Erste Arduino-Programmbeispiele

Das erste Beispiel in jeder Programmiersprache ist es, einfach den Text “Hallo Welt” auf dem Bildschirm auszugeben. Arduinos kommunizieren allerdings weniger mit dem Computer-Bildschirm als vielmehr bevorzugt mit anderen elektronischen Komponenten. Ein einfaches Minimal-Beispiel ist also beispielsweise eine einzelne LED zum Blinken zu bringen.

Blinken einer LED

In der Arduino-IDE kann man über das Menü Datei -> Beispiele einige Beispiel-Quellcode-Dateien laden. Unter der Rubrik 01.Basics findet sich beispielsweise der Eintrag “Blink” mit folgendem Inhalt:

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// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.
// give it a name:
int led = 13;

// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
  // initialize the digital pin as an output.
  pinMode(led, OUTPUT);
}

// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);               // wait for a second
  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);               // wait for a second
}

Der zugehörige Aufbau sieht etwa folgendermaßen aus:

../_images/blink.png

Jeder Text, der hinter einem doppelten Schrägstrich-Zeichen // erscheint, wird vom Compiler ignoriert und dient somit lediglich als Kommentar für sich selbst und/oder andere Programmierer. Allgemein werden die Arduino-Programme mit einer Syntax geschrieben, die auf der Programmiersprache C aufbaut; beispielsweise muss daher jede einzelne Anweisung mit einem Strichpunkt-Zeichen beendet werden.

Eine Besonderheit ist, dass jedes Arduino-Programm eine Funktion setup() und eine Funktion loop() beinhalten muss:

  • Die Funktion setup() wird einmalig nach dem Aufspielen eines neuen Programms sowie bei jedem Neustart des Arduinos ausgeführt.
  • Die Funktion loop() beinhaltet Code, der anschließend in einer Endlos-Schleife ausgeführt wird: Ist die letzte Zeile der loop()-Funktion erreicht, so wird anschließend wieder die erste Zeile dieser Funktion ausgeführt.

Die Funktionsblöcke der setup()- beziehungsweise loop()-Funktion müssen nicht zwingend Code beinhalten; lässt man beide Blöcke leer und überträgt dieses Programm auf den Arduino, so wird jedes vorherige Programm gelöscht, und der Arduino ist “wie neu”.[1]

Im obigen Beispiel wird innerhalb der setup()-Funktion mittels der vordefinierten pinMode()-Funktion der Digital-Pin 13 als Ausgabe-Pin festgelegt (OUTPUT). Innerhalb der loop()-Funktion wird an diesem dann mittels der ebenfalls vordefinierten digitalwrite()-Funktion die Ausgangs-Spannung abwechselnd an- und ausgeschaltet. Damit dies für das menschliche Auge wahrnehmbar wird – ein Arduino kann rund 20\,000 Zeilen Code je Sekunde ausführen – wird mittels der delay()-Funktion das Programm immer wieder um die angegebene Anzahl an Milli-Sekunden unterbrochen.

Einfache Sensor-Schaltungen

In diesem Abschnitt soll zunächst die Verwendung eines Tasters als digitalem Sensor, später dann die Verwendung eines Potentiometers als analogem Sensor kurz vorgestellt werden.

Taster als Digital-Sensor

In der Arduino-IDE kann man über das Menü Datei -> Beispiele ein Beispielprogramm für die Verwendung eines Eingabe-Tasters laden Unter der Rubrik 01.Basics findet sich ein Eintrag “DigitalReadSerial” mit folgendem Inhalt:[2]

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/*
  DigitalReadSerial
 Reads a digital input on pin 2, prints the result to the serial monitor

 This example code is in the public domain.
 */

// digital pin 2 has a pushbutton attached to it. Give it a name:
int pushButton = 2;

// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
  // initialize serial communication at 9600 bits per second:
  Serial.begin(9600);
  // make the pushbutton's pin an input:
  pinMode(pushButton, INPUT);
}

// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  // read the input pin:
  int buttonState = digitalRead(pushButton);
  // print out the state of the button:
  Serial.println(buttonState);
  delay(1);        // delay in between reads for stability
}

Die zugehörige Schaltung sieht etwa folgendermaßen aus:

../_images/digitalsensor-taster.png

Der digitale Pin 2, der in diesem Beispiel als Sensor-Eingang verwendet werden soll, ist einerseits über einen \unit[10]{k
\Omega}-Widerstand mit GND, andererseits über den Eingabetaster mit der Spannung VCC (\unit[5]{V}) verbunden. Diese Schaltung stellt letztlich einen Spannungsteiler dar, wobei der Taster die Rolle des ersten Widerstands R_1 übernimmt:

  • Ist der Taster gedrückt, so beträgt sein Widerstandswert nahezu R_1 =
\unit[0]{\Omega}; fast die gesamte die gesamte anliegende Spannung fällt somit über dem Widerstand R_2 = \unit[10]{k \Omega}, also zwischen dem mit Pin 2 verbundenen Punkt und GND ab. Am Pin 2 wird somit eine Spannung von \unit[>2,5]{V} gemessen, was beim Einlesen mittels der digitalRead()-Funktion den Wert HIGH beziehungsweise 1 liefert.
  • Ist der Taster nicht gedrückt, so beträgt sein Widerstandswert nahezu R_1 = \unit[\infty]{\Omega}. Würde man den Pin 2 nicht über einen Widerstand mittels GND verbinden, so hinge der Anschluss gewissermaßen “in der Luft” – die digitalRead()-Funktion würde dann zufällig entweder den Wert HIGH (1) oder LOW (0) ausgeben. Durch den Widerstand und den so geschlossenen Stromkreis ist Pin 2 hingegen mit GND verbunden, und die digitalRead()-Funktion gibt verlässlich den Wert LOW beziehungsweise 0 aus.

Serieller Monitor – Anzeige der Sensor-Werte

Ist der Arduino mittels eines USB-Kabels mit dem Computer verbunden, so können dort mittels des so genannten “Seriellen Monitors” die Eingabe-Werte des Sensors zum jeweils aktuellen Zeitpunkt angezeigt werden.

Potentiometer als Analog-Sensor

Über das Menü Datei -> Beispiele kann man unter der Rubrik 01.Basics ebenfalls ein Beispielprogramm für die Verwendung eines Potentiometers als Analog-Sensors abrufen. Das Beispiel “AnalogReadSerial” hat folgenden Inhalt:

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/*
  AnalogReadSerial
  Reads an analog input on pin 0, prints the result to the serial monitor.
  Attach the center pin of a potentiometer to pin A0, and the outside pins
  to +5V and ground.

  This example code is in the public domain.
*/

// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
    // initialize serial communication at 9600 bits per second:
    Serial.begin(9600);
}

// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
    // read the input on analog pin 0:
    int sensorValue = analogRead(A0);
    // print out the value you read:
    Serial.println(sensorValue);
    delay(1);        // delay in between reads for stability
}

Die zugehörige Schaltung sieht etwa folgendermaßen aus:

../_images/analogsensor-potentiometer.png

Der Analog-Pin A0 ist in diesem Beispiel mit dem mittleren Anschluss eines Potentiometers (beispielsweise \unit[10]{k \Omega}) verbunden; die äußeren Anschlüsse des Potentiometers sind mit 5V beziehungsweise mit GND verbunden. Die Schaltung stellt somit wiederum einen Spannungsteiler dar, wobei das Verhältnis der Teilwiderstände R_1 und R_2 mittels des Potentiometers variiert werden können.


Anmerkungen:

[1]Allgemein kann der Mikrocontroller Atmega328 eines Arduino-UNO-Boards gut 10\,000 mal neu beschrieben werden; zudem kann auf dem Board jederzeit der Mikrocontroller durch einen neuen ersetzt werden.
[2]Als Alternative zu diesem Programm kann auch unter der Rubrik 02.Digital das Beispielprogramm Button gewählt werden. Dieses ist strukturell sehr ähnlich, bietet umfangreichere Erklärungen zum Aufbau der Schaltung, lässt andererseits jedoch den seriellen Monitor außen vor.