Arduino

Arduino ist ein Open-Source-Projekt für eine aus einem einfachen I/O-Board und einem Mikrocontroller bestehende Platinenserie, die vor allem im Bereich Physical Computing eingesetzt wird.

Mit einem Computer und einem Board wie dem populären Arduino Uno verbunden, lassen sich Alltagsgegenstände in interaktive Projekte integrieren und steuern oder mit Softwareanwendungen interagieren. Die Entwicklungsumgebung basiert auf Processing.

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Düsentriebs Wunschliste

Die Arduino-Welt ist eine Goldgrube für Erfinder und Prototyper. Thomas Gläser und Chicco Gold zeigen Ihnen, welche Werkzeuge und Bauteile Sie für eine kreative Tinkerbox brauchen


Erstveröffentlichung dieses Beitrags: WEAVE 02.2011 / Autoren: Thomas Gläser und Chicco Gold


INHALT

1. Kreative Impulse
2. Arduino
3. Werkzeuge und Material
4. Sensoren und Aktuatoren
5. Bedienelemente
6. Module und Shields
7. Erweiterungen machen das Leben leichter


Öffnen Sie die Galerie in einem extra Browserfenster, und Sie können alle erwähnten Arduino-Boards, Werkzeuge und Tinkerteile direkt anschauen. An den Ziffern im Text können Sie sich orientieren. 


Tinkering ist, wenn Sie etwas ausprobieren, von dem Sie zu Beginn keine Ahnung haben, wie es funktioniert. Man fummelt und friemelt, und genau das bedeutet das Wort auch im Englischen. Neben den üblichen Werkzeugen (10., 11. und 17.) und Bauteilen benötigen Sie Einfallsreichtum, Neugier und Spaß an der Sache. Das Beste am Tinkern ist aber, dass es keine Regeln und keine Fehler gibt. Sich mit der Materie auseinanderzusetzen, zu verstehen, was Sie leisten kann, ist das Ziel. Mit jedem neuen Bauteil, das Sie in ihrer Tinkerkiste verstauen, sammeln Sie auch neues Wissen. Wie viel Material Sie letztlich brauchen, ist eine Frage des Wissensstandes und der Häufigkeit der Anwendung.

Grundsätzlich sollten Sie jeden Ihrer Prototypen aufbewahren – und zwar nicht nur die erfolgreich umgesetzten, sondern auch halbgares Material. Heben Sie auch die verrückten Dinge unbedingt auf! Sei es altes Spielzeug zum Hacken, ein besonders ausgefallenes Gadget oder auch etwas Abgelegtes und Defektes. Entsprechend dem Ansatz des opportunistischen Prototypings wissen Sie nie, ob Sie es nicht irgendwann brauchen. Greifen Sie auf Ihr Wissen und Ihren Gerätevorrat zurück. Sie werden feststellen, dass nicht nur der Ersatzteilhaufen, sondern auch Ihr Wissen um die Geräte kontinuierlich wächst.
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Kreative Impulse

Ihre Tinkerbox kann eine sehr ergiebige Inspirationsquelle sein! All die in ihr schlummernden Einzelteile warten nur darauf, dass Sie sie in die Hand nehmen. Oft weckt das Betasten und Betrachten erst ein Bewusstsein für das, was möglich ist. Sie können sie ins nächste Brainstorming integrieren und sich von den Ergebnissen überraschen lassen. Nicht selten bringt gerade dieser spielerische Umgang mit dem Medium ganz neue Resultate zum Vorschein. Lassen Sie sich dabei nicht von Rückschlägen abhalten, sondern haben Sie Spaß beim Tinkern!
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Arduino

Das Uno (1.) ist der neueste Mikrocontroller aus dem Hause Arduino und bildet die Basis für erste Bastelstunden. Weitere Varianten wenden sich in erster Linie an veränderte Anforderungen. So bietet ein Mega2560 (2.) höhere Leistungsfähigkeit durch mehr Speicher und Anschlüsse. Das Nano (3.) hingegen reduziert den Platzbedarf. Wer Blut geleckt hat, kann auf Basis diverser Arduino-Derivate nach dem für ihn Passenden suchen. Zur Auswahl stehen noch das Fio Board (4.) zur Funkübertragung, das kabellose Bluetooth (5.), das Wearable LilyPad (6), das minimalistische Pro (8) oder das winzige Mini (7.). Als »Eingeweihter« besorgen Sie sich natürlich gleich den Schaltplan, den Sie hier einsehen können, und bauen sich eine maßgeschneiderte Lösung für Ihr Problem.
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Werkzeuge und Material

Unbedingt notwendig für Ihre TinkerExperimente ist ein USB-Kabel (9.), um das kompilierte Programm vom Computer zum Atmel-Chip des Arduino zu schicken. Die Stromversorgung erfolgt wahlweise über die Strombuchse des Arduino-Boards oder via USB. Auch ein Betrieb über Steckernetzteile (26.), Akkupacks (32.) oder Solarmodule (33.) ist möglich.

Als Messgerät absolut notwendig ist das Multimeter (12.). Was die Debugging-Konsole für den Programmierer, ist das Multimeter für den HardwareEntwickler. Gerade bei der Fehlersuche und Diagnose ist es unverzichtbar. Einsteigergeräte gibt es schon ab 5 Euro. Mit dem Multimeter können Sie Widerstände, Spannungen und vieles andere messen. Bei komplexen dynamischen Vorgängen kann allerdings nur ein Taschen-Oszilloskop (19.) oder ein Logikanalysator (20.) helfen. Beide Messgeräte dienen ebenfalls der Diagnostik. Das Oszilloskop misst elektrische Spannung über einen Zeitrahmen. Im Gegensatz zum Oszilloskop besitzt der Analysator zwar nur digitale Eingänge, davon aber eine Vielzahl.

Außerdem ist ein Breadboard (13.) sehr praktisch. Kombiniert mit Drähten (21.) bietet es die Möglichkeit, immer wieder Steckverbindungen und Bauteile auszutauschen. Diese Flexibilität geht jedoch zulasten der Stabilität. Ist Letzteres gewünscht, greifen wir zu Lötstation und Zinn (14.). Hilfreich beim Löten sind außerdem die Dritte Hand (15.), die Entlötsauglitze (16.) oder die Entlötsaugpumpe (18.).

Das einfachste elektronische Bauteil, der Widerstand (22.), fungiert als strombegrenzendes Element an LEDs, als Spannungsteiler für Sensoren oder um undefinierte Eingänge beim Arbeiten mit Schaltern zu vermeiden. Mit Kondensatoren (29.) lassen sich unter anderem Versorgungsspannungen von Chips stabilisieren. Transistoren (25.) helfen, wenn wir Ströme jenseits der Belastbarkeit der Arduino-Ausgänge schalten. Falls Sie das galvanisch entkoppeln wollen, können Sie Optokoppler (27.) oder ein Relais (31.) verwenden, mit dem Sie zwei getrennte Stromkreise verbinden. Flexible Litze (23.) sind eine gute Wahl, um Elemente über Stiftleisten (24.) an den Buchsenleisten des Arduino-Boards anzuschließen.
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Sensoren und Aktuatoren

Unter den Eingabegeräten, der Sensorik, lässt sich alles zusammenfassen, was Informationen zur Verarbeitung an das Arduino sendet. Vom Arduino kommende Steuersignale hingegen wirken auf die Aktorik, also auf die Ausgabegeräte.

Sensoren erfassen physikalische Größen analog. Es gibt sie für viele Eigenschaften wie Geschwindigkeit (49.), Druck (42.), Abstand (39.), Berührung (43.), Temperatur (36.), Helligkeit (35.), Himmelrichtung (55.), Kräfte (41.), Feuchtigkeit (44.) oder Magnetfelder (37. und 48.). Die bei diesen Messungen gewonnenen Informationen erlauben es Ihnen, direkt mit Arduino zu kommunizieren. Mit der Funktion »analogRead()« erfasst die Platine Spannungen zwischen 0 und 5 Volt und wandelt sie in Zahlenwerte zwischen 0 und 1023 um, sodass Programmierer mit den Daten arbeiten können. Ein Tipp: Bei Strom- oder Widerstandsänderungen müssen Sie dafür sorgen, dass am Messeingang die richtige Spannung anliegt. Am leichtesten funktioniert dies durch eine Serienschaltung von zwei Widerständen (Spannungsteiler).
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Bedienelemente

Ein Potenziometer (34.) lässt sich als Dreh- oder Schieberegler zur Spannungsteilung einsetzen, der zwischen Erdung (0 Volt) und der Versorgungsspannung (5 Volt) angebracht ist. Eine modernere Variante ist der Softpotenziometer (40.), gut bekannt als Bedienelement des iPod.

Als Eingabe genügen oft einfache binäre Aussagen. Die grundsätzlichen Eingaben erfolgen durch Taster (45.) und Schalter (46.), in Form von Wipp-, und Schnurschalter, Magnetschaltern an Türen, Kontaktmatten sowie Bewegungsmeldern (53.) oder per Neigungs- oder Quecksilberschalter (47.). Bei ihnen allen sollten Sie unbedingt einen Pull-down-Widerstand zwischen Eingang und Masse anbringen. Andernfalls würde ein nicht betätigter Schalter zu einem undefinierten Zustand führen. Ein Sonderfall des Schalters ist der Digital Encoder (51.), der Ihnen als Lautstärkeregler am Autoradio bekannt ist. Für den Benutzer fühlt er sich wie ein endloses Potenziometer an, obwohl der Encoder keine analogen, sondern digitale Signale ausgibt.

Am Übergang von einfacheren zu komplexen Geräten finden wir auch Infrarot(IR)-Empfänger-Module (50.). Ei-ne IR-Empfangsdiode mit einer automatischen Empfindlichkeitsregelung kostet nicht mehr als ein paar Euro. Sie zeigt im Verbund mit einer passenden, kostenlosen Library aus dem Netz, welche Signale ihre alte Fernbedienung sendet.
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Module und Shields

Für komplexere Funktionalitäten eignen sich anwendungsfertige Module oder sogenannte Shields. Sie sind extra für Arduino konzipiert und lassen sich sehr einfach montieren. Zahlreiche Experimentiermöglichkeiten bietet das GPS-Modul (56.); beachten Sie hier jedoch, dass die Kommunikation des Moduls mit dem Arduino recht kompliziert ist und deswegen etwas Erfahrung voraussetzt.

Über das MIDI-Shield (62.) können Sie Ihr Arduino-Board mit digitalen Musikinstrumenten koppeln. Mit dem DMX-Shield (63.) lässt sich professionelle Lichttechnik steuern oder das Arduino mittels einiger LEDs in ein DMX-fähiges Gerät verwandeln. XBee-Module (67.) bieten einen preiswerten und professionellen Industriestandard zur Funkübertragung serieller Informationen. Der Kommunikation dienlich ist außerdem das Ethernet-Shield (66.), mit dem Sie Ihr Arduino an jedes LAN anbinden können. Wenn Sie steten Kontakt zu Ihrem Arduino halten möchten, können Sie GSM-Module (69.) als winzige Handys nutzen. Ein weiteres Nebenprodukt der Handyindustrie ist das LCD-Touch-Shield (65.): Bei ihm handelt es sich um ein günstiges, ungefähr 3 Zoll großes TFT-LC-Display mit berührungsempfindlicher Oberfläche.

RFID-Module (54.) können Sie beispielsweise einsetzen, um Ihr Zuhause mit einem Schließ- und Identifikationssystem zu versehen. Überlegen Sie aber, wofür Sie es verwenden wollen, ehe Sie ein solches Modul bestellen, da eine Vielzahl von Übertragungsfrequenzen und Codes existiert. Wenn Sie per RFID-Chip eine Meldung auslösen möchten, spielen Sie die passenden Audiodaten besser mit einem Audioshield (74.) ab, statt sich mit den Piepstönen des Piezo-Lautsprechers (70.) zufrieden zu geben. Es überträgt die Sounddateien von einem integrierten SD-Card-Reader an den Lautsprecher. Selbstverständlich gibt es auch Card-Reader-Module (68.), wenn Sie mit den handelsüblichen Speichermedien tinkern möchten. Für Ihre Aufnahme greifen Sie selbstverständlich auf ein Mikrofon (38.) zurück.

Das Motorshield (73.) eignet sich für den Betrieb kleinerer Gleichstrommotoren (71.). Deren Strombedarf überfordert häufig die Belastbarkeit der Arduino-Ausgänge (maximal 40 Milliampere). Sie können allerdings mit der Leistung des Arduino etwa den Vibrationsmotor (72.) eines Handys betreiben. Mittels eines Protoshields (30.) mit Lochrasterfeld können Sie Ihre individuelle Elektronik stricken, um zum Beispiel einen Schrittmotor (64.) anzusteuern oder einen Elektromagneten (61.) zu betreiben.
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Erweiterungen machen das Leben leichter

Bei allen Modulen und Shields kommen Sie schneller voran, wenn Sie eine passende Erweiterung (Library) für die Arduino IDE finden. Denn dann brauchen Sie sich nicht in komplizierte Manuals und Grundlagen einzuarbeiten. Ken Shirriffs kostenlose Multi-Protocol Infrared Remote Library etwa nutzt ein IR-Empfängermodul, um ein Arduino zum universellen Empfänger für Fernbedienungen zu machen. Einige Librarys gehören zum Umfang der Arduino IDE. So kann man bereits problemlos aus billigen Modellbauservos (59.) kleine Ameisenroboter bauen, die durch die Wohnung laufen. Mit einer weiteren integrierten Library können Sie LCD-Module (58.) nutzen, um sich im autarken Betrieb Textinfos von Ihrem Arduino anzeigen zu lassen.

Günstige LEDs (57.) gibt es in vielen Formen, wie IR-, UV- und Laser-LEDs. Eine Bereicherung bieten LED-Matrixblöcke (60.), die auch in zwei- oder dreifarbigen Ausführungen zu haben sind. Und mit Dioden (28.) können Sie eigene Lichtkreationen entwerfen.

Zu guter Letzt steckt in alten Dingen viel Spaß und Potenzial: Abgelegte PS/2-Mäuse und -Tastaturen (52.) sind wie geschaffen, um Positionskoordinaten oder Text weiterzuverarbeiten, denn ihre Übertragungsprotokolle sind nicht sehr komplex. Sicher gehört etwas Know-how zum Tinkern mit Arduino, aber alles lässt sich im Netz recherchieren, und Sie werden erstaunt sein, wozu Sie imstande sind.
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Im PAGE eDossier »Arduino – Grundlagen und Workshops« gibt’s die Tinker-Galerie als große Tabelle. In ihr haben die Autoren Thomas Gläser und Chicco Gold die vorgestellten Boards, Tinker-Teile und -Werkzeuge in die Kategorien »Basics, Useful, Nice to have« unterteilt.

Plus weiteren abgefahrenen Step-by-Step-Tutorials zum Tinkern mit Arduino.