Microcontroller: Arduino unterm Christbaum
Der Einstieg in die Programmierwelt ist dank günstiger Computer wie dem Raspberry Pi sehr einfach und mit wenig Hürden verbunden - bei Microcontrollern sieht es hingegen ein wenig anders aus. Eine schier riesige Auswahl von Microcontrollern und Sensoren, Peripheriegeräten und zum Betrieb notwendigen Zubehörs verunsichern möglicherweise zukünftige Maker mehr, als sie zu ermutigen. Wir inspirieren potenzielle Christkinder und Weihnachtsmänner und geben Orientierung im Elektronikdschungel des vorweihnachtlichen Onlinehandels. Für detaillierte Programmieranleitungen gibt es jede Menge weiterführende Links.
Wer sich oder jemand anderem zu Weihnachten einen Microcontroller unter den Weihnachtsbaum legen möchte, muss sich über die folgenden vier Bereiche Gedanken machen:
- Arduino IDE
- Microcontroller
- Sensoren
- Zubehör/Bauteile
Die Arduino IDE: die Entwicklungsumgebung
Die Arduino IDE ist ein Programm, mit dm die Erstellung des Programms, der Download auf den Microcontroller und auch das Debugging durchgeführt wird. Sie ist für Windows, Linux und MacOS verfügbar. Der Download(öffnet im neuen Fenster) ist kostenfrei. Detaillierte Anleitungen sind hier (öffnet im neuen Fenster) (leider nur auf Englisch) zu finden.
Das bedeutet natürlich auch, dass ein entsprechender PC oder Apple-Rechner benötigt wird, um Programme für den Microcontroller erstellen und auch ausprobieren zu können. Die Datenverbindung zwischen PC und Microcontroller erfolgt in der Regel mittels USB-Kabel, über das der Microcontroller auch mit Spannung versorgt wird.
Der Microcontroller: die Schaltzentrale
Bei den Microcontrollern muss man zwischen original Arduino und Arduino-kompatiblen Microcontrollern unterscheiden. Erstere werden von Arduino selbst entwickelt und unterstützt, damit kommt Hardware und Entwicklungsumgebung aus einer Hand.
Bei zweiterem wird das Microcontrollerboard von einem Dritthersteller geliefert, der die Kompatibilität mit der Arduino-Entwicklungsumgebung garantiert. Oft muss hier die entsprechende Boardkonfiguration manuell in der IDE installiert werden. Diese Boards sind oft mit besonderen Hardwarekonfigurationen ausgestattet, wie einem LoRa-Chipsatz, oder auf spezielle Einsatzgebiete getrimmt.
Möchte man sichergehen, dass der gewählte Microcontroller auch von der Arduino IDE unterstützt wird, so kann man dies im Board-Manager(öffnet im neuen Fenster) überprüfen. Dort muss stets der aktuell genutzte Microcontroller konfiguriert sein (damit die Entwicklungsumgebung weiß, wie die Übersetzung des Programms und der Download auf den Microcontroller erfolgen muss). Das heißt, entweder besteht die Unterstützung für den Microcontroller bereits von Haus aus oder der Hersteller liefert die entsprechende Konfiguration mit. Ist beides nicht der Fall, so sollte man als Einsteiger hier eher nicht zugreifen.
Um möglichst schnell und einfach zu Erfolgserlebnissen zu kommen, sollte der Microcontroller mit möglichst viel Peripherie onboard geliefert werden. Zum Beispiel ein 1-Zoll-OLED-Display, GPS-Empfänger, aber auch Bluetooth- und WLAN-Interface ermöglichen schnelles Loslegen, ohne vorher erst eine Schaltung entwickeln zu müssen.
Der Microcontroller selbst sollte möglichst vorassembliert sein, speziell wenn man noch nicht so erfahren mit dem Lötkolben ist. Die Stiftleisten zum Anschluss der Peripheriegeräte sollten also nach Möglichkeit bereits am Board verlötet sein, ebenso die weitere Peripherie, etwa das vorhin genannte OLED-Display.
Das erspart am Weihnachtstag sicher einiges an Frustration und vielleicht auch Beschädigungen am Board durch Lötbrücken. Entscheidet man sich dennoch zum Löten, so sind eine geeignete Lötstation mit einstellbarer Temperatur, eine Löthilfe ("Dritte Hand") sowie eine feine Lötkolbenspitze von großer Hilfe. Beim Entlöten oder Entfernen von Lötbrücken hilft ein Lötzinnabsauger.
Standardmäßig wird der Microcontroller via USB mit Spannung versorgt, es gibt jedoch auch Modelle, die bereits von Haus durch einen Akku mit Energie versorgt werden können. Dies hat den Vorteil, dass die Microcontrolleranwendung auch stand-alone ohne Netzteil betrieben werden kann.
In der Regel haben diese Microcontrollerboards entsprechende Ladeelektronik implementiert, welche den Akku automatisch lädt, sobald der Kontroller via USB mit Spannung versorgt wird. Bei der Anschaffung des Akkus ist auf den korrekten Typ und die korrekte Dimension zu achten, ebenso auf die korrekte Polarisierung beim Einsetzen des Akkus auf dem Board.
Sensoren und Zubehör
Sensoren ermöglichen dem Microcontroller die Wahrnehmung seiner Umgebung und damit richtig interessante Anwendungen. Ob kombinierter Temperatur-/Luftfeuchtigkeit-/Luftdruckmesser wie der BME280-Sensor, Ultraschallentfernungssensoren oder simple Helligkeitssensoren - es gibt für (fast) jeden Anwendungsfall den passenden Sensor.
Die Verbindung zwischen Microcontroller und Sensor erfolgt normalerweise entweder mittels I2C(öffnet im neuen Fenster) - oder SPI(öffnet im neuen Fenster) -Bus. Bereits vorhandene I2C/SPI-Sensoren, welche zum Beispiel schon für Projekte auf einem Raspberry Pi genutzt wurden, können ebenso am Microcontroller eingesetzt werden.
Sensoren werden selten direkt programmiert, sondern eigentlich immer via Software-Bibliotheken angesprochen. Die benötigten Bibliotheken werden in der Arduino IDE über den Library Manager installiert.
Der Name der Bibliothek inklusive Installationsanleitung kann der vom Hersteller zur Verfügung gestellten Dokumentation entnommen werden. In der Regel werden vom Hersteller des Sensors (aber auch des Boards) auch Demoprogramme zum jeweiligen Sensor mitgeliefert, welche, sofern der Sensor korrekt angeschlossen ist, out of the box erste Erfolgserlebnisse liefern können.
Das Zubehör - ohne geht es nicht
Nun haben wir einen Microcontroller, einen oder mehrere Sensoren oder Aktoren, wie zum Beispiel LEDs, und jetzt müssen die Komponenten miteinander verbunden werden. Möchte man nur einen Sensor an den Microcontroller anschließen, so kann man diesen ohne weiteres direkt mit dem Kontroller verbinden. Möchte man aber ein bisschen komplexere Schaltungen abbilden, so kommt man um Steckplatinen (Breadboards), Dupont-Drähte zur Verbindung zwischen Microcontroller und Steckplatine, Drahtbrücken für die Steckplatine (wenn man diese nicht selbst herstellen möchte) und einen Grundstock an Elektronikbauteilen nicht herum.
Unbedingt notwendiges Zubehör:
- Steckplatine
- Dupont-Drähte (m/m, m/f und f/f)
- Widerstände und LEDs
Das klingt jetzt wahrscheinlich alles ziemlich kompliziert, aber so gut wie jeder Hersteller hat ein Starter-Kit im Angebot, das die wichtigsten Anforderungen abdeckt, so dass man unter dem Christbaum sofort loslegen kann.
Für komplexere Projekte sind noch weitere Bauteile wie Kondensatoren, Transistoren und Ähnliches notwendig. Davon würde ich aber zu Beginn abraten, da man sich hier zumindest mit den Grundlagen der Elektrotechnik auskennen sollte, um sich Frustration und mögliche Zusatzkosten wegen zerstörter Bauelemente zu ersparen.
Sicherheitswarnung - ja, ernsthaft! Und Einkaufsliste
Mir ist klar: Der Begriff "Maker" kommt von "machen". Aber ich möchte trotzdem jedem Maker ans Herz legen, zuerst das Handbuch zu lesen und sich das notwendige Grundlagenwissen anzueignen, bevor man loslegt!
Auch wenn der Microcontroller nur mit 5V oder 3,3V betrieben wird, so besteht dennoch die Möglichkeit, durch Unwissenheit oder Unachtsamkeit das Controllerboard und/oder andere Bauteile zu zerstören. Sei es durch falsche Verdrahtung, Lötbrücken, fehlerhafte Dimensionierung eines Vorwiderstands oder falsche Polung des Bauteils - die Elektronik eröffnet viele Wege, etwas falsch zu machen, und auch Profis sind nicht davor gefeit.
Besonders beim Einsatz von Akkus am Microcontrollerboard ist genauestens auf die exakte Dimension des Akkus sowie die korrekte Polung zu achten. Die wenigsten Microcontrollerboards haben diesbezüglich einen Verpolungsschutz implementiert und somit ist die eigene Aufmerksamkeit der beste Schutz vor einem brennenden oder gar explodierenden Akku.
Die Einkaufsliste:
- Microcontroller
- USB-Kabel (falls nicht mitgeliefert)
- Sensor(en): BME280(öffnet im neuen Fenster) - Temperatur-, Luftdruck- und Luftfeuchtigkeitsmesser und
- HC-SR04(öffnet im neuen Fenster) - Ultraschallentfernungsmesser
- Steckplatine (Breadboard)
- Dupont-Kabel für Breadboard (m/m, m/f, f/f)
- Bauteile (Widerstände, LEDs, Kondensatoren, Taster etc.), eventuell ein Starter-Kit andenken
Optional:
- Lötkolben
- Löthilfe "Dritte Hand"
- Multimeter
- Netzgerät
Linksammlung
- Beginners Guide to Arduino(öffnet im neuen Fenster) (bitte speziell Punkt 2 beachten!)
- Download Arduino IDE(öffnet im neuen Fenster)
- Arduino-Dokumentation(öffnet im neuen Fenster)
- Arduino-Youtube-Kanal(öffnet im neuen Fenster)
- Arduino-Forum(öffnet im neuen Fenster)
- Arduino-Subforum auf Deutsch(öffnet im neuen Fenster)
- Unterschiede zwischen I2C- und SPI-Bus(öffnet im neuen Fenster)
- Projekt-Ideen(öffnet im neuen Fenster)
- Arduino-Projekte für Anfänger(öffnet im neuen Fenster)
- Noch mehr Projektideen für Anfänger und Fortgeschrittene(öffnet im neuen Fenster)
Die meisten hier verlinkten Seiten sind auf Englisch gehalten, aber mit gängigen Onlineübersetzungstools einfach zu lesen.
Haben Sie schon mal einen Microcontroller zu Weihnachten verschenkt? War es das beste Geschenk aller Zeiten oder wurde es schnell wieder beiseitegelegt? Ich freue mich auf Ihren Kommentar!