Ein Leitfaden zu Arduino-Boards

Was ist Arduino?

Arduino ist eine Open-Source-Plattform, die sowohl aus der Leiterplatte (PCB) als auch aus einer Softwareanwendung, der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE), besteht. Die Software läuft auf dem Computer und wird zum Schreiben und Hochladen von Code auf die Leiterplatte über ein USB-Kabel verwendet.  

Die Arduino-Hardware und -Software eignet sich perfekt zum Entwerfen und Konstruieren interaktiver Projekte und ist daher vor allem bei Entwicklern, Künstlern und Hobby-Bastlern beliebt. Die Boards können mit Kameras, Schaltern, LEDs, Motoren, Tasten, Lautsprechern und vielem mehr interagieren. 

Arduino-Boards kommen in vielen Anwendungen wie Robotik und Audiosystemen zum Einsatz. Sie werden für den Entwurf von Prototypen und die Entwicklung einer codebasierten Steuerung verwendet. Da der Arduino-Code eine Version der einfach zu verwendenden Programmiersprache C++ ist, sind die Arduino-Boards vor allem bei Anfängern beliebt. 

Wie ist ein Arduino-Board aufgebaut? 

Es gibt verschiedene Arduino-Boards für unterschiedliche Anwendungsszenarien. Trotz einiger unterschiedlicher Komponenten auf den einzelnen Boards ist die Ausstattung in der Regel bei allen Arduino-Boards gleich: 

USB-Buchse / Versorgungsbuchse

Die Boards können entweder über die USB-Buchse oder mit einem Steckernetzteil mit Strom versorgt werden. Der USB-Port ist in der obigen Abbildung mit (1) und die Versorgungsbuchse (für ein Steckernetzteil) mit (2) gekennzeichnet. Arduino-Boards sind nur für Spannungen bis höchstens 20 Volt zugelassen. Jede höhere Spannungsversorgung kann das Arduino-Board überlasten und beschädigen. Empfohlen sind Spannungen zwischen 6 und 12 V. Um den Code auf das Arduino-Board zu laden, sollte man ein USB-Kabel verwenden. 

Pins

Arduino-Boards haben werksseitig aufgelötete Pins. So ist ein Testaufbau auf dem Breadboard schnell realisiert. Die Pins haben schwarze Plastik-„Header“, damit die Drähte direkt in das Board gesteckt werden können. Sie befinden sich am Rand des Boards und sind in Abbildung 1 mit den Ziffern 3–9 gekennzeichnet. Diese sind: 

• GND (Masse): Ein Arduino hat mehrere GND-Pins (3), um das Masse-Potenzial zuverlässig durchzuschleifen. Ein Stromkreis ist geerdet, wenn einer der leitenden Drähte, die mit dem Stromkreis verbunden sind, absichtlich direkt mit der Erde verbunden wird. 
• 5 V (4) & 3,3 V (5) − Wie man anhand der Bezeichnung erkennen kann, führt der eine Pin 3,3 V und der andere 5 V. Die meisten Komponenten eines Arduinos können mit beiden Spannungen betrieben werden. 
• Analog (6): Diese Pins sind in Abbildung 1 unterhalb des Abschnitts „Analog in“ zu sehen. Sie können das Signal von einem analogen Sensor lesen und in eine lesbare digitale Zahl umwandeln. 
• Digital (7): Auf der gegenüberliegenden Seite der Platine sehen Sie die digitalen Pins (0–13). Diese können für digitale Ein- und Ausgänge verwendet werden. 
• PWM (8) : Einige der digitalen Pins sind in Abbildung 1 mit einem „~“-Symbol versehen. Diese Pins können sowohl für die normale digitale Nutzung verwendet werden, als auch für die Pulsweitenmodulation (PWM). PWM ist eine Methode, um analoge Ergebnisse mit digitalen Mitteln zu erzielen. 
• AREF (9): Dies bezieht sich auf die analoge Referenz. In den meisten Fällen wird diese Funktion nicht verwendet, aber sie kann dazu dienen, eine externe Referenzspannung als maximale Leistung für analoge Eingänge festzulegen. 

Reset-Taste

Durch Drücken der Reset-Taste (10) wird der Reset-Pin vorübergehend mit Masse verbunden und das auf dem Arduino gespeicherte Programm neu geladen. 

LED-Stromanzeige

Neben der Stelle, an der in Abbildung 1 „ON“ steht, befindet sich eine LED-Leuchte. Sie signalisiert die Spannungsversorgung des Arduinos und leuchtet, wenn das Board mit Spannung versorgt wird. 

LEDs „RX“ und „TX“

Die LEDs „RX“ und „TX“ (12) zeigen die Datenübertragung vom PC zum Arduino-Board optisch an. Die Abkürzungen „RX“ und „TX“ stehen für „receive“ beziehungsweise „transmit“ und weissen auf die Pins hin, die eine serielle Kommunikation ermöglichen (0 und 1 bei den digitalen Pins).

Haupt-IC

Die Abkürzung „IC“ steht für integrierten Schaltkreis und ist in Abbildung 1 zu sehen (13). Dies ist im Wesentlichen das Gehirn der Arduino-Platine. Da die ICs von Board zu Board unterschiedlich sein können, ist für eine erfolgreiche Übertragung eines neuen Programms mit der Arduino-Software wichtig, dass Sie wissen, welchen IC Sie verwenden. Der Typ des IC ist in der Regel auf der Oberfläche angegeben. 

Spannungsregler

Der integrierte Spannungsregler (14) stabilisiert die extern angelegte Speisung, um das Arduino nicht zu beschädigen. Dies geschieht jedoch nur im Rahmen des Möglichen und bedeutet nicht, dass das Gerät an eine beliebige Stromquelle angeschlossen werden kann. Maximal 20 Volt dürfen von aussen angelegt werden. 

Welche Arduino-Boards gibt es?

Der jüngste Arduino-Typ ist der bereits erwähnte Arduino Uno. Es ist das ideale Board für Anfänger und enthält alles, was man benötigt, um mit dem Bau elektronischer Projekte zu beginnen. Es gibt jedoch viele verschiedene Arduino-Boards für unterschiedliche Zwecke. Daher ist es wichtig, dass Sie wissen, welches für Ihr spezifisches Projekt zu verwenden ist. Werfen Sie unten einen Blick auf einige der anderen Mitglieder der Arduino-Familie: 

LilyPad Arduino

Das LilyPad Arduino ist ein Mikrocontroller, der für E-Textilien und Wearable Technology entwickelt wurde. Dank der flachen Rückseite und der grossen Anschlusspads kann das LilyPad mit einem leitfähigen Faden in die Kleidung eingenäht werden. Das Lilypad ist abwaschbar und lässt sich nahtlos mit anderen Geräten verbinden. 

Arduino Leonardo

Das Leonardo ist das erste Arduino-Entwicklungsboard, das einen Mikrocontroller mit integriertem USB verwendet. Es basiert auf dem ATmega32u4-Mikrocontroller und verfügt über 20 digitale Eingangs-/Ausgangs-Pins (von denen sieben als PWM-Ausgänge verwendet werden können), einen microUSB-Anschluss und eine Reset-Taste. Das Board kann von einem AC/DC-Netzteil gespeist und über USB direkt an ein Computersystem angeschlossen werden.

Arduino Mega

Der Arduino Mega ist die perfekte Wahl für Projekte, die viele Pins benötigen, da der Mikrocontroller über 54 Ein- und Ausgangspins verfügt. PWM wird mit 14 dieser Pins aktiviert, während 16 als analoge Pins dienen und vier für die Verwendung als Hardware-Port vorgesehen sind. Das Board verfügt ausserdem über einen 256 KB grossen Flash-Speicher, in dem Daten gespeichert werden können. Es kann über eine USB-Verbindung an einen Computer angeschlossen werden.

Arduino Nano

Das Nano ist das kleinste Board, mit dem Sie Ihre Projekte bauen können. Es verfügt über 22 digitale Eingangs- und Ausgangspins, von denen sechs PWM-fähig sind. Das Board verfügt zudem über einen 32 KB Flash-Speicher für Daten. Anstelle eines Standardkabels kann das Arduino Nano mit einem Mini-B-USB-Kabel angeschlossen werden. Des Weiteren zeichnet es sich durch einen extrem niedrigen Stromverbrauch aus. 

Zubehör für Arduino-Boards

Um das Potenzial eines Arduino-Boards voll auszuschöpfen, muss es mit anderen Komponenten verbunden werden. Mit Sensoren und Shields können Sie Ihre Projekte zum Leben erwecken. 

Sensoren

Ein Arduino-Board kann mit verschiedenen Sensoren interagieren, darunter Licht-, Temperatur-, Druck-, Näherungs- und Feuchtigkeitssensoren und viele mehr – und das nur mit einer einfachen Programmierung. 

Shields

Shields sind Ergänzungsplatinen, die auf dem Arduino-Board montiert werden können, um zusätzliche Funktionen zu ermöglichen. Shields können zur Steuerung von Motoren, zur Verbindung mit dem Internet, zur Steuerung eines LCD-Bildschirms und vielem mehr verwendet werden.

Welche Vorteile bietet ein Arduino-Board?

Arduino-Boards eignen sich hervorragend für den Bau und die Entwicklung verschiedener elektronischer Projekte, da sie folgende Vorteile bieten: 

• Kostengünstig: Im Vergleich zu anderen Mikrocontrollern sind die Arduino-Boards eine billigere und praktischere Option. 
• Benutzerfreundlich: Dank ihrer benutzerfreundlichen IDE ist Arduino für Anfänger und Experten gleichermassen geeignet. 
• Sofort einsatzbereit: Die Arduino-Platine ist ein Komplettpaket mit allen Komponenten, die Sie für die Entwicklung von Projekten benötigen, darunter ein Oszillator, eine serielle Kommunikationsschnittstelle, ein Mikrocontroller, ein Brenner, eine LED und ein 5V-Spannungsregler. 
• Zuverlässig: Ob für komplexe oder einfache elektronische Projekte, das Arduino-Board ist immer eine zuverlässige Wahl. Denn die Boards haben bereits gelötete Ein- und Ausgänge. 
• Open-Source-Software und -Hardware: Die Open-Source-Hardware des Arduino-Boards ermöglicht es den Benutzern, auf einfache Weise Elektronikprojekte mit verschiedenen digitalen und analogen Pins zu erstellen. Die Software ist einfach zu bedienen, kann aber auch von Programmierern erweitert werden, um die Sprache über die C++-Bibliotheken zu erweitern.

Ist Arduino ein Mikrocontroller?

Arduino selbst ist kein Mikrocontroller. Wie bereits erwähnt, handelt es sich um eine Open-Source-Elektronikplattform, die auf einfach zu bedienender Hard- und Software basiert. Das Arduino-Board ist ein physisches Stück Hardware, das einen Mikrocontroller als eine seiner vielen Komponenten enthält. Der Mikrocontroller eines Arduino-Boards ist ein Miniaturcomputer auf einem integrierten Schaltkreis, der über programmierbare Eingangs-/Ausgangs-Peripheriegeräte, Speicher und eine zentrale Verarbeitungseinheit verfügt. Arduino-Boards können über verschiedene Mikrocontroller verfügen:

• Der Arduino Uno verwendet den Mikrocontroller ATmega328P.
• Der Arduino Mega verwendet den Mikrocontroller ATmega2560.
• Der Arduino Nano verwendet den Mikrocontroller ATmega328.

Die Arduino-Plattform besteht daher aus einem Mikrocontroller und anderen Komponenten wie Kommunikationsschnittstellen, Leistungsregelung und einer einfach zu bedienenden Entwicklungsumgebung.

Arduino Starterkit

Das Arduino Starter Kit eignet sich hervorragend für Ihr allererstes Arduino-Projekt. Das Kit, das ausschliesslich für Einsteiger entwickelt wurde, führt Sie Schritt für Schritt durch die Grundlagen der Arduino-Nutzung. Es wurde auf der Grundlage des Arduino UNO-Boards entwickelt und wird mit einem Buch geliefert, das Ihnen beim Bau vieler erfinderischer Projekte hilft.

Zudem erhalten Sie eine Auswahl der gängigsten und praktischsten elektronischen Komponenten, sodass Sie sich die Zeit und Mühe sparen können, alles Notwendige zusammenzusuchen. Das Kit erlaubt Ihnen, mit Sensoren und Aktoren die reale Welt zu steuern, wobei Sie mit den Grundlagen der Elektronik beginnen und schliesslich zu komplizierteren Projekten übergehen. Wenn Sie die Projekte des Kits fertiggestellt haben, verfügen Sie über eine Auswahl an Software, Schaltkreisen und − was am wichtigsten ist − über das notwendige Wissen, mit dem Sie sich an schwierigere Aufgaben herantasten können.