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Labor Automatisierungstechnik Professor Dr. D. Brück Versuch: Arduino Anwendung

Philipp Schorr Arduino Anwendung 1

Labor

Automatisierungstechnik Teilnehmer:

Name: Matrikelnr.:

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Versuch:

Arduino Anwendung



Inhaltsverzeichnis

1. Einleitende Worte ........................................................................................................................... 3

2. Was ist Arduino ............................................................................................................................... 3

2.1 Eigenschaften des Arduino UNO ............................................................................................... 3

3. Versuchsaufbau ............................................................................................................................... 4

4. Vorbereitung zur Durchführung ...................................................................................................... 4

5. Aufgabenstellung ........................................................................................................................... 10

5.1.1 LED Blinklicht ........................................................................................................................ 10

5.1.2 LED Blinklicht ........................................................................................................................ 10

5.1.3 LED Blinklicht ........................................................................................................................ 10

5.1.4 LED Blinklicht ........................................................................................................................ 11

5.1.5 LED Dimmer via PWM .......................................................................................................... 11

5.2 Textausgabe über LCD Display ................................................................................................ 13

5.3 Ansteuern eines Servomotors mittels eines Potentiometers ................................................. 15

5.4 Ansteuern eines Servomotors und Ausgabe via LCD .............................................................. 17

5.5 Funkverbindung via 433 MHz Modul ...................................................................................... 18

6. Anhang ........................................................................................................................................... 20

6.1 Befehlsliste .............................................................................................................................. 20

6.2 Platinenschaltpläne ................................................................................................................. 25

7. Hilfe ............................................................................................................................................... 27

8.Kritik ............................................................................................................................................... 27

9. Abbildungsverzeichins ................................................................................................................... 28



1. Einleitende Worte

Ziel des Versuchs „Arduino Anwendung“ ist es Ihnen die Funktionsweise eines Controllers, hier des

Arduino UNO´s, durch verschiedene praktische Anwendungen näher zu bringen. Des Weiteren ist

eine schriftliche Versuchsausarbeitung zu erstellen. Der entwickelte Programmcode ist kommentiert

in gedruckter Form und auf einer CD-ROM mit abzugeben und wird mitbewertet.

2. Was ist Arduino

Arduino ist eine Physical-Computing Plattform bestehend aus Hard- und Software. Bei der Hardware

handelt es sich um ein Mikrocontrollerboard, das den Namen Arduino trägt, und aus einem

einfachen I/O-Board besteht. Es ist mit analogen und digitalen Ein- und Ausgängen versehen und

verwendet die Programmiersprache Processing in der Entwicklungsumgebung. Hierbei handelt es

sich um eine relativ einfache Version einer Programmiersprache, was die Bedienung und Entwicklung

des Arduino einfach macht. Mit den Softwareanwendungen von Arduino kann die Hardware dazu

genutzt werden, mit Computern zu interagieren.

2.1 Eigenschaften des Arduino UNO

• Microcontrollerboard basierend auf dem Atmega328

• 14 digitale Ein-/Ausgänge incl. 6 PWM Ausgänge

• 6 Analogeingänge

• 16 MHz Ceramic Resonator(Clock Speed)

• USB B (w) Schnittstelle

• Eingangsspannung (empfohlen) 7-12V

• Eingangsspannung (Grenze) 6-20V

• Reset Taster

• Speichervolumen Atmega328 32 kB (davon 0,5 kB für den bootloader)

Abbildung 1 Arduino UNO Quelle: arduino.cc



3. Versuchsaufbau

Der Versuchsaufbau besteht aus zwei Arduino Uno´s: UNO R3 und einem UNO SMD R3 und einer

Reihe von verschiedenen Bauteilen wie z.B. Servomotor SM-S2309S, LCD Anzeige LCD-WH1602B-

TMI, 433MHz Sender, 433MHz Empfänger.

Abbildung 2 Versuchsaufbau

4. Vorbereitung zur Durchführung

Der Versuchsaufbau ist selbstständig aufzubauen und zu Programmieren. Daher wird ein gewisses

Maß an Feingefühl in Bezug auf den Umgang mit der Elektronik erwartet. Sollte ein Bauteil defekt

oder beschädigt sein möchten wir Sie bitten einem Laborbetreuer darüber zu informieren. Vor

Inbetriebnahme des Steckbords bitte einen Betreuer rufen um die Schaltung abnehmen zu lassen.

Desweitern werden Grundkenntnisse in der Programmiersprache C bzw. C++ vorausgesetzt.

Auf den folgenden Seiten ist ein einfaches Beispielprogramm angegeben um Ihnen den

Softwareumgang zu erklären.



Start der Software:

Die genutzte Software Arduino (IDE) 1.6.3 ist eine Freeware, daher ist es Ihnen frei überlassen sich

das Programm auf Ihren eigenen Geräten zu installieren oder die von uns bereitgestellten Rechner zu

nutzten. Die Links finden Sie unter 7. Hilfe.

Nach dem Start der Software erscheint folgendes Fenster:

Abbildung 3 Arduino Software



Als ersten Schritt wählen Sie das richtige Board aus: Arduino UNO

Abbildung 4 Platinenauswahl

Vor dem Hochladen des Programmes sollte es verifiziert werden. Hierzu klicken Sie auf den

entsprechenden Button. Siehe Abbildung 5.

Abbildung 5 Programm verifizieren



Vor dem Upload ihres Programmes muss noch der korrekte Port, an dem der Arduino angeschlossen

ist, ausgewählt werden. Schließen Sie dazu den Arduino mittels USB an den Rechner an.

Anschließend öffnen Sie den Reiter Werkzeuge Port, hier werden mehrere mögliche Ports

angezeigt. Wählen Sie nun den Port mit dem angeschlossenen Arduino UNO aus. Zu erkennen an

dem Text (Arduino UNO).

Abbildung 6 Portauswahl

Nach dem Prüfen der Software durch den „Verifizieren“ Button kann das Programm wird über den

Button „Hochladen“ via USB Kabel auf den Arduino übertragen.

Abbildung 7 Upload



Haben Sie das Programm erfolgreich auf den Arduino übertragen und wollen den seriellen Monitor

öffnen, können Sie das unter Werkzeuge Serieller Monitor.

Abbildung 8 Serieller Monitor



Bitte lesen Sie folgendes Beispielprogramm. Darin werden die ersten Befehle genutzt und erklärt.

Dieses Programm kann auch zu Beginn des Versuches abgetippt werden um die obigen Schritte

nachzuvollziehen.

Beispielprogramm:

Abbildung 9 Beispiel Code



5. Aufgabenstellung

Alle Anschlusspläne zu den verschiedenen Platinen finden Sie im Anhang.

5.1.1 LED Blinklicht

Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO´s und der Platine aus XX Abbildung 10 Platine LED mit

Taster einen Programmcode entwerfen, welches die „Blink LED“ mit dem auf der Platine befindlichen

Taster einschaltet. Die LED soll nur solange angeschaltet bleiben wie der Taster gedrückt ist.

Nutzten Sie dafür den „digitalRead()“-Befehl.

Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit

Taster).


Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO´s und der Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit

Taster einen Programmcode entwerfen, welches die „Blink LED“ mit dem auf der Platine befindlichen

Taster ein- und ausschaltet. Wird der Taster betätigt leuchtet die LED solange bis der Taster erneut

betätigt wird.


Taster).



Taster einen Programmcode entwerfen, welches den Morsecode von „HTW“ ausgibt. Das Signal setzt

sich wie folgt zusammen: …. - .--. Ein Punkt ist ein kurzes Blinken und ein Strich ein langes

Blinken.

Ein kurzes Blinken kann z.B. 200ms high und 400ms low sein, ein langes Blinken entsprechend 800ms

high und ebenfalls 400ms low.


Taster).





Taster einen Programmcode entwerfen, welches das Programm aus Aufgabenstellung 5.1.3 um einen

„Start“ Taster erweitert. Ist der Code komplett übermittelt wird wieder auf eine Eingabe gewartet.


Taster).

5.1.5 LED Dimmer via PWM

Der Anwender soll mit Hilfe der integrierten Pulsweitenmodulation des Controllers eine LED

stufenweise Dimmen. Dies soll erst nach dem Betätigen eines Tasters ausgeführt werden. Die LED

soll dabei mindestens 3 Helligkeitsstufen annehmen. Verwenden Sie hierzu die Platine aus Abbildung

10 Platine LED mit Taster.


Taster).

Hilfestellung:

Zur Ansteuerung eines Pins mit der Pulsweitenmodulation wird der „analogWrite()“ Befehl benutzt.

Der Wertebereich der PWM ist zwischen 0 und 255. Der Wert 255 ist hierbei die größte

Aussteuerung und somit leuchtet die LED am hellsten.

Beispiel:

analogWrite(PinNummer, Wert); // je größer Wert wird desto heller leuchtet die LED



Aufbau:

Abbildung 10 Platine LED mit Taster

Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster

Betriebsbereitschaft Blink LED (Pin 9)

Taster (Pin 11)

220 Ω

Taster

Kathode

(abgeflachte

Seite der LED)

Anode



5.2 Textausgabe über LCD Display

Der Benutzer soll mit Hilfe des Controllers eine Textausgabe auf einem LCD Display mit 16 Zeichen

auf 2 Zeilen realisieren. Zur Kontraststeuerung soll ein 10kΩ Potentiometer genutzt werden. Des

Weiteren soll ein Taster verwendet werden, der als Start Taster dienen soll. Nutzten Sie hierfür bitte

die Platine aus Abbildung 12 Platine LCD Display und schieben Sie den Schalter in die Taster-Position

(in Richtig des Tasters).

Funktion:

• Textausgabe über ein LCD Bildschirm statisch und fließend

• Nutzten beider Zeilen

• Aktivieren des Cursors (Blinken)

• Deaktivieren des Cursors (Blinken)

• Bei Betätigung eines Taster Textausgabe beginnen

• Eine wechselnde Textausgabe während des laufenden Programms

Prinzipieller Programmablauf:

1. Text:

2. Taster betätigen

3. Text:

4. Text:

5. Text:

Taster zum Start

betaetigen!

HTW IngWi

Arduino UNO (Cursor blinken)

Arduino

Anwendung (Cursor blinken stop)

Taster zum Start

betaetigen!



Aufbau:

Abbildung 12 Platine LCD Display

Schalter

Kontrasteinstellung LCD

Taster



5.3 Ansteuern eines Servomotors mittels eines Potentiometers

Der Benutzer soll mittels des Arduinos einen Servomotor ansteuern. Dazu soll ein 10kΩ

Potentiometer genutzt werden. Der Servomotor soll durch Verändern der Potentiometereinstellung

angesteuert werden. Schieben Sie zur Nutzung des Servomotors den Schalter auf der auf Abbildung

13 Platine Ansteuerung Servomotor dargestellten Platine in Richtung des Anschlusses des

Servomotors. Bitte beachten Sie, dass die beiden Endpunkte des Servo nicht dauerhaft angefahren

werden.

Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 14 Schaltung

Servomotor).

Funktion:

• Ansteuern eines Servomotors via Spanungsteiler durch ein Potentiometer.

• Analoges Einlesen des Spannungsteilerwertes des Potentiometers mit A0 Werte zwischen 0

und 1024

• Normieren dieses Wertes (0-180) mittels „map()“ Befehl

• Ansteuern des Servomotors über Pin 9 mit dem normierten Wert

• Serielle Ausgabe aller Werte auf dem Host-Rechner mittels USB

Aufbau:

Abbildung 13 Platine Ansteuerung Servomotor

Schalter

Ansteuerung des Servomotors

Anschluss Servomotor



Abbildung 14 Schaltung Servomotor

100μF 100μF



5.4 Ansteuern eines Servomotors und Ausgabe via LCD

Der Benutzer soll wie in Aufgabe 5.3 und 5.4 einen Servomotor und ein LCD Display mittels Arduino

ansteuern. An dem Servomotor ist eine Messnadel befestigt welche die aktuell eingestellte Gradzahl

anzeigt. Auf dem Display soll einerseits der eingestellte Potiwert als auch der angezeigte Winkel

ausgegeben werden. Schieben Sie zur Nutzung des Servos den Schalter in Richtung des Anschlusses

des Servomotors. Bitte beachten Sie, dass die beiden Endpunkte des Servomotors nicht dauerhaft

angefahren werden.

Funktion:

• Ansteuern eines Servomotors via Spanungsteiler durch ein Potentiometer.

• Analoges Einlesen des Spannungsteilerwertes des Potentiometers als Integerwert mit A0

• Normieren dieses Integerwertes (0-180)

• Ansteuern des Servomotors über Pin 9 mit dem normierten Wert

• Serielle Ausgabe aller Werte auf dem Host-Rechner via USB

• Ausgabe des Winkels des Balkens auf ein Grad genau über das LCD

Prinzipielle Ausgabe via LCD:

Aufbau:

Abbildung 15 Platine LCD mit Servomotor

Potiwert: 363

Winkel: +50

Schalter

Ansteuerung des Servomotors

Anschluss Servomotor

Kontrasteinstellung LCD



5.5 Funkverbindung via 433 MHz Modul

Der Anwender soll mithilfe der drei Taster verschiedene Nachrichten von einem Arduino auf einen

anderen übertragen und anschließend via Serielle Ausgabe ausgeben. Dazu soll die Platine aus

Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender genutzt werden. Der Empfänger soll wie in Abbildung

17 Schaltung Funkmodul Empfänger aufgebaut werden. Die Funkverbindung wird mit Hilfe der

„Virtual Wire“ Bibliothek umgesetzt, welche auf dem Rechner im Labor vorinstalliert ist. Falls Sie

ihren eigenen Laptop nutzten möchten können Sie die Bibliothek via USB Stick hier im Labor

bekommen.

Funktion:

• Aufbau einer Funkverbindung zwischen zwei Arduino UNO´s

• Bau einer Antenne passend zur Frequenz (433 MHz)

• Senden von einfachen String´s durch Drücken des entsprechenden Tasters

• Ausgabe der empfangenen Daten über die serielle Schnittstelle des Controllers

Beispielablauf:

• Taster eins gedrückt: es wird der Text „AMS“ gesendet.

• Serieller Monitor Sender: gesendet: AMS

• Serieller Monitor Empfänger: empfangen: AMS

• Kein Taster gedrückt: es wird der Text „none“ gesendet

• Serieller Monitor Sender: gesendet: none

• Serieller Monitor Empfänger: empfangen: none



Aufbau:

Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender

Abbildung 17 Schaltung Funkmodul Empfänger

433 MHz Sender

GND

VCC+ 5V DATA

433 MHz Empfänger



6. Anhang

6.1 Befehlsliste

LCD Anzeige:

LiquidCrystal.h

//benötigte Library für die Verwendung des LCD

LiquidCrystal Name_der_Anzeige(12, 11, 5, 4, 3, 2);

//Pins dienen der Kommunikation mit dem Controller entsprechend des Versuchsaufbaus

angegeben

***.begin(Stellen, Zeilen);

//Größe des Display angeben (Stellen, Zeilen)

***.clear();

//Leeren des LCD Displays

***.setCursor(Stelle, Zeile);

//Cursor des LC Display auf eine beliebige Stelle des Displays setzten (Stelle,Zeile)

***.print("Hello!");

//Textausgabe über das LCD Display



Cursor:

***.blink();

//Blinken des Cursors einschalten

***.noBlink();

//Blinken des Cursors ausblenden

Servomotor:

Servo.h

//benötigte Library für die Verwendung des Servomotors

Servo Name_des_Servos

//anlegen eines Servomotors

***.attach(PinNummer);

//legt fest an welchen Pin des Controllers das Steuerkabel des Servos innehat.

***.write(***);

//Befehl der die Steuerspannung liest und umsetzt.



In- und Outputbefehle:

pinMode(PinNummer);

//Angabe ob Pin als Ein- oder Ausgang verwendet wird.

analogRead(PinNummer);

//lesen des Analogwertes am Pin A0.

analogWrite(PinNummer, Wert);

//ausgeben eines analogen Wertes auf einen Pin

digitalRead(PinNummer);

//lesen des logischen Zustands des Pins HIGH oder LOW

digitalWrite(PinNummer, Zustand);

// Pin auf HIGH oder LOW setzten

Serielle Ausgabe:

Serial.begin(9600);

//Aufbau einer seriellen Verbindung zwischen Controller und dem Computer via USB.

//9600 entspricht dabei der Datenübertragungsgeschwindigkeit in bps (bit per second).

//Aufruf des seriellen Monitors ist mit der Tastenkombination Strg+Shift+m möglich.



Serial.print("Text");

//dient der Ausgabe von z.B. Text und Variablen über den seriellen Monitor.

Serial.println("Text");

//gibt den Text oder Variable aus und beginnt danach eine neue Zeile auf dem seriellen Monitor

Funkmodul via Virtual Wire Library

vw_set_tx_pin(transmitt_pin);

//angeben des Transmitter Pins

vw_set_rx_pin(recive_pin);

//angeben des Empfänger Pins

vw_setup(2000);

//Anfang der Nutzung aller Einstellungen und Initialisierung der Library (Sender und Empfänger)

vw_send(message, length);

//Senden einer Nachricht. „message“ ist ein Array aus zu sendenden Bytes und „length“ ist die

Anzahl der Bytes im Array. Die Nachricht wird via eines Interrupts gesteuerten Hintergrundprozess

gesendet.



vw_wait_tx()

// True wenn eine Nachricht empfangen wurde

vw_rx_start();

//aktiviert den Empfängerprozess.

vw_get_message(message, &messageLength);

/lesen der zuletzt empfangenen Nachricht

Library einbinden:

#include <Library.h>

//einbinden einer Library analog zu C bzw. C++

Aritmethik:

map(***)

//die Inputwerte (hier 0 bis 1023 des Potentiometers) auf eine neue Skalierung bringen.



6.2 Platinenschaltpläne

Flachbandkabel Protoshield:

(~bedeutet PWM fähiger Pin; Pin 1 ist mit einem Pfeil markiert)

Platine LED Blinker mit Taster:

5V

GND

A0

D2

D3 ~

D4

D5 ~

D9 ~

D11 ~

D12

Abbildung 18 Anschluss Protoshield

5V

GND

A0

D2

D3 ~

D4

D5 ~

D9 ~

D11 ~

D12

N/A

N/A

LED

Taster

N/A

5V

GND

N/A

N/A

N/A

Abbildung 19 Anschluss Platine LED Blinker mit Taster



Platine LCD Servomotor:

(D9 wird durch den Schalter auf der Platine umgeschaltet.)

Platine 433 MHz Sender mit Tastern:

5V

GND

A0

D2

D3 ~

D4

D5 ~

D9 ~

D11 ~

D12

LCD

LCD

Servomotor/Taster

D11 ~

D12

5V

GND

Pot. Servo

LCD

LCD

5V

GND

A0

D2

D3 ~

D4

D5 ~

D9 ~

D11 ~

D12

Taster

N/A

TX

N/A

N/A

5V

GND

N/A

Taster

Taster

Abbildung 20 Anschluss Platine LCD und Servomotor

Abbildung 21 Anschluss Platine Sender mit Taster



7. Hilfe

Weiter Befehle sind zu finden unter: http://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage .

Der Versuch ist auch auf dem eigenen Gerät möglich. Hierzu brauchen Sie nur die Arduino Software

(IDE). Diese finden Sie unter: https://www.arduino.cc/en/Main/Software .

Die Bibliothek für die Funkverbindung ist auf den Rechnern bzw. auf einem USB-Stick hier im Labor

gespeichert.

Diese ist unter „C:\Program Files (x86)\Arduino\libraries“ als entpackter Ordner zu hinterlegen.

8.Kritik

Bitte fügen Sie Ihrer Ausarbeitung auch konstruktive Kritik zum Versuch bei. Dies beinhaltet den

Aufbau an sich als auch die Anleitung und Aufgabenstellungen. Vielen Dank.

http://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage

https://www.arduino.cc/en/Main/Software



9. Abbildungsverzeichins

Abbildung 1 Arduino UNO ....................................................................................................................... 3

Abbildung 2 Versuchsaufbau ................................................................................................................... 4

Abbildung 3 Arduino Software ................................................................................................................ 5

Abbildung 4 Platinenauswahl .................................................................................................................. 6

Abbildung 5 Programm verifizieren ........................................................................................................ 6

Abbildung 6 Portauswahl ........................................................................................................................ 7

Abbildung 7 Upload ................................................................................................................................. 7

Abbildung 8 Serieller Monitor ................................................................................................................. 8

Abbildung 9 Beispiel Code ....................................................................................................................... 9

Abbildung 10 Platine LED mit Taster ..................................................................................................... 12

Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster ................................................................................................ 12

Abbildung 12 Platine LCD Display .......................................................................................................... 14

Abbildung 13 Platine Ansteuerung Servomotor.................................................................................... 15

Abbildung 14 Schaltung Servomotor ..................................................................................................... 16

Abbildung 15 Platine LCD mit Servomotor ............................................................................................ 17

Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender ...................................................................................... 19

Abbildung 17 Schaltung Funkmodul Empfänger ................................................................................... 19

Abbildung 18 Anschluss Protoshield ..................................................................................................... 25

Abbildung 19 Anschluss Platine LED Blinker mit Taster ........................................................................ 25

Abbildung 20 Anschluss Platine LCD und Servomotor .......................................................................... 26

Abbildung 21 Anschluss Platine Sender mit Taster ............................................................................... 26

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