Arduino_Labor_Beschreibung_ V4

Labor Automatisierungstechnik
Professor Dr. D. Brück
Versuch: Arduino Anwendung
Labor
Automatisierungstechnik
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Versuch:
Arduino Anwendung
Philipp Schorr
Arduino Anwendung
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Labor Automatisierungstechnik
Professor Dr. D. Brück
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
Philipp Schorr
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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 Keramik Resonator(Clock Speed)
USB B (w) Schnittstelle
Eingangspannung (empfohlen) 7-12V
Eingangspannung (Grenze) 6-20V
Reset Taster
Speichervolumen Atmega328 32 kB (davon 0,5 kB für den bootloader)
Quelle: arduino.cc
Abbildung 1 Arduino UNO
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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-WH1602BTMI, 433MHz Sender, 433MHz Empfänger.
Abbildung 2 Versuchsaufbau
4. Vorbereitung zur Durchführung
Der Versuchsaufbau ist selbstständig aufzubauen und zu Programmieren. Daher wird ein gewissses
Maß an Feingefühl im 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.
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Start der Software :
Die genutzte Software Arduino (IDE) 1.6.3 ist eine Freewaresoftware, 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 6. Hilfe.
Nach dem Start der Software erscheint folgendes Fenster:
Abbildung 3 Arduino Software
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Als ersten Schritt wählen wir 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
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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
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Haben Sie das Programm erfolgreich auf den Arduion übertragen und wollen den seriellen Monitor
öffnen, können Sie das unter Werkzeuge Serieller Monitor.
Abbildung 8 Serieller Monitor
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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
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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).
5.1.2 LED Blinklicht
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.
Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit
Taster).
5.1.3 LED Blinklicht
Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO´s und der Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit
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.
Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit
Taster).
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5.1.4 LED Blinklicht
Der Anwender soll mithilfe eines Arduino UNO´s und der Platine aus Abbildung 10 Platine LED mit
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.
Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit
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.
Alternativ kann auch hier wieder das Steckbord genutzt werden (Abbildung 11 Schaltung LED mit
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);
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// je größer Wert wird desto heller leuchtet die LED
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Aufbau:
Betriebsbereitschaft
Blink LED (Pin 9)
Abbildung 10 Platine LED mit Taster
Taster (Pin 11)
Taster
Anode
220 Ω
Kathode
(abgeflachte
Seite der LED)
Abbildung 11 Schaltung LED mit Taster
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5.2 Textausgabe über LCD Display
Der Benutzer soll mit Hilfe des Contollers 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 Richtug 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:
Taster zum Start
betaetigen!
2. Taster betätigen
3. Text:
HTW IngWi
Arduino UNO (Cursor blinken)
4. Text:
Arduino
Anwendung (Cursor blinken stop)
5. Text:
Taster zum Start
betaetigen!
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Aufbau:
Kontrasteinstellung LCD
Taster
Abbildung 12 Platine LCD Display
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Schalter
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5.3 Ansteuern eines Servomotors mittels eines Potentiometers
Der Benutzter soll mittels des Arduinos einen Servomotor ansteuern. Dazu soll ein 10kΩ
Potentiometer genutzt werden. Der Servomotor soll durch Verändern der Potentiometereinsstellung
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 Servos 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) mittles „map()“ Befehl
Ansteuern des Servomotors über Pin 9 mit dem normierten Wert
Serielle Ausgabe aller Werte auf dem Host-Rechner mittels USB
Aufbau:
Ansteuerung des Servomotors
Anschluss Servomotor
Abbildung 13 Platine Ansteuerung Servomotor
Schalter
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100μF
100μF
Abbildung 14 Schaltung Servomotor
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5.4 Ansteuern eines Servomotors und Ausgabe via LCD
Der Benutzter 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 Nutztung 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 Balken auf ein Grad genau über das LCD
Prinzipielle Ausgabe via LCD:
Potiwert:
363
Winkel:
+50
Aufbau:
Ansteuerung des Servomotors
Kontrasteinstellung LCD
Anschluss Servomotor
Abbildung 15 Platine LCD mit Servomotor
Schalter
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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 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.
Funhktion:
•
•
•
•
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
Philipp Schorr
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433 MHz Sender
Aufbau:
Abbildung 16 Platine Funkverbindung Sender
433 MHz Empfänger
GND
VCC+ 5V
DATA
Abbildung 17 Schaltung Funkmodul Empfänger
Philipp Schorr
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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);
//Groesse des Display angeben (Stellen, Zeilen)
***.clear();
//Leeren des LCD Displays
***.setCursor(Stelle, Zeile);
//Cursor des Lcd Display auf eine beliebige Stelle des Displays setzten (Stelle,Zeile)
***.print("Hello!");
//Textausgabe über das LCD Display
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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.
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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.
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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 Nutztung aller Einstellungen und Inizialisierung 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 Interrupt gesteuerten Hintergrundprozess
gesendet.
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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.
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6.2 Platinenschaltpläne
Flachbandkabel Protoshield:
5V
D4
GND
D5 ~
A0
D9 ~
D2
D11 ~
D3 ~
D12
Abbildung 18 Anschluss Protoshield
(~bedeutet PWM fähiger Pin; Pin 1 ist mit einem Pfeil markiert)
Platine LED Blinker mit Taster:
5V
5V
D4
N/A
GND
GND
D5 ~
N/A
N/A
A0
D9 ~
LED
N/A
D2
D11 ~
Taster
N/A
D3 ~
D12
N/A
Abbildung 19 Anschluss Platine LED Blinker mit Taster
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Platine LCD Servomotor:
5V
5V
D4
LCD
GND
GND
D5 ~
LCD
Pot. Servo
A0
D9 ~
Servomotor/Taster
LCD
D2
D11 ~
D11 ~
LCD
D3 ~
D12
D12
Abbildung 20 Anschluss Platine LCD und Servomotor
(D9 wird durch den Schalter auf der Platine umgeschaltet.)
Platine 433 MHz Sender mit Tastern:
5V
5V
D4
Taster
GND
GND
D5 ~
N/A
N/A
A0
D9 ~
TX
Taster
D2
D11 ~
N/A
Taster
D3 ~
D12
N/A
Abbildung 21 Anschluss Platine Sender mit Taster
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7. Hilfe
Weiter Befehle sind zu finden unter: http://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage .
Der Versuch ist auch auf dem eigenen Geräten 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.
Philipp Schorr
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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 Empänger .................................................................................... 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
Philipp Schorr
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