Mit Arduino die elektronische Welt entdecken

Die Boardverwaltung‌

Die Arduino-Entwicklungsumgebung kann nicht nur Arduino-Boards programmieren und kontrollieren, sondern auch Boards von anderen Herstellern, wie zum Beispiel die sehr bekannten und beliebten ESP32 oder ESP8266. Um derartige Boards in die Entwicklungsumgebung zu integrieren, muss der Boardverwalter bemüht werden, der unter dem Menüpunkt Werkzeuge | Board | Boardverwalter... zu erreichen ist:

Abb. 15: Der Aufruf der Boardverwaltung

Möchte ich zum Beispiel die Unterstützung für das megaAVR-Board meiner Arduino-Entwicklungsumgebung hinzufügen, tippe ich rechts oben den Suchbegriff megaAVR ein und das entsprechende Installationspaket wird angezeigt. Es kann dann installiert werden:

Abb. 16: Das Hinzufügen eines neuen Boards

Diese Suche kann natürlich auch bei der Bibliothekenverwaltung angewendet werden. Vielleicht bist du am ESP32 und ESP8266 interessiert und hast ESP32 in das Suchfenster eingegeben. Doch leider liefert dieser Suchbegriff kein Ergebnis und die Liste bleibt leer. Keine Panik! Das hat folgenden Hintergrund: Zahlreiche Boards von Drittherstellern liefern Informationen und Installationsdateien auf einem hauseigenen Verzeichnis. Doch wie kannst du der Arduino-Entwicklungsumgebung diese Pfade mitteilen? Ganz einfach! Ruf über den Menüpunkt Datei | Voreinstellungen das entsprechende Dialogfenster auf. Das sieht dann wie folgt aus, wobei ich den benötigten Pfad zur ESP32-Unterstützung schon eingetragen und markiert habe:

Abb. 17: Die Arduino-Voreinstellungen

Der dort einzusetzende Pfad lautet für die ESP32-Unterstützung:

https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

Für eine kombinierte beziehungsweise zusätzliche Unterstützung des ESP8266-Boards ist der folgende Eintrag dem ersten – getrennt durch ein Komma – hinzuzufügen:

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json

Im Anschluss sind beide Boards zur Installation in die Arduino-Entwicklungsumgebung bereit. Es existiert eine Quelle an inoffiziellen Erweiterungen für sogenannte 3rd-Party-Board‌s, die unter der folgenden Adresse zu finden ist:

https://github.com/arduino/Arduino/wiki/Unofficial-list-of-3rd-party-boards-support-urls

Dort sind sehr viele Boards aufgeführt, die mit der Arduino-IDE programmiert werden können. Kopiere die auf dieser Seite angebotenen Pfade in die Arduino-Voreinstellungen in der bereits gezeigten Zeile ein und schon kann es losgehen.

Der Sketch-Code in der Entwicklungsumgebung

Zwar kann ich hier keinen Grundkurs in C/C++-Programmierung geben, doch möchte ich ein paar grundlegende Dinge zu dieser Sprache sagen, die in der Arduino-Entwicklungsumgebung eingesetzt wird. Die Programmiersprache C/C++ ist case-sensitive‌, was bedeutet, dass zwischen Groß- und Kleinschreibung unterschieden wird. Es ist also genau darauf zu achten, wie die Befehle geschrieben werden. Sehen wir uns dazu den Befehl digitalWrite an. Er setzt sich aus zwei Wörtern (digital und Write) zusammen. In der Programmierung wird das Zusammensetzen von Wortbedeutungen mit der Großschreibung des ersten Buchstaben (bis auf das erste Wort) camel-casing‌ genannt. Somit würde die folgende Codierung auf jeden Fall fehlschlagen:

digitalwrite

Derartige Fehler werden aber von der Arduino-Entwicklungsumgebung erkannt und optisch dargestellt. Ein Wort, das Bestandteil eines Befehlssatzes ist, wird in der Regel farblich hervorgehoben. Wird das Wort beziehungsweise der Befehl falsch geschrieben, erfolgt keine farbliche Abhebung vom Rest des Codes, der schwarz gehalten ist. Sehen wir uns das in der Entwicklungsumgebung an:

Es ist zu erkennen, dass der Befehl in Zeile 8 korrekt geschrieben wurde und mit einer entsprechenden Zeichenfarbe versehen wurde. Aufgrund der falschen Schreibweise des Befehls in Zeile 9 wurde dieser nicht erkannt und demnach schwarz dargestellt.

Troubleshooting

Es kann immer wieder hier und da zu Problemen kommen, das passiert mir auch gelegentlich. Aus meinen eigenen Erfahrungen weiß ich, dass es einige typische Fehlerquellen gibt.

Ist das Board mit Spannung versorgt?

Aufgrund eines defekten USB-Kabels kann es sein, dass das Board nicht mit Spannung versorgt wird. Dann leuchtet die LED mit der Bezeichnung ON auf dem Board natürlich nicht. Das hat auch zur Folge, dass das Board vom System nicht erkannt und auch nicht als weiterer COM-Port angezeigt wird.

Stimmt die Auswahl von Board und COM-Port?

Wurde nicht das korrekte Board oder der korrekte COM-Port ausgewählt, dauert das vermeintliche Hochladen schon sehr lange, bis dann letztendlich die folgende Fehlermeldung in roter Schrift im unteren Teil der Entwicklungsumgebung erscheint:

Abb. 18: Die Arduino-Fehlermeldung

Der Zugriff auf den zuvor eingestellten COM5-Port ist nicht zu erreichen. Für weiterreichende Fehler gibt es von Arduino‌ eine Troubleshooting-Seite, die unter der folgenden Internetadresse zu finden ist:

http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Guide/Troubleshooting#toc1

Der richtige COM-Port

Wenn es Probleme mit der Auswahl des richtigen COM-Ports geben sollte, kannst du dir sehr einfach behelfen. Schau dir die Liste der angebotenen COM-Ports über den Menüpunkt Werkzeuge | Port an. Entferne nun das USB-Kabel vom Arduino-Board und sieh nach, welcher Port nicht mehr in der Liste vorhanden ist beziehungsweise stelle die Verbindung wieder her und achte darauf, welcher Port hinzugekommen ist. Die Arduino-Entwicklungsumgebung zeigt alle zur Verfügung stehenden Ports fast unmittelbar nach der erfolgten Änderung an.

Das sollte in deiner Arduino-Bastelwerkstatt vorhanden sein

Kommen wir zur Hardware, die durchgehend in allen Projekten meines Buches Verwendung findet. Damit die elektronischen Bauteile in geeigneter und beständiger Form mit dem Arduino-Board verbunden werden können, schlage ich zwei Dinge vor. Da ist zum einen das Breadboard‌ – auch Steckbrett‌ genannt –, auf das die Bauteile gesteckt werden. Des Weiteren benötigen wir natürlich zahlreiche Verbindungskabel‌, die für die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten notwendig sind. Dafür verwenden wir jedoch keine starren Kabel, sondern flexible Steckbrücken‌, die ohne große Mühe sowohl auf dem Breadboard als auch auf dem Arduino-Board platziert werden können:

Abb. 19: Verschiedene Breadboards und flexible Steckbrücken

Auf Abbildung 19 sehen wir zwei handliche Breadboards, die es in unterschiedlichen Größen, Formen und Farben gibt. Ich empfehle, ein oder mehrere Breadboards in unterschiedlichen Größen zu kaufen, denn sie sind wirklich erschwinglich. Gib im Zweifelsfall lieber etwas mehr Geld für ein Breadboard aus, es lohnt sich. Die flexiblen Steckbrücken – auch Patchkab‌el genannt – kosten ebenfalls nicht die Welt. Es gibt auch sehr schöne Varianten mit der Kombination eines Arduino-Boards und einem Breadboard auf einer festen Unterlage als Kombination wie auf Abbildung 20. Dadurch sind das Arduino-Board und das Breadboard immer an einem Ort vorhanden, das stellt eine gewisse Erleichterung des Schaltungsaufbaus dar. Übrigens: Auf Abbildung 20 ist ein Arduino Uno zu sehen, der als Klon angeboten wird und um einiges günstiger ist als das originale Board. Klone sind Nachbauten von anderen Firmen. Und da der Arduino Uno unter einer Open-Source-Hardwarelizenz veröffentlicht wurde, steht es jedem frei, das Board nachzubauen und zu verändern. Es muss nicht immer original sein, denn Open Source ermöglicht auch derartige Boards.

Abb. 20: Arduino-Board und Breadboard als Kombination

Eine sehr elegante Lösung stellt die Verwendung eines selbst hergestellten Boards dar, das ich Arduino Discoveryboard genannt habe. Ich stelle das Board ausführlicher in Kapitel 4 vor und zeige, wie du es selbst bauen kannst. Das Arduino Discoveryboard erspart dir viel Arbeit, die ansonsten für den Aufbau der Bastelprojekte drauf geht. Aber wie gesagt: Kannst du so machen, musst du aber nicht.

Zusätzlich ist ein Vielfachmessgerät‌ – auch kurz Multimeter‌ – sehr sinnvoll, denn es können damit Spannungen, Strom, Widerstände oder einfach nur elektrische Verbindungen gemessen und überprüft werden.

Es gibt natürlich noch weitere sehr interessante Messgeräte, auf die ich in den Bastelprojekten noch eingehen werde. Das bisher Gezeigte stellt ein Muss an Gerätschaften und Materialien dar, was wirklich nicht viel ist und was jeder Bastler immer parat haben sollte. Das Multimeter ist ein Instrument, das bei der Fehlersuche ein nicht mehr wegzudenkendes Hilfsmittel darstellt. Sei es beim Messen von Spannungen beziehungsweise Strömen, als Durchgangsprüfer oder zur Ermittlung eines Widerstandes: Das Multimeter sollte immer in Reichweite liegen.

Abb. 21: Ein Vielfachmessgerät – Multimeter

Wie deine Idee in den Mikrocontroller kommt

Wir haben in diesem Kapitel gesehen, wie die Software für die Entwicklung eines Programms installiert wurde und wie ein sogenannter Sketch dann nach der Eingabe in die Arduino-Entwicklungsumgebung zum Mikrocontroller übertragen wird. Hinter dieser Prozedur steckt jedoch ein bisschen mehr, als man vielleicht auf den ersten Blick vermuten wird. Sehen wir uns die einzelnen Schritte im Detail an.

Abb. 22: Der Weg von der Idee zur Umsetzung

Zu Beginn steht natürlich immer eine Idee, die in deinem Gehirn entstanden und gereift ist. Natürlich kann der Mikrocontroller keine Gedanken lesen, so dass wir uns einiger Hilfsmittel bedienen müssen. In einem Texteditor, der Bestandteil der Arduino-Entwicklungsumgebung ist, werden unsere Gedanken hinsichtlich der auszuführenden Aktionen mithilfe von Befehlen aus einem Sprachvorrat definiert. Dieser Sprachvorrat enthält Elemente der Programmiersprache C++. Diese werden über einen Compiler (AVR-GCC), der eine Übersetzungsinstanz darstellt, in eine für den Mikrocontroller verständliche Sprache, Maschinensprache genannt, überführt. Die Übertragung dieser Maschinensprache wird von einem Programm mit dem Namen Avrdude‌ übernommen. Dieses Kommandozeilen-Tool dient der Übertragung von Code auf den ATmega328-Mikrocontroller, der auf dem Arudino-Board verbaut wurde.

In diesem Kapitel hast du die Softwarewerkzeuge kennengelernt, die du beherrschen musst, um das Arduino-Board programmieren zu können, entweder webbasiert über den Browser oder als Standalone-Anwendung auf deinem Computer zu Hause. Ich habe gezeigt, wie du das Board an den Computer anschließt und wie sofort ein vorinstallierter Sketch eine eingebaute LED zum Blinken bringt. Mit Änderungen am Code kannst du den Blinkrhythmus nach deinen Wünschen ändern. Für den Fall, dass etwas mit dem Verbinden von Computer und Arduino nicht klappen sollte, habe ich einige typische Fehlerquellen aufgeführt.

Im folgenden Kapitel 3 geht es wieder sehr in die Tiefe: Du erfährst Grundlegendes über die Programmierung.