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E-Book

Das Action-Buch für Maker

Bewegung, Licht und Sound mit Arduino und Raspberry Pi - Experimente und Projekte

AutorSimon Monk
Verlagdpunkt
Erscheinungsjahr2016
Seitenanzahl360 Seiten
ISBN9783960880271
FormatPDF/ePUB
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis29,90 EUR
Power-Maker Simon Monk begleitet Sie Schritt für Schritt durch Experimente und Projekte, die zeigen, wie Sie Ihren Arduino oder Raspberry Pi dazu bringen, Motoren, LEDs, Sound und andere Aktoren zu steuern. Er beginnt mit den Grundlagen und führt Sie nach und nach zu immer größeren Herausforderungen. Mit anderen Worten: Action! Arduino ist ein einfacher Mikrocontroller mit einer leicht zu erlernenden Programmierumgebung, während Raspberry Pi ein kleiner Linux-basierter Computer ist. Der Autor macht die Unterschiede zwischen beiden deutlich und erklärt, zu welchem Zweck sie jeweils am besten geeignet sind. Mit diesen weit verbreiteten und günstigen Plattformen werden Sie lernen, LEDs, Motoren verschiedener Typen, Magnetventile, Wechselstromgeräte, Heizungen, Kühler, Displays und Sounds zu steuern. Schließlich werden Sie sogar in der Lage sein, diese Geräte per Internet zu überwachen und zu regeln. Das Arbeiten mit lötfreien Steckbrettern ermöglicht Ihnen einen raschen Einstieg und schon in kürzester Zeit bauen Sie Projekte, die lehrreich sind und dabei einfach nur Spaß machen. - Bauen Sie einen 'Dosenquetscher' mit einem Linearmotor und Arduino - Bewässern Sie mit einem Arduino Ihre Pflanzen automatisch - Erstellen Sie ein individuelles Stoppsignal mit LEDs - Kühlen Sie Ihre Getränke mit einem selbstgebauten Thermostaten - Verstehen und verwenden Sie den PID-Regelalgorithmus - Setzen Sie einen Raspberry Pi ein, um eine Puppentanzparty zu schaffen, die sich zu Ihren Tweets bewegt!

Simon Monk ist Vollzeit-Autor, der vor allem Bücher über Elektronik für Bastler schreibt. Zu seinen bekannteren Werken gehören Programming Arduino: Getting Started with Sketches, Raspberry Pi Kochbuch und Elektronik-Hacks: Ein Do-It-Yourself-Guide für Einsteiger. Außerdem hilft er seiner Frau Linda, der Geschäftsführerin von MonkMakes.com, Bausätze und andere Produkte rund um seine Bücher herzustellen und zu verkaufen. Sie können Simon auf Twitter folgen und auf simonmonk.org mehr über seine Bücher erfahren.

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Leseprobe

1 Einleitung


Mit dem Arduino und dem Raspberry Pi ist es für Bastler leichter denn je, in die Welt der Elektronik einzusteigen, etwa um ein Heimautomatisierungssystem im Eigenbau zu realisieren, mit dem Sie die Beleuchtung und die Heizung über ein WLAN steuern können, oder einfach um Motoren zu regeln.

In diesem Buch zeige ich Ihnen, wie Sie diese beiden beliebten Plattformen einsetzen können, um mit Ihrem Raspberry Pi oder Arduino Bewegungen, Licht und Ton hervorzurufen und zu steuern.

Arduino und Pi


Sowohl der Arduino als auch der Raspberry Pi sind kleine Platinen ungefähr von der Größe einer Kreditkarte, aber im Grunde genommen handelt es sich bei ihnen um sehr unterschiedliche Geräte. Der Arduino ist eine sehr einfache Mikrocontroller-Platine ohne irgendeine Form von Betriebssystem, während es sich bei dem Raspberry Pi um einen Minicomputer mit Linux handelt, an den außerdem externe elektronische Geräte angeschlossen werden können.

Der Raspberry Pi

Wenn Sie noch keine Erfahrungen mit Elektronik haben, aber mit Computern vertraut sind, ist der Raspberry Pi (siehe Abb. 1–1) für Sie das geläufigere Gerät. Er stellt eine äußerst kleine Version eines normalen Linux-Computers dar und verfügt über USB-Anschlüsse für eine Tastatur und eine Maus, einen HDMIVideoausgang für einen Monitor oder einen Fernseher und einen Audioausgang.

Abb. 1–1 Ein Raspberry Pi 2

Über seinen Ethernetanschluss können Sie den Raspberry Pi auch mit einem Netzwerk verbinden. Sie können aber auch USB-WLAN-Adapter anschließen. Die Stromversorgung erfolgt über eine Micro-USB-Buchse.

Für die Speicherung wird statt eines herkömmlichen Festplattenlaufwerks eine Micro-SD-Karte verwendet. Sie enthält sowohl das Betriebssystem als auch Ihre Dokumente und Programme.

Entwickelt wurde der Raspberry Pi in Großbritannien, hauptsächlich als kostengünstiger Computer, um Schulkindern die Grundlagen der Informatik beizubringen, insbesondere die Programmierung in Python. Der Name Pi soll sogar von Python abgeleitet sein.

Zwischen einem normalen Desktop- oder Laptop-Computer mit Linux und dem Raspberry Pi bestehen vor allem folgende Unterschiede:

  • Der Pi kostet lediglich um die 40 €. (Ein abgespecktes Modell namens A+ ist für einen noch niedrigeren Preis erhältlich, und das Modell 0 kostet sogar noch weniger.)

  • Der Pi hat eine Leistungsaufnahme von weniger als 5 W.

  • Der Pi verfügt über eine Doppelreihe von GPIO-Pins (General Purpose Input/Output, also »Allzweck-E/A-Pins«), an die Sie direkt elektronische Geräte anschließen können. (In Abb. 1–1 sehen Sie diese Pins auf der linken Seite der oberen Kante.) Über diese Pins können Sie LEDs, Displays, Motoren und viele weitere Arten von Ausgabegeräten steuern, mit denen wir in diesem Buch noch arbeiten werden.

Außerdem kann der Raspberry Pi über ein WLAN oder ein LAN-Kabel mit dem Internet verbunden werden, was ihn für Projekte im Rahmen des »Internets der Dinge« (siehe Kapitel 16) geeignet macht.

Der in diesem Buch hauptsächlich verwendete Raspberry Pi 2 weist folgende technische Daten auf:

  • 900-MHz-Quad-Core-Prozessor ARM v7

  • 1 GB DDR2-Speicher

  • 100-BaseT-Ethernet

  • 4 USB-2.0-Anschlüsse

  • HDMI-Videoausgang

  • Buchse mit Kameraschnittstelle

  • 40-polige GPIO-Stiftleiste (alle Pins werden mit 3,3 V betrieben)

Nach Abfassung der Originalausgabe dieses Buches ist das neue Modell Raspberry Pi 3 auf den Markt gekommen.

Abb. 1–2 Optisch kaum vom Raspberry Pi 2 zu unterscheiden: das neue Modell 3

Äußerlich sieht der Pi 3 praktisch genauso aus wie das Modell 2, und auch alle vertrauten Anschlüsse sind unverändert vorhanden. Es hat jedoch erhebliche »unsichtbare« Neuerungen gegeben, nämlich bei der Rechenleistung und bei den Anschlüssen. So ist der Raspberry Pi 3 jetzt mit einem 64-Bit-Vierkernprozessor vom Typ ARMv8 mit 1,2 GHz ausgestattet und verfügt über eine 802.11n-WLANVerbindung sowie über einen Bluetooth-Anschluss (Bluetooth 4.1 und Bluetooth Low Energy). Der in Kapitel 3 erwähnte WLAN-Adapter ist daher bei diesem Modell nicht mehr nötig.

Wenn der Raspberry Pi für Sie neu ist, können Sie sich mit dem Einführungskurs in Kapitel 3 sehr schnell mit der Hardware und der Programmiersprache Python vertraut machen.

Der Arduino

Es gibt eine breite Palette von unterschiedlichen Arduino-Modellen. In diesem Buch konzentrieren wir uns auf das am weitesten verbreitete, nämlich den Arduino Uno (siehe Abb. 1–3). Er ist noch ein bisschen billiger als der Raspberry Pi – Sie können ihn schon für 25 € bekommen.

Abb. 1–3 Ein Arduino Uno Revision 3

Wenn Sie die Arbeit mit einem regulären Computer gewohnt sind, werden Ihnen die technischen Daten des Arduino höchst unzureichend vorkommen. Er hat lediglich einen Arbeitsspeicher (unterschiedlicher Art) von 34 KB. Das bedeutet, dass der Raspberry Pi einen etwa 30.000 Mal größeren Arbeitsspeicher aufweist, worin der Flash-Speicher der SD-Karte noch nicht einmal enthalten ist. Des Weiteren beträgt der Prozessortakt des Arduino Uno nur 16 MHz. Es ist auch nicht möglich, eine Tastatur, eine Maus oder einen Monitor an den Arduino anzuschließen oder auf ihm ein Betriebssystem auszuführen.

Vielleicht fragen Sie sich nun, wie dieses kleine Gerät überhaupt irgendetwas Sinnvolles tun kann. Das Geheimnis des Arduino liegt jedoch gerade in seiner Einfachheit. Es gibt kein Betriebssystem, das Sie erst starten müssten, und keine anderen Schnittstellen, die für ein Projekt vielleicht unnötig wären und nur Kosten verursachen und Strom verbrauchen würden.

Der Raspberry Pi ist ein Allzweckcomputer, der Arduino dagegen soll einzig und allein eine Sache gut machen, nämlich das Steuern elektronischer Geräte.

Um einen Arduino zu programmieren, brauchen Sie einen regulären Computer (Sie können dazu auch einen Raspberry Pi verwenden). Auf diesem Computer benötigen Sie eine integrierte Entwicklungsumgebung (Integrated Development Environment, IDE). Darin schreiben Sie die Programme, die anschließend in den Flash-Speicher des Arduino heruntergeladen werden.

Der Arduino kann immer nur ein Programm auf einmal ausführen. Nachdem er programmiert wurde, merkt er sich das Programm und führt es automatisch aus, sobald er eingeschaltet wird.

Arduinos sind so gestaltet, dass Sie sogenannte Shields auf die E/A-Anschlüsse aufstecken können. Diese Shields tragen zusätzliche Hardware, z. B. verschiedene Arten von Anzeigen, Ethernet- oder WLAN-Adapter.

Zur Programmierung eines Arduino verwenden Sie die Programmiersprache C (mehr darüber erfahren Sie in Kapitel 2).

Welches Gerät – Arduino oder Pi?

In diesem Buch wird erklärt, wie Sie elektronische Geräte sowohl an den Arduino als auch an den Raspberry Pi anschließen können. Einer der Gründe dafür besteht darin, dass für einige Projekte der Pi besser geeignet ist, für andere der Arduino. Es gibt noch andere Platinen, die zwischen diesen beiden Extremen liegen. Im Allgemeinen ähneln sie entweder dem Arduino oder dem Raspberry Pi, sodass Ihnen dieses Buch auch dabei helfen kann, mit diesen Alternativen zu arbeiten.

Wenn ich mit einem neuen Projekt beginne, nehme ich im Allgemeinen einen Arduino. Stellt das Projekt aber eine der folgenden Anforderungen, dann ist ein Raspberry Pi wahrscheinlich die bessere Wahl:

  • Internet- oder Netzwerkanschluss

  • Großer Bildschirm

  • Tastatur und Maus

  • USB-Peripheriegeräte, z. B. eine Webcam

Mit einigen Kosten und Mühen ist es möglich, einen Arduino mithilfe von Shields so zu erweitern, dass er diese Anforderungen ebenfalls erfüllt. Allerdings ist es schwieriger, die Sachen auf diese Weise zum Laufen zu bekommen, da nichts davon zu den eigentlichen Funktionen des Arduino gehört.

Gute Gründe dafür, den Arduino gegenüber dem Raspberry Pi vorzuziehen, sind die folgenden:

  • Kosten Ein Arduino Uno ist billiger als ein Raspberry Pi 2.

  • Startzeit Ein Arduino muss nicht darauf warten, dass das Betriebssystem hochfährt. Es gibt eine kleine Verzögerung von etwa einer Sekunde, in der das Gerät prüft, ob ein neues Programm hochgeladen wird, aber danach ist der Arduino in Betrieb.

  • Zuverlässigkeit Der Arduino ist ein viel einfacheres und robusteres Gerät als der Raspberry Pi und kommt ohne den Zusatzaufwand eines Betriebssystems aus.

  • Stromverbrauch Ein Arduino verbraucht nur ein Zehntel so viel Strom wie ein Raspberry Pi. Wenn Sie Ihr Projekt mit Batterie- oder Solarstrom betreiben müssen, ist der Arduino die bessere...

Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Das Action-Buch für Maker1
Inhalt5
Kapitel 1: Einleitung17
Arduino und Pi17
Der Raspberry Pi17
Der Arduino20
Welches Gerät – Arduino oder Pi?21
Alternativen22
Zusammenfassung24
Kapitel 2: Der Arduino25
Was ist ein Arduino?25
Die Arduino-IDE installieren27
Sketche hochladen29
Der Code zu diesem Buch30
Programmierleitfaden31
Setup und loop31
Variablen32
Digitale Ausgänge32
Digitale Eingänge33
Analoge Eingänge35
Analoge Ausgänge36
If/else37
Steuerschleifen38
Funktionen39
Zusammenfassung41
Kapitel 3: Der Raspberry Pi43
Was ist ein Raspberry Pi?43
Den Raspberry Pi einrichten45
Eine Micro-SD-Karte mit NOOBS vorbereiten46
SSH einrichten47
SSH auf einem Windows-Computer49
SSH auf Mac und Linux50
Die Linux-Befehlszeile51
Der Code zu diesem Buch53
Programmierleitfaden53
Hello, World53
Tabulatoren und Einrückungen54
Variablen55
If, while usw.55
Die Bibliothek RPi.GPIO56
Der GPIO-Header56
Digitale Ausgänge57
Digitale Eingänge58
Analoge Ausgänge58
Zusammenfassung58
Kapitel 4: Schnelleinstieg59
Steckbretter59
Wie funktioniert ein Steckbrett?61
Ein Steckbrett an den Arduino anschließen61
Ein Steckbrett an den Raspberry Pi anschließen62
Die Software herunterladen63
Experiment: Eine LED steuern63
Stückliste64
Schaltungsaufbau64
Verbindungen mit dem Arduino65
Die Software für den Arduino66
Experimentieren mit dem Arduino66
Verbindungen mit dem Raspberry Pi67
Die Software für den Raspberry Pi68
Experimentieren mit dem Raspberry Pi70
Der Code im Vergleich70
Experiment: Einen Motor steuern71
Stückliste72
Schaltungsaufbau72
Experimentieren ohne Arduino und Raspberry Pi73
Verbindungen mit dem Arduino74
Experimentieren mit dem Arduino75
Verbindungen mit dem Raspberry Pi75
Experimentieren mit dem Raspberry Pi75
Zusammenfassung76
Kapitel 5: Grundlagen der Elektronik77
Stromstärke, Spannung und Widerstand77
Stromstärke77
Spannung79
Masse79
Widerstand79
Leistung80
Häufig verwendete Bauteile81
Widerstände81
Transistoren82
Dioden89
LEDs89
Kondensatoren90
Integrierte Schaltkreise (ICs)90
Das kleine Einmaleins der Anschlüsse90
Digitale Ausgänge91
Digitale Eingänge91
Analoge Eingänge91
Analoge Ausgänge92
Serielle Kommunikation92
Zusammenfassung92
Kapitel 6: LEDs93
Herkömmliche LEDs93
Die Stromstärke begrenzen94
Projekt: Ampel96
Stückliste97
Grundkonstruktion97
Verbindungen mit dem Arduino97
Die Software für den Arduino98
Verbindungen mit dem Raspberry Pi99
Die Software für den Raspberry Pi100
PWM für LEDs101
RGB-LEDs102
Experiment: Farben mischen103
Die Hardware103
Stückliste105
Verbindungen mit dem Arduino105
Die Software für den Arduino106
Experimentieren mit dem Arduino106
Verbindungen mit dem Raspberry Pi107
Die Software für den Raspberry Pi108
Experimentieren mit dem Raspberry Pi109
Zusammenfassung110
Kapitel 7: Motoren, Pumpen und Aktoren111
Drehzahlregelung (PWM)113
Experiment: Die Drehzahl eines Gleichstrommotors regeln113
Die Hardware113
Verbindungen mit dem Arduino113
Die Software für den Arduino114
Experimentieren mit dem Arduino116
Verbindungen mit dem Raspberry Pi116
Die Software für den Raspberry Pi116
Experimentieren mit dem Raspberry Pi118
Gleichstrommotoren über ein Relais steuern118
Ein Relais mit dem Arduino oder dem Raspberry Pi schalten120
Relaismodule121
Experiment: Einen Gleichstrommotor über ein Relaismodul steuern122
Stückliste122
Verkabelung123
Die Software für den Arduino123
Die Software für den Raspberry Pi124
Einen Motor auswählen125
Drehmoment125
Drehzahl126
Getriebe126
Getriebemotoren127
Pumpen127
Peristaltische Pumpen128
Kreiselpumpen129
Projekt: Arduino-Bewässerungsanlage für Zimmerpflanzen130
Grundkonstruktion130
Stückliste131
Zusammenbau132
Die Software134
Das Projekt verwenden136
Linearaktoren137
Magnetventile138
Zusammenfassung140
Kapitel 8: Motorsteuerung für Fortgeschrittene141
H-Brücken142
H-Brücken auf einem Chip143
Experiment: Drehrichtung und Drehzahl eines Motors steuern145
Stückliste146
Grundkonstruktion147
Schaltungsaufbau148
Experimentieren149
Verbindungen mit dem Arduino151
Die Software für den Arduino152
Experimentieren mit dem Arduino154
Verbindungen mit dem Raspberry Pi155
Die Software für den Raspberry Pi155
Experimentieren mit dem Raspberry Pi157
Andere H-Brücken-ICs158
L298N158
TB6612FNG162
H-Brücken-Module162
Projekt: Arduino-Getränkedosenpresse164
Stückliste165
Verkabelung165
Mechanische Konstruktion166
Die Software für den Arduino166
Zusammenfassung168
Kapitel 9: Servomotoren169
Verschiedene Arten von Servomotoren169
Servomotoren steuern171
Experiment: Die Stellung eines Servomotors steuern171
Die Hardware172
Stückliste173
Verbindungen mit dem Arduino173
Die Software für den Arduino174
Experimentieren mit dem Arduino176
Verbindungen mit dem Raspberry Pi176
Die Software für den Raspberry Pi177
Experimentieren mit dem Raspberry Pi178
Projekt: Pepe, die tanzende Raspberry Pi-Marionette179
Stückliste180
Grundkonstruktion180
Zusammenbau181
Die Software188
Die Marionette verwenden190
Zusammenfassung190
Kapitel 10: Schrittmotoren191
Verschiedene Arten von Schrittmotoren192
Bipolare Schrittmotoren192
Experiment: Einen bipolaren Schrittmotor steuern195
Stückliste196
Grundkonstruktion196
Die Arduino-Version197
Verbindungen mit dem Arduino197
Die Software für den Arduino (die ausführliche Variante)199
Die Software für den Arduino (die einfache Variante)201
Experimentieren mit dem Arduino203
Die Raspberry Pi-Version204
Verbindungen mit dem Raspberry Pi204
Die Software für den Raspberry Pi205
Experimentieren mit dem Raspberry Pi207
Unipolare Schrittmotoren207
Darlington-Arrays208
Experiment: Einen unipolaren Schrittmotor steuern209
Die Hardware210
Stückliste211
Verbindungen mit dem Arduino212
Verbindungen mit dem Raspberry Pi212
Die Software213
Mikroschrittbetrieb213
Experiment: Mikroschrittbetrieb mit dem Raspberry Pi214
Stückliste214
Verbindungen mit dem Raspberry Pi215
Software215
Experimentieren218
Bürstenlose Gleichstrommotoren218
Zusammenfassung220
Kapitel 11: Heizen und Kühlen221
Widerstandsheizung221
Experiment: Heizen mit Widerständen221
Stückliste222
Zusammenbau222
Experimentieren222
Projekt: Zufallsgesteuerter Arduino-Ballonzerplatzer223
Stückliste224
Die Hardware224
Die Software225
Den Ballonzerplatzer verwenden227
Heizelemente227
Leistung und Energie228
Von der Leistung zum Temperaturanstieg228
Kochendes Wasser229
Peltier-Elemente229
Wie funktioniert ein Peltier-Element?230
Praktische Überlegungen231
Projekt: Getränkekühler232
Stückliste233
Zusammenbau234
Das Projekt verwenden235
Zusammenfassung235
Kapitel 12: Regelkreise237
Ein einfacher Thermostat237
Experiment: Wie gut funktioniert ein Ein/Aus-Thermostat?238
Stückliste239
Grundkonstruktion240
Schaltungsaufbau241
Die Software242
Experimentieren245
Hysterese247
PID-Steuerung248
Proportionalität (P)248
Integral (I)250
Ableitung (Derivativ, D)251
PID-Regler einstellen251
Experiment: PID-geregelter Thermostat252
Die Hardware253
Die Software für den Arduino253
Experimentieren mit dem Arduino256
Verbindungen mit dem Raspberry Pi260
Die Software für den Raspberry Pi261
Experimentieren mit dem Raspberry Pi265
Projekt: Getränkekühler mit Thermostat266
Die Hardware267
Stückliste267
Grundkonstruktion268
Zusammenbau269
Die Software für den Arduino271
Zusammenfassung275
Kapitel 13: Wechselstrom schalten277
Wechselstrom schalten – in der Theorie278
Was ist Wechselstrom?278
Relais279
Optokoppler280
Nulldurchgangs-Optokoppler und Triacs281
Wechselstrom schalten – in der Praxis282
Relaismodule282
Halbleiterrelais284
Der PowerSwitch Tail285
Projekt: Zeitschaltuhr mit dem Raspberry Pi285
Stückliste286
Zusammenbau286
Die Software287
Das Projekt verwenden288
Zusammenfassung288
Kapitel 14: Displays289
LED-Streifen289
Experiment: Einen RGB-LED-Streifen steuern290
Stückliste291
Verbindungen mit dem Arduino291
Die Software für den Arduino292
Verbindungen mit dem Raspberry Pi293
Die Software für den Raspberry Pi295
I2C-OLED-Displays297
Experiment: Ein I2C-Displaymodul an einem Raspberry Pi298
Stückliste298
Verbindungen299
Die Software299
Experimentieren301
Projekt: Getränkekühler mit Temperaturanzeige302
Stückliste302
Verbindungen303
Die Software303
Zusammenfassung305
Kapitel 15: Ton307
Experiment: Lautsprecher ohne Verstärkung am Arduino307
Stückliste308
Schaltungsaufbau308
Die Software für den Arduino309
Experimentieren mit dem Arduino310
Verstärker311
Experiment: Klangdateien auf einem Arduino abspielen311
Stückliste312
Die Klangdatei erstellen312
Die Software für den Arduino314
Experimentieren mit dem Arduino314
Einen Verstärker an den Arduino anschließen315
Klangdateien auf dem Raspberry Pi abspielen317
Projekt: Pepe spricht318
Stückliste319
Schaltungsaufbau320
Die Software321
Die sprechende Marionette verwenden323
Zusammenfassung323
Kapitel 16: Das Internet der Dinge325
Bottle für den Raspberry Pi326
Projekt: Ein Webschalter mit dem Raspberry Pi327
Die Hardware327
Die Software328
Den Webschalter verwenden329
Der Arduino im Netzwerk329
Projekt: Die tanzende Marionette über Twitter steuern331
Pepe mit dem Internet verbinden332
IFTTT (IF This Then That)335
Das Projekt verwenden337
Zusammenfassung338
Anhang A: Teile339
Lieferanten339
Widerstände und Kondensatoren340
Halbleiterelemente341
Anschlusselemente342
Verschiedenes342
Pinbelegungen343
Anhang B: GPIO-Pinbelegung des Raspberry Pi345
Stichwortverzeichnis347
www.dpunkt.de0

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