Brühlmann Sensoren im Einsatz mit Arduino

1. Auflage 2017
ISBN: 978-3-95845-152-0
Verlag: mitp Verlags GmbH & Co.KG
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 352 Seiten

Reihe: mitp Professional

Praktische Beschreibung zahlreicher Sensoren: von Temperatur- über Infrarot-, Farb- und Ultraschallsensoren bis hin zum Einsatz von Kompass, GPS-Modul und Kamera
Beispielprojekte aus den Bereichen Hausautomation, Mensch und Umwelt: Infrarot-Fernbedienung, Überwachungskamera, Bewegungsalarm, Strommesser uvm.
Daten übertragen, in Datenbanken speichern und mit LEDs und LCDs anzeigen

Dieses Buch bietet einen praktischen Einstieg in die faszinierende Welt der Sensoren, die zusammen mit dem Arduino eingesetzt werden können. So kann der Arduino auf seine Umgebung reagieren und zahlreiche Werte erfassen, die vom Arduino-Board weiterverarbeitet und dargestellt werden können.
Die vielen Beispielprojekte richten sich an Einsteiger, die bereits etwas Erfahrung mit dem Arduino-Board gesammelt haben und nun neue Anwendungen realisieren wollen. Mit den im Handel erhältlichen Sensoren, ein paar Erweiterungsplatinen und etwas Fantasie können Sie sich ein eigenes Netzwerk an Sensoren zur Erfassung Ihrer Umwelt aufbauen.
Thomas Brühlmann zeigt Ihnen zahlreiche Sensoren und Beispielanwendungen zum Messen, Erfassen und Verarbeiten von Daten – immer detailliert mit Stückliste, Steckbrettaufbau und Beispielcode – zu den Themen Mensch & Umwelt sowie Haus & Hof, wie z.B.:
Temperatur, Licht, Farbe und Bild: Temperatur-, Infrarot-, Farb- und UV-Sensoren, lichtabhängiger Widerstand (LDR) sowie Einsatz einer Kamera
Distanz und Bewegung: Ultraschall-, PIR-, Piezo- und Tilt-Sensoren
Kräfte messen mit Flex- und druckempfindlichen Force-Sensoren
Ort erfassen mit Kompass und GPS-Modul
Einsatz von Gas- und Alkohol-Sensoren
Elektrische Phänomene wie Strom und elektrische Spannung messen und Einsatz eines Hall-Sensors
Haus und Garten: Temperatur und Luftfeuchtigkeit mit Umweltsensoren sowie Bodenfeuchte, Geräusche und Stromverbrauch messen
Mensch: Herzschlag und Hautwiderstand messen
Datenübertragung: seriell, drahtlos mit RF-Modul und über Bluetooth
Daten anzeigen mit LEDs und LCDs
Daten speichern: SD-Karte, EEPROM und lokale IoT-Datenbank mit MySQL-Datenbank
Einsatz eines Sensor-Shields und Sensor-Boards
Mit dem Wissen aus diesem Praxis-Handbuch können Sie Ihre eigenen Ideen kreativ umsetzen.

Projekte aus dem Buch:
Nachtlampe mit LDR
Infrarot-Fernbedienung
UV-Index-Monitor
Überwachungskamera
Abstandsmesser für Garage und Garagentor-Wächter
Süßigkeitenschrank-Wächter
Touch-Keyboards
Digitaler Kompass mit LED-Anzeige
Alkohol-Messgerät
Überwachungskontakt mit Hall-Sensor
Fensterkontakt überwachen
Lügendetektor
Fernsteuerung
Umweltdaten sammeln, an Webserver senden und Daten erfassen mit PHP
Sensordaten als Liniengrafik darstellen

Zielgruppe

Maker und Bastler, Einsteiger und Fortgeschrittene

Autoren/Hrsg.

Brühlmann, Thomas

Leseproben

Kapitel 1: Arduino-Plattform
Das Arduino-Projekt hat sich aus einem internen Universitätsprojekt zu einer weltweit verbreiteten Plattform für die Ausbildung und den Hobbybereich entwickelt. Seit dem Start des Projekts vor über zehn Jahren ist der Begriff »Arduino« quasi der Startschuss für den immer noch anwährenden Maker-Boom. Makerspaces, Vereine und Einrichtungen für Ausbildung und Hobby bieten Kurse und Workshops an. Tausende von Bastlern haben ihre Projekte online dokumentiert oder bieten Video-Anleitungen auf bekannten Streaming-Plattformen an. Mit Recht kann man sagen, dass das Arduino-Projekt-Team mit seinem kleinen Board bei vielen jungen Menschen das Interesse für das Thema Technik geweckt hat. Seit dem ersten Arduino-Board sind etliche neue Modelle auf den Markt gekommen. Einige Modelle haben sich nicht durchgesetzt, andere haben sich zum Standard entwickelt. Im Herbst 2016 haben sich die Mitglieder des Kern-Teams des Arduino-Projekts nach einem über zwei Jahre dauernden Clinch wieder versöhnt. An der World Maker Faire in New York wurde die Wiedervereinigung bekannt gegeben und bis Ende 2016 soll eine gemeinnützige Arduino-Foundation gegründet werden. Dank der vielen Bastler, Maker und Programmierer entstehen laufend neue Projekte, Bibliotheken und Funktionen für das Arduino-Board, die anschließend von den Anwendern weltweit verwendet werden. 1.1  Das Arduino-Board
Das Arduino-Board ist eine Leiterplatte mit aufgelöteten elektronischen Bauteilen. Die zentrale Komponente oder das Gehirn des Boards ist der schwarze Baustein oder »Chip«, der Microcontroller. Der Microcontroller führt die Arduino-Programme, Sketche genannt, aus und verarbeitet die Eingangs- und Ausgangssignale. Das auf den Arduino hochgeladene Programm wird im internen Flash-Speicher gespeichert. Das Arduino-Board wird über den USB-Anschluss oder über ein externes Netzgerät mit Spannung versorgt. Arduino Uno https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno In Abbildung 1.1 ist das Standardboard der Arduino-Baureihe, Arduino Uno genannt, zu sehen. Abb. 1.1: Arduino Uno (Quelle: arduino.cc) Das Modell Arduino Uno, Rev. 3 ist momentan das Standard-Board und wird als Basis für die Experimente und Projekte in diesem Buch eingesetzt. Auf dem Arduino Uno sind verschiedene Stecker und Anschlussbuchsen montiert, die unterschiedliche Funktionen ausführen. Abb. 1.2: Arduino Uno – Anschlussmöglichkeiten Die rot markierten Anschlussmöglichkeiten aus Abbildung 1.2 haben folgende Funktionen: Stecker für Stromversorgung Der 2,1-mm-Anschluss, in der Praxis auch Jack-Adapter genannt, dient zum Anschluss eines externen Netzgeräts oder einer Batterie zur Stromversorgung. Erfolgt die Spannungsversorgung über diesen Anschluss, wird die Stromversorgung über den USB-Anschluss elektronisch deaktiviert. Falls zusätzliche Energie für die Versorgung von angeschlossenen Sensoren, Motoren oder Relais benötigt wird, empfiehlt sich der Einsatz der Spannungsversorgung über diesen Stecker. USB-Anschluss USB-Anschluss (Typ B) für die Kommunikation des Arduino-Boards mit dem angeschlossenen Rechner. Über den USB-Anschluss wird ein Arduino-Programm auf das Arduino-Board geladen. Gleichzeitig kann über diesen Anschluss das Board mit Spannung versorgt werden. Reset-Taster Durch Betätigung des Reset-Tasters kann der Microcontroller auf dem Arduino-Board zurückgesetzt werden. Digitale Ein/Ausgänge D0 bis D13 Über die obere Reihe der Buchsenleisten können die digitalen Ein- und Ausgänge D0 bis D13 angesteuert werden. ICSP Die 6-polige Stiftleiste mit der Bezeichnung ICSP (In-Circuit Serial Programming) wird für die Programmierung mit einem externen Programmieradapter verwendet. Analoge Eingänge A0 bis A5 Buchsenleiste für den Anschluss von sechs analogen Eingangssignalen. Die Eingangssignale dürfen im Bereich von 0 bis 5 Volt liegen. Power-Signale Buchsenleiste mit den Spannungsversorgungen 3,3 V und 5 V. Über diese Buchsenleiste werden meistens die externen Sensoren und Schaltungen auf dem Steckbrett mit Spannung versorgt. Die technischen Daten des Arduino-Boards sind in der nachfolgenden Tabelle 1.1 aufgelistet. Bezeichnung Detaildaten Microcontroller ATmega328 Spannungsversorgung 6–20 VDC (empfohlen 7–12 VDC) Betriebsspannung 5 VDC und 3,3 VDC (intern über Spannungsregler generiert) Digitale Ein-/Ausgänge 14 (D0–D13, davon 6 als PWM-Ausgänge) Analoge Eingänge 6 (A0–A5), Auflösung 10 Bit Strom pro digitalem Pin 20 mA DC Flash Memory 32 KB (ATmega328), wobei 0,5 KB vom Bootloader belegt werden SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Taktfrequenz 16 MHz USB-Schnittstelle ja Resetschalter ja Onboard-ICSP-Stecker ja Abmessungen Board (L x B) 70 x 53 mm Tabelle 1.1: Arduino Uno – technische Daten Arduino-Modelle Neben dem Arduino Uno sind im Arduino-Projekt weitere Arduino-Boards verfügbar, die zusätzliche Funktionen oder andere Bauformen aufweisen. Zu erwähnen sind dabei die Modelle: Arduino Mega – Arduino-Board mit bis zu 54 digitalen Ein- und Ausgängen Arduino Zero – Arduino-Board mit 32-Bit-Microcontroller Arduino Mini – Arduino-Board mit ATmega328 und kleiner Bauform Arduino MKR1000 – kompakter Arduino Zero mit WiFi-Anschluss Alle originalen Modelle der Arduino-Familie sind über die Arduino-Website erhältlich. https://www.arduino.cc/en/Main/Products Arduino-kompatible Boards Auf dem Markt gibt es neben den originalen Arduino-Boards eine große Anzahl an Arduino-kompatiblen Boards. Diese Modelle basieren auf der gleichen Technik wie die originalen Boards und haben oftmals die gleichen Abmessungen wie die Originale. Diese sogenannten Arduino-Clones unterscheiden sich durch die Farbe der Leiterplatten, Anschlussstecker und die Boardbezeichnung. Auf Online-Plattformen und in den großen asiatischen Online-Shops gibt es aber auch viele Boards, die als Originale angeboten werden, obwohl dies Kopien sind. Die Entwicklung und der Verkauf von Arduino-kompatiblen Boards durch Maker und Bastler wird vom Arduino-Projekt unterstützt, solange diese Boards eindeutig als Arduino-Clones erkennbar sind. 1.1.1  Praxisbeispiel: Arduino-Minimalschaltung
Für einfache Anwendungen oder Testaufbauten kann sich jeder Maker sein Arduino-Board auf einem Steckbrett aufbauen. Die minimalste Schaltung für ein Arduino-Board benötigt nur etwa zehn Bauteile. Die minimale Schaltung des Arduino zeigt der Stromlaufplan aus Abbildung 1.3. Bei dieser Minimalschaltung ist zu beachten, dass keine Spannungsregelung vorhanden ist. Die Spannungsversorgung muss von einem externen Netzteil oder von einem USB-Anschluss mit stabilen 5 V geliefert werden. Der Programmupload über den USB-Anschluss erfordert zusätzlich einen externen FTDI-Adapter. Ein FTDI-Adapter ist ein USB/Seriell-Wandlermodul, das auf einem Arduino Uno standardmäßig integriert ist. Die Minimalschaltung kann ohne diesen Wandler nicht direkt über das USB-Kabel mit dem Rechner verbunden werden. Abb. 1.3: Minimalschaltung Arduino Stückliste (Minimalschaltung Arduino) 1 Microcontroller ATmega328 mit Arduino Bootloader (IC1) 1 Quartz 16 MHz (Q1) 1 Widerstand 10 kOhm (R1) 2 Kondensatoren 22 pF (C2, C3) 2 Kondensatoren 100 nF (C1, C4) 1 Reset-Taster (S1) 1 Stiftleiste 6-polig (Stecker FTDI) 1 Steckbrett Jumper-Wire In Abbildung 1.4 ist der Aufbau auf dem Steckbrett dargestellt. Abb. 1.4: Arduino-Minimalschaltung – Steckbrettaufbau 1.2  Entwicklungsumgebung (IDE)
Neben dem...

Über Autor(innen)

Thomas Brühlmann ist Maker und Buchautor mit 20-jähriger Erfahrung in der Hard- und Software-entwicklung. Er ist bekannt als Autor des Titels Arduino Praxiseinstieg, hält Vorträge und Workshops zum Thema Arduino und realisiert hauptsächlich drahtlose Arduino-Projekte mit Sensoren.