Bartmann Mit Arduino die elektronische Welt entdecken

4., komplett überarbeitete Neuauflage des Arduino-Bestsellers
1. Auflage 2021
ISBN: 978-3-946496-29-8
Verlag: Bombini Verlags GmbH
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 888 Seiten

Der Arduino-Mikrocontroller ist aus der Elektronikwelt nicht mehr wegzudenken, er hat sich zu einem Standard im Hobbybereich entwickelt. In unzähligen Projekten kommt das Arduino-Board zum Einsatz, Hunderttausende von ausgereiften Softwarelösungen stehen für jeden zugänglich und unter freier Lizenz zur Verfügung. Der Arduino ist leicht zu programmieren. Preiswerte elektronische Bauteile wie LCDs, Sensoren und Motoren können an das Arduino-Board angeschlossen und damit gesteuert werden. Mit 'Arduino die elektronische Welt entdecken' führt den Leser in die faszinierende Welt der Elektronik und Programmierung ein. Die Hardware wird leicht verständlich dargestellt und die Programmierung des Mikrocontrollers Schritt für Schritt grundsätzlich erklärt. Herzstück des Buches sind 48 detailliert beschriebene Arduino-Bastelprojekte, wobei sich die Komplexität von Projekt zu Projekt steigert. In jedem Bastelprojekt wird ein neues Grundlagenthema behandelt, neue Hardware wird eingeführt und neue Programmierkniffe und -werkzeuge werden vorgestellt. Jedes Bastelprojekt ist mit zahlreichen Fotos und Abbildungen illustriert und kann Schritt für Schritt nachgebaut werden. Alle verwendeten Bauteile werden genau erklärt und in ihrer prinzipiellen Funktionsweise vorgestellt. Die Bastelprojekte können beliebig erweitert und für andere Zwecke angepasst werden. Generationen von Hobbybastlern haben mit Erik Bartmanns Bestsellerbuch bereits die Arduino-Programmierung gelernt. In der komplett überarbeiteten 4. Neuauflage des Arduino-Standardwerkes wurden neue Bauteile wie der ESP32 oder LoRaWAN aufgenommen und neue Entwicklerwerkzeuge wie Node-RED, KiCad und MQTT behandelt.

Erik Bartmann absolvierte eine Ausbildung zum Informationselektroniker und später zum Luftfahrzeugelektroniker in der Bundeswehr. Anschließender Besuch der Technikerschule für Elektrotechnik mit Schwerpunkt Datenverarbeitung in Köln. Durch sein recht frühes Interesse an Elektronik bzw. Computer der ersten Stunde (z.B. Commodore CBM 3032, C64und Apple II) wurden die Weichen für die Zukunft gestellt. Er arbeitet heute als Software- bzw. Datenbankentwickler in Europas führenden IT-Infrastrukturdienstleister. Weitere Informationen zu seiner Person sind unter seiner Internetseite www.erik-bartmann.de zu finden.

Autoren/Hrsg.

Bartmann, Erik

Leseproben

Einleitung

Arduino für alle

Als ich mein erstes Buch über Arduino schrieb, gab es zwei oder drei Händler in Deutschland, über die man das Arduino-Board beziehen konnte, und ungefähr 800 Videos wurden bei YouTube aufgelistet, wenn man das Suchwort Arduino eingab. Für Elektronikprofis war dieser Mikrocontroller kaum ein Thema und wenn, dann belächelten sie eher seine Leistungsfähigkeit.

Die Arduino-Entwickler, die sich 2005 in der italienischen Kunst-Uni Ivrea ans Werk machten, einen leicht zu programmierenden Mikrocontroller zu entwerfen, hatten nicht den Elektronikprofi im Visier, sondern den Kunststudenten mit wenig Programmier- und Hardwarekenntnissen. Ihr Fokus lag dabei auf dem schnellen Realisieren von Ideen, dem Prototyping: eine künstlerische Idee, die der Student ohne Unterstützung von Ingenieuren und Programmierern selbst realisieren konnte.

Der Layoutfehler, der Geschichte machte

Die Arduino-Macher, allesamt keine Hardwarespezialisten, stellten den ersten Arduino-Mikrocontroller, den Arduino Uno, unter eine freie Hardwarelizenz, wobei sie die Erfahrungen der Open-Source-Bewegung auf die Hardwarewelt übertrugen. Sie legten die Schaltpläne offen, so dass jedermann frei darin war, das Board nach- oder umzubauen. Und die Arduino-Programmierumgebung – oder auch IDE genannt (Integrated Development Environment) – stellten sie ebenfalls unter eine Open-Source-Lizenz, jeder konnte die Software frei nutzen.

Bald schon wurde das Arduino-Board nicht nur von Studenten der italienischen Uni genutzt, sondern entwickelte sich zu einer praktischen Prototyping-Plattform, erst für Elektronik-Nerds, dann für Hobbyisten auf der ganzen Welt. Wesentlich beigetragen zur erfolgreichen Verbreitung dieser Plattform hat das Internet, das es ermöglichte, Schaltungen und dazugehörige Softwareprogramme leicht zu verbreiten – und Dank der freien Lizenz – auch nutzbar für alle zu machen. Ein riesiger weltweiter Pool von Ideen entstand, entwickelt von Hobbyisten, die stolz einer weltweiten Community ihre Projekte vorstellten. Projektideen wurden von irgendjemandem auf der Welt übernommen, vielleicht sogar verbessert und wieder ins Netz gestellt.

In den Folgejahren entwickelten sich der Arduino und seine Entwicklungsumgebung zu einem Quasistandard in der weltweiten Bastlerwelt. Eine neue, leicht zugängliche Plattform für E-Bastler war entstanden. Das blieb auch nicht den großen Hardwareproduzenten verborgen, die registriert hatten, dass zunehmend der Arduino für alle möglichen Steuerungs- und Messaufgaben eingesetzt wurde. Um die Möglichkeiten des Arduino-Boards zu erweitern, wurden Ergänzungsplatinen, die genau auf den Arduino Uno passten, sogenannte Shields, entwickelt.

Spätestens zu dem Zeitpunkt, als einer der größten Produzenten von Hardware seine Entwicklungsabteilung anwies, zukünftig das Layout des Arduino-Boards als Basis für ihre Hardware anzusehen, war klar, dass der Arduino aus der Technikwelt nicht mehr wegzudenken war. Kleine Anekdote am Rande: Wie schon gesagt, die Arduino-Entwickler waren zu Beginn noch keine Hardwarespezialisten, so dass sie leider einen Layoutfehler in das Arduino-Uno-Board einbauten. Um kompatibel mit dem Quasistandard zu bleiben, übernahm der namhafte weltweite Hersteller brav diesen Layoutfehler. Bis heute.

Von den Segnungen des Copy&Paste – und seinen Beschränkungen

Als ich mein erstes Arduino-Buch plante, fragte ich mich, was ein Bastler vor allem braucht, um mit dem Arduino eigene Projekte zu realisieren. Es war ja schon zu diesem Zeitpunkt möglich, sich über das Internet und über die gerade entstehenden Arduino-Communities und -foren lauffähige Programme zu besorgen, sie auf den eigenen Arduino hochzuladen und schon lief das Projekt auch in heimischer Umgebung, vielleicht noch versehen mit ein paar gezielten Eingriffen in den Code. Musste zusätzliche Hardware verbaut werden, orientierte man sich beim Nachbau an der Schaltung.

Was also sollte ein Buch über den Arduino noch enthalten außer der Beschreibung des Boards und der Entwicklungsumgebung und wie man die Programme vom PC auf den Mikrocontroller bekommt? Was passiert, wenn man eine Schaltung nachgebaut hat und sie dann erweitern möchte? Um einen guten konzeptionellen Ansatz für mein Buch zu finden, fragte ich mich, was mir am meisten dabei geholfen hat, eigene Elektronikprojekte zu bauen. Die Antwort war simpel und ernüchternd: Mir haben meine Grundkenntnisse in Elektrotechnik dabei geholfen, aus Ideen funktionierende Technikprojekte zu machen.

Ich finde es absolut beeindruckend, dass Menschen, die nichts mitbringen außer Bastellust, mit dem Arduino bereits nach einer halben Stunde eine Ampelschaltung auf dem Steckbrett betreiben können, ohne jemals zuvor einen Mikrocontroller in der Hand gehalten oder eine Zeile Code geschrieben zu haben. Es reicht dazu ein YouTube-Video und vielleicht noch eine Schritt-für-Schritt-Beschreibung, schon blinken die LEDs im gewünschten Ampelschaltungsrhythmus auf dem Schreibtisch zu Hause. Vielleicht hat man dann noch Spaß daran, den Rhythmus abzuändern, indem man im Code an der entsprechenden Stelle, die leicht zu finden ist, herumtüftelt – das war es dann aber auch schon. Um mehr daraus zu machen, braucht man ein paar Grundkenntnisse der Elektronik und der Elektrotechnik. Deshalb habe ich dieses Buch geschrieben.

Wie ich mein Buch aufgebaut habe

Zunächst finde ich wichtig, dir möglichst viel über die Hardware und Software von Arduino mitzuteilen, damit du die gesamte Klaviatur kennenlernst, auf der hier gespielt wird. In Kapitel 1, »Arduino: Die Hardware«, stelle ich dir ziemlich detailliert das Arduino-Board mit allen Bauteilen, der Stromversorgung und den Schnittstellen vor. Daneben gibt’s eine Auffrischung einiger physikalischer Grundbegriffe, die bei der Mikroelektronik eine Rolle spielen. Kannst du lesen, musst du aber nicht. In Kapitel 2, »Arduino: Die Software«, lernst du, das Board zu kontrollieren. Du erfährst, wie der Workflow zwischen PC oder Notebook und dem Arduino-Board abläuft und wie der Arduino-Code aufgebaut ist, um den Mikrocontroller steuern zu können.

In Kapitel 3, »Keine Angst vorm Programmieren – Coding Basics«, bekommst du eine geballte Packung Basic-Wissen übers Programmieren präsentiert. Auch dieses Kapitel geht wie die vorherigen Kapitel manchmal sehr in die Tiefe, aber im Zweifelsfall gilt auch hier: Kannst du lesen, musst du jetzt aber nicht. Ich empfehle dir, die ersten Kapitel als eine Art Referenzkapitel anzusehen, auf die du später im Buch – oder sogar später bei deinen eigenen Arduino-Bastelprojekten – zugreifen kannst, wenn du etwas genauer wissen möchtest.

In Kapitel 4, »Das Arduino-Discoveryboard«, stelle ich dir ein von mir entwickeltes Entwickler-Board vor. Ich habe auf einer Platine Standardelektronikbauteile verbaut, die bei den Arduino-Bastelprojekten ständig gebraucht werden. Die Bauteile habe ich auf der Platine fest verlötet, so dass ich nur noch den Arduino anschließen muss und die Projekte dann durchführen kann. Der Vorteil? Die lästige Wurschtelei auf dem Breadboard entfällt weitestgehend und der Schaltungsaufbau ist übersichtlicher. Du kannst das Arduino Discoveryboard nachbauen, dabei kannst du dich gleich im Löten üben.

Und dann geht es endlich los mit den Arduino-Bastelprojekten und deiner Bastelleidenschaft! Die Projekte fangen sehr leicht an, aber das ändert sich recht schnell, sie werden von Projekt zu Projekt komplexer. An den Stellen, an denen Grundlagenwissen notwendig ist, streue ich Texte ein, die das Bastelprojekt etwas theoretischer beleuchten. So wächst hoffentlich von Projekt zu Projekt auch dein Elektronikgrundwissen, so dass du schon bald in der Lage sein wirst, meine Projekte abzuändern oder sogar ganz eigene Bastelprojekte zu entwickeln.

Wie ich die Bastelprojekte gestaltet habe

Wie schon erwähnt, bauen die Bastelprojekte aufeinander auf. Was du in einem Projekt gelernt hast, kannst und sollst du auch in den Folgeprojekten anwenden. Benötigst du Grundlagenwissen, dann präsentiere ich es an der Stelle, an der es benötigt wird. Die Projekte haben alle einen ähnlichen Aufbau.

• Codeanalyse: Schritt für Schritt gehe ich den Programmiercode durch und erkläre genau jeden Aspekt des Programms.

• Schaltplan: Der Schaltplan ist die schematische Darstellung des Bastelprojektes, sozusagen der Bauplan.

• Schaltungsaufbau: Wie die Schaltung dann auf einem Breadboard aufgesteckt oder auf einer Platine aufgelötet aussieht, das stelle ich mit Fotos dar.

• Troubleshooting: Die systematische Fehlersuche ist IMHO eine der besonderen Fertigkeiten, die ich gern jedem angehenden E-Bastler nahebringen möchte. Deshalb habe ich sie zum festen Bestandteil meiner Bastelprojekte gemacht.

• Benötigte Bauteile: Ich gebe dir einen Überblick über die in diesem Bastelprojekt benötigten Bauteile. So kannst du auf einen Blick feststellen, ob dir die Bauteile bereits vorliegen.

• Programmcode: Der für die Bastelprojekte verwendete Programmiercode wird vorgestellt, manchmal in kleinen Häppchen.

Gelegentlich biete ich Quick-and-Dirty-Lösungen an, die auf den ersten Blick etwas umständlich erscheinen mögen. Anschließend folgt eine verbesserte Variante, was als Anregung dienen soll, nach weiteren Lösungsmöglichkeiten zu suchen und – im Idealfall – eigene Lösungen zu entwerfen. Wenn das geschieht, habe ich genau das erreicht, was ich beabsichtigt habe. Falls nicht, auch gut. Jeder geht seinen eigenen Weg und kommt irgendwann ans Ziel.

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Über Autor(innen)

Erik Bartmann absolvierte eine Ausbildung zum Informationselektroniker und später zum Luftfahrzeugelektroniker in der Bundeswehr. Anschließender Besuch der Technikerschule für Elektrotechnik mit Schwerpunkt Datenverarbeitung in Köln. Durch sein recht frühes Interesse an Elektronik bzw. Computer der ersten Stunde (z.B. Commodore CBM 3032, C64und Apple II) wurden die Weichen für die Zukunft gestellt. Er arbeitet heute als Software- bzw. Datenbankentwickler in Europas führenden IT-Infrastrukturdienstleister. Weitere Informationen zu seiner Person sind unter seiner Internetseite www.erik-bartmann.de zu finden.