hie es, dass der Preis fr Studentenerschwinglich sein sollte. Und fr 30 Euro konnte man damals zwischen einem Projekt undeinem netten Essen whlen.

Die Angebotspalette ist heute bei Arduino-Platinen deutlich umfangreicher als 2006. In Kapi-tel 2 werde ich Ihnen einige der ntzlichsten Arduino- und Arduino-kompatiblen Platinenund deren Unterschiede und etliche weitere Produkte vorstellen, die Sie in eigene Projekte in-tegrieren knnen. In Kapitel 13 wird es dann noch um spezielle Aufsteckplatinen (Shields)gehen, mit denen Sie Ihr Arduino um zuweilen ntzliche und manchmal auch beeindrucken-de Funktionen erweitern und es beispielsweise zu einem GPS-Empfnger, einem Geiger-Zh-ler oder sogar einem Mobiltelefon machen knnen.

Lernen durch HandelnMenschen haben die Technologie auf vielfltige Weise genutzt, um eigene Ziele zu verwirkli-chen, ohne sich mit lstigen technologischen Details befassen zu mssen. Nachfolgend werdeich Ihnen einige verwandte Denkanstze vorstellen, die es Interessierten erlauben, sich spiele-risch mit Elektronik auseinanderzusetzen.

PatchingPatching nennt man die Vorgehen