Entdecke deinen Mikrocontroller
Klicke auf die gelben Hotspots und erfahre mehr über die Hardware, die du nutzt.
Der Arduino als Entwickler-Board
Der Arduino ist ein sogenanntes Entwickler-Board.
Neben den „eigentlichen“ Mikrocontroller gibt es auf dem Arduino noch viele weitere Elemente. Diese dienen alle dazu, viele Bauteile (LEDs, Taster, Sensoren, …) anschließen zu können.
Pinheader (2,54mm), zum Anschließen der Bauelemente.
Mehr über die Bauelemente und Jumperkabel erfährst du im Starterkurs, wenn wir uns die Hardware genauer ansehen.
Über den USB-Anschluss (USB-B) kannst du deinen Code auf den Mikrocontroller aufspielen.
Das USB-Interface
Wandelt die über die USB-Schnittstelle eingespeisten Signale in ein für den Arduino passendes Format um.
Wichtig: Es gibt unterschiedliche USB-Chipsätze! Die meist verbauten sind der ATmega16U2 und der CH340.
Der "eigentliche" Mikrocontroller
Die Pins (Pinheader), die Spannungswandler, der USB-Port und alles weitere dienen dazu, dass wir mit dem Board experimentieren und viele Komponenten (LEDs, Piezo, Taster, ...) anschließen können.
M3-Bohrlöcher
Mit Abstandshaltern kann der Arduino (beispielsweise auf einer Platte) fest montiert werden.
Zubehör
In einem Starter-Set findest du viele Bauteile, mit denen du eigene Schaltung aufbauen und programmieren kannst: Jumperkabel und Breadboard zum Anschließen ohne Löten, Widerstände, LEDs, Taster und mehr. Hier geht es zur Hardware-Beratung:
Die I/O-Pins am Arduino
Im Starterkurs nutzen wir die digitalen Pins zur Steuerung von Leuchtdioden, indem wir den Ausgang (Output) ein- oder ausschalten (um die LED entsprechend an- oder auszumachen). Später schließen wir einen Taster (ebenfalls an die digitalen Pins) an und können einlesen (Input), ob der Taster gerade gedrückt ist oder eben nicht. Durch die Funktion der Pins (Input/Output) kommt die Bezeichnung I/O-Pin.
onBoard-LED, beschriftet mit "L". Sie wird über Pin 13 programmiert, besitzt aber auch einen eigenen Befehl: "LED_BUILTIN".
digitalWrite(13, HIGH);
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
Die meisten Arduinos haben zusätzlich eine On-Board-LED, die mit einem digitalen Pin (meistens Pin 13, sowie einem On-Board-Widerstand) in Reihe geschaltet ist. Die Stromstärke ist auf 20mA begrenzt.
Über diesen Pin können also gleichzeitig eine externe Leuchtdiode sowie die onBoard-LED programmiert werden.
Manche digitalen Pins besitzen ein zusätzliches Symbol ~ (beispielsweise Pin 11). Hierbei handelt es sich um PWM-Pins.
Die Pulsweitenmodulation (kurz PWM) kann beispielsweise genutzt werden, um eine LED zu dimmen oder Servo-Motoren anzusteuern. Mehr zur Pulsweitenmodulation, dimmbaren Leuchtdioden und RGB-LEDs erfahrt ihr in den entsprechenden Kursen.
Wichtig: Die digitalen Pins 0 und 1 sollten nicht als I/O-Pins (für LEDs, Taster usw.) verwendet werden. Die Pins dienen zum Senden und Empfangen von Daten.
RX – Receive (Empfangen)
TX – Transmit (Senden)
Über die Pins (UART-Schnittstelle) können Daten von eurem PC und dem Arduino übertragen werden. Ebenso können auf diese Weise auch 2 Boards miteinander verbunden werden. So können (laufende) Programme überwacht werden.
Neben den Pins 0 und 1 (TX/RX) gibt es auch 2 LEDs mit der selben Bezeichnung. Die beiden LEDs blinken, wenn Daten über den (seriellen) USB-Port auf den Mikrocontroller gespielt werden. Werden hingegen die Pins (TX/RX) genutzt, blinken sie nicht.
Die digitalen Pins
An den digitalen Pins liegt immer eine Spannung von 0V oder 5V an (“digital” bedeutet, dass es nur die Werte „0 oder 5“ gibt).
Mit AREF kann der Referenzwert (für die analogen Eingänge am Mikrocontroller) eingestellt werden, um den Messbereich einzugrenzen und so eine höhere Genauigkeit zu erzielen.
Wichtig: Immer nur Spannungen zwischen 0V und 5V für die externe Referenzspannung verwenden!
Mehr über den AD-Wandler und die Verwendung von Sensoren findest du im Kurs "Sensorik mit dem Arduino".
Einige Boards besitzen separate SDA- und SDL-Anschlüsse. Alternativ hierzu können auch die beiden analogen Pins A4 (SDA, serial data) und A5 (SDC, serial clock) verwendet werden.
I2C-Pins
Bei einem I²C-Bus werden Daten vom SCL (Serial Clock) und SDA (Serial Data) vom Master (dem Arduino) zu den angeschlossenen Slaves (beispielsweise ein LCD) übertragen.
Mehr hierzu im Kurs "Liquid Crystal Display" (unter dem Punkt I2C-Modul).
Die analogen Pins
An die analogen Pins werden Sensoren angeschlossen.
Sie können alle Werte zwischen 0V und 5V einlesen (analog), die anschließend von dem AD-Wandler (Analog-Digital-Wandler) umgewandelt werden.
Vertauschte Welt
Alternativ können die analogen Pins auch als digitale Pins (mit fester Spannung) genutzt werden, um beispielsweise LEDs anzuschließen. Im Beispiel aus dem Projekt Space nutzt die vierstellige 7-Segment-Anzeige bereits alle digitalen Pins (beim Arduino Uno), sodass die Taster an die analogen Pins angeschlossen werden müssen.
Andersherum können an die digitalen Pins auch Sensoren angeschlossen werden. Der Nachteil hier ist jedoch, dass nur Spannungen größer 2,5V (HIGH) und kleiner 2,5V (LOW) unterschieden werden können.
Strom und Spannung
Die Power-Pins
An diesen Pins können (definierte) Spannungen angelegt oder abgegriffen werden. Sie dienen also zur Stromversorgung des Boards und der angeschlossenen Bauelemente.
Diese GND-Pins werden als Masse (Referenzspannung 0V) verwendet. Auf dem Board gibt es mehrere GND-Pins. Es ist egal, welcher verwendet wird!
Durch jedes Bauteil, das an den Mikrocontroller angeschlossen wird, fließt Strom. Schließt ihr beispielsweise eine LED an Pin 13 an, fließt der Strom aus Pin 13 -> durch die LED -> in GND.
Diese Pins (5V bzw. 3,3V) dienen zum Abgreifen einer definierten Spannung (5V bzw. 3,3V) und können mehr Strom liefern als die I/O-Pins (analoge und digitale Pins).
An dem 5V Pin wird später beispielsweise das LCD-Display angeschlossen. Alternativ können auch über diese Pins (da sie höhere Ströme ausgeben können) mehr als die im Folgenden beschriebenen 10 LEDs angeschlossen werden.
Alternativ zum Reset-Button kann auch der RES-Pin auf Masse (GND) gezogen werden.
In späteren Kursen werden hierzu Taster (manuelle Betätigung) oder Transistoren (als “automatische Schalter”) verwendet, um das Board neu zu starten.
Reset-Button
Wie der Name bereits vermuten lässt, kann der Mikrocontroller über diesen Button neu gestartet werden, sodass der (dein) Code erneut (von Beginn an) ausgeführt wird.
Stromversorgung des Mikrocontrollers
Wir müssen hier zwischen 2 Begriffen unterscheiden:
Betriebsspannung: beispielsweise 5V, die an allen digitalen Pins anliegen
Versorgungsspannung: die Spannung, die der Mikrocontroller benötigt, um zu funktionieren
Die empfohlene Versorgungsspannung liegt bei 7-12V. Maximal können 20V angelegt werden. Dies führt jedoch zur Erhitzung der Spannungsregler auf dem Mikrocontroller. (Das ist bei kurzen Zeiten nicht schlimm.)
USB-Port
Wird der Mikrocontroller mit dem USB-B-Kabel an den PC angechlossen, dient die USB-Buchse zur Stromversorgung und Datenübertragung.
2,1 mm DC-Anschluss
Alternativ könnt ihr das Board auch über die (runde) DC-Buchse mit Strom versorgen. Die maximale Stromstärke, die angeschlossen werden darf, liegt bei 1A (Eingangsspannung 7-12V).
So können eure Programme mit Hilfe einer 9V-Blockbatterie permanent laufen.
Der Arduino kann auch über den VIN-Pin mit Strom versorgt werden.
Denkt daran, dass ihr hier nicht nur den VIN-Pin, sondern auch GND mit eurer Spannungsquelle verbinden müsst.
Der Spannungsstabilisator erzeugt aus der Versorgungsspannung eine stabile Spannung von 5V (die Betriebsspannung).
Die Kondensatoren glätten die Versorgungsspannung.
Maximale Ausgabe
Der maximale Strom, den ein I/O-Pin liefern kann, liegt bei 40mA. Der Gesamtstrom aller I/O-Pins darf 200mA nicht überschreiten. Deshalb dürfen nie mehr als 10 LEDs direkt an den Mikrocontroller angeschlossen werden! Die “Power-Pins“ (z.B. der 5V-Pin), können viel höhere Strome ausgeben: Anschluss über USB (bis 500mA), Anschluss mit einem Netzteil (bis 1000mA). Um mehr als 10 LEDs anschließen zu können, werden Schieberegister und ähnliche Bauteile zwischengeschaltet.
Boards: Die Unterschiede
Wir unterscheiden unterschiedliche Boards: Uno, Mega, Micro und viele mehr. Der Hauptunterschied liegt in der Anzahl der Pins. Die Leistung spielt in den meisten Anwendungen zunächst keine allzu große Rolle, empfohlen werden hier der Arduino Uno und der Arduino Mega.
USB-Chip
Wichtig zu wissen ist auch, dass unterschiedliche USB-Chipsätze verbaut werden. Arduino Uno muss also nicht gleich Arduino Uno sein. Die meistverbauten USB-Chipsätze sind der ATmega16U2 und der CH340. Für beide Chipsätze muss ein sogenannter USB-Treiber installiert werden: Der ATmega16U2 wird automatisch mit der Arduino-IDE installiert, den CH340-Treiber kannst du hier herunterladen.
Die echte Hardware
Damals wurden mit dem Begriff „Hardware“ nicht nur technische Komponenten, sondern auch Eisenware bezeichnet. Sprechen wir heute von “Hardware” reden wir über einen Sammelbegriff für technischen Komponenten: Von Kleinteilen wie Widerständen, LEDs und Tastern bis hin zu fertigen Systemen wie Mikrocontroller, Spielekonsolen und Fernseher.
Das Besondere an der "Arduino"-Hardware
Die Arduino-Boards stehen unter der sogenannten Open-Source-Lizenz. Jeder kann sich also ansehen, wie das Board aufgebaut ist, welche Teile verbaut sind und wie sie verkabelt sind. Es ist also kein Wunder, dass es viele Boards zu kaufen gibt, die nicht von der Firma Arduino sind.
„Open Source“ heißt so viel wie „öffentlich“. Jeder kann sich also die Dateien ansehen, ändern und benutzen. Streng genommen bezieht sich das jedoch auf die Software und auch hier gibt es wiederum verschiedene Lizenzbedingungen zu beachten. Aber das lassen wir an dieser Stelle mal beiseite.
Stammt die Hardware nicht von der Firma Arduino werden sie als „Clone-Boards“ bezeichnet. Die verbauten Teile sind jedoch oft dieselben.
Der Name „Arduino“ und das Logo sind markenrechtlich geschützt. Hersteller von Clone-Boards dürfen also weder das Logo noch den Namen auf ihrer Hardware verwenden. Achte bei deinem Arduino mal darauf.
