Experten erfassen den Aufbau des Arduino Micro schnell. In seinem Aufbau unterscheidet er sich aber doch sehr von den anderen Arduino-Modellen. Deshalb lohnt sich der Blick auf die Details.
1Einführung
Der Erfolg des Arduino-Konzepts ist ungebrochen. Mehr und mehr Anwender erkennen das außergewöhnliche Potenzial dieser Mikrocontrollerplattform.
Neben der einfachen und kostengünstigen Hardware ist es vor allem auch die problemlos zu bedienende Programmieroberfläche, die den Arduino so erfolgreich werden ließ. Damit lassen sich auch außerhalb einer eng umrissenen Technikgemeinde eindrucksvolle Projekte realisieren.
Bereits Jugendliche kommen mit dem Konzept bestens zurecht. Sogar Kinder können mit Unterstützung eines Erwachsenen die ersten Schritte in das Reich der Elektronik und Mikrocontrollertechnik wagen. Genau hier setzt das vorliegende Buch an. Es werden einfache aber dennoch äußerst interessante Projekte vorgestellt, die ohne detailliertes Fachwissen nachgebaut werden können. Anstelle von Schaltbildern werden realitätsnahe Aufbaubilder verwendet.
Aber natürlich bleibt es nicht beim bloßen Zusammenbauen und Aufspielen von Programmen. In jedem Kapitel wird die Funktion des aufgebauten Geräts genau erläutert.
Zusätzlich wird ab Kapitel 5 auch auf die direkte Programmierung in C eingegangen. Nachdem das professionelle Programmiertool der Firma Atmel vorgestellt wurde, können auch schnelle und effiziente C-Programme für den Arduino Micro erstellt werden. Dadurch wird der Anwendungsbereich dieses kompakten Controllerboards auf die gesamte Welt des Physical Computing erweitert.
1.1Arduino Micro – ein Controllersystem in IC-Größe
Der weltweite Siegeszug des Systems Arduino ist bislang einmalig. Neben seiner raschen Verbreitung in ganz Europa konnte das Board bald auch große Erfolge in den USA vermelden. Dort werden vor allem auch Shields in allen Variationen entwickelt und vertrieben. So haben beispielsweise US-Firmen wie SparkFun oder Seeedstudio die verschiedensten Hardwareerweiterungen, sogenannte »Shields«, im Programm.
Das Wachstum der Arduino-Familie ist weiterhin ungebrochen. Die Entstehung immer neuer Boardvarianten scheint sich sogar noch zu beschleunigen.
Der Arduino-Stammbaum hat seinen Anfang im Jahr 2005 im Ur-Arduino mit einem ATmega8-Controller und einer seriellen Schnittstelle. Wurde zunächst nur diese eine Version immer weiter entwickelt und mit dem Arduino NG und dem Duemilanove mit immer leistungsfähigeren Prozessoren und neuen Schnittstellen versehen, kamen im Jahr 2010 die ersten eigenständigen Äste hinzu.
Abb. 1.1: Arduino UNO in der klassischen Bauform
Arduino Nano, Mega und das Lilypad wurden am Markt eingeführt. Schließlich kamen 2012 noch der Leonardo und der Arduino Due hinzu.
Abb. 1.2: Der Arduino Mega mit dem leistungsfähigen 2560-Prozessor
Im selben Jahr wurde auch der Arduino Micro vorgestellt. In vielerlei Hinsicht hat dieser Baustein das Spielzeugimage der anderen Boards abgelöst. Er hat einen modernen Controller an Board, der direkt über USB kommunizieren kann. Die relativ teuren RS-232-zu-USB-Umsetzer können damit entfallen, was sich auch im Preis des Micro positiv niederschlägt.
Darüber hinaus ist dieser Baustein für den Einsatz auf lötfreien Aufbausystemen bestens geeignet. Durch zwei parallele Pinreihen kann der Micro direkt in ein Breadboard eingesteckt werden. Spezielle und meist auch entsprechend hochpreisige Prototyping-Shields sind somit nicht erforderlich.
Abb. 1.3: Arduino Micro im Vergleich mit einem klassischen IC
Abbildung 1.3 zeigt den Micro im Vergleich zu einem klassischen IC und verdeutlicht so seine äußerst kompakte Bauform.
1.2Der Arduino Micro auf einen Blick
Die technischen Daten des Micro sind in Tab. 1.1 zusammengefasst.
| Mikrocontrollertyp | ATmega32U4 |
| Eingangsspannungsbereich (empfohlen) | 7–12 V |
| Maximaler Eingangsspannungsbereich | 6–20 V |
| Max. Strombelastung pro Pin | 40 mA |
| Max. Strombelastung des 3,3-V-Ausgangs | 50 mA |
| Flashspeicher | 32 KB, davon 4 kB für den Bootloader |
Tab. 1.1: Technische Daten des Arduino Micro
Weitere Einzelheiten dazu, etwa die Bedeutung der einzelnen Speicherarten etc., werden in späteren Kapiteln näher erläutert.
Abb. 1.4: Pinzuordung beim Arduino Micro
1.3Elektronische Aufbausysteme
Will man eigene Schaltungen und Projekte entwickeln und testen, ist das Anfertigen von geätzten Leiterplatten mit erheblichem Aufwand verbunden. Nach dem Entwurf und dem Layout der Platine muss diese chemisch geätzt werden. Dann erst kann das Einlöten der Bauteile erfolgen. Soll die Schaltung nachträglich geändert oder verbessert werden, ist das nur mit erheblichem Aufwand und meist auch nur mit großen Einschränkungen möglich.
Wesentlich einfacher ist der Einsatz von sogenannten lötfreien Steckplatinen. Sie werden oft auch unter dem Namen Breadboards vertrieben. Der Name rührt daher, dass in den Anfangszeiten tatsächlich elektronische Prototypen auf hölzernen Brotbrettern aufgebaut wurden. Sie waren mit Lötnägeln bestückt. Die in früheren Zeiten oftmals noch recht voluminösen Komponenten wurden dann über diese Lötnägel verbunden.
Breadboards waren auch in den Entwicklungsabteilungen der Elektronikindustrie weitverbreitet. Es war durchaus üblich, auch kommerzielle Schaltungen oder Schaltungsteile zunächst auf einem Breadboard auszutesten. Leistungsfähige Simulationswerkzeuge sorgten aber dafür, dass der Einsatz der Breadboards deutlich zurückging. Neue Schaltungsideen werden nun hauptsächlich virtuell am Rechner überprüft, reale Aufbauten, egal ob als Breadboardversion oder als Leiterplattenprototyp, bilden eher eine seltene Ausnahme. In der Elektronikausbildung und an Hochschulen sind Breadboard-Schaltungen aber immer noch häufig anzutreffen.
Im Hobbybereich werden sie sogar wieder öfter verwendet. Durch die Massenproduktion wurden die Breadboards sehr preiswert, sodass hier in den letzten Jahren der Einsatz wieder zugenommen hat. Im Umfeld der Arduino-Gemeinde haben sich lötfreie Steckbretter sogar hervorragend bewährt. Waren sie bei den klassischen Arduino-Versionen noch recht umständlich über Drähte mit den Buchsenleisten der Boards zu verbinden, kann man nun den Arduino Micro in geradezu idealer Weise in ein Breadboard einsetzen. Wackelkontakte, wie sie früher bei den umständlichen Drahtbrückenverbindungen häufig auftraten, gehören nun der Vergangenheit an.
Manchmal hört man das Argument, dass eine Breadboard-Schaltung über längere Zeit hinweg nicht zuverlässig funktioniert. Die Praxis aber beweist das Gegenteil. Wenn man beim Aufbau sorgfältig vorgeht, kann man auch eine Breadboard-Schaltung problemlos im Dauereinsatz betreiben. In Kapitel 1.4 werden einige Tipps und Ratschläge für erfolgreiche Breadboard-Aufbauten gegeben.
Natürlich gibt es Situationen, in denen eine Breadboard-Schaltung nicht zu empfehlen ist. In Fahrzeugen beispielsweise oder in anderen Umgebungen, bei denen mit stärkeren Vibrationen zu rechnen ist. Bei hohen Luftfeuchtigkeiten oder großen Temperaturschwankungen, wird ein Breadboard-Aufbau ebenfalls keine hohe Zuverlässigkeit erreichen, da die Kontaktfedern in diesem Fall leicht korrodieren.
In normalen Wohnräumen dagegen spricht nichts gegen den Dauereinsatz. Wenn die Schaltung in ein Gehäuse eingebaut wird und so vor Staub und mechanischen Einflüssen geschützt ist, kann eine Schaltung über Jahre hinweg zuverlässig arbeiten.
In Kapitel 12 des Buchs wird darauf eingegangen, wie man eine fertig entwickelte Schaltung dauerhaft auf einer Lochrasterplatine aufbauen kann. Der letzte Schritt wäre dann die Entwicklung einer geätzten Leiterplatte. Dieser Schritt lohnt sich allerdings meist nur, wenn bereits eine Kleinserie gefertigt werden soll. Bei Einzelstückzahlen ist es so gut wie immer günstiger, beim Lochrasteraufbau zu bleiben.
Experimentierboards gibt es in den...
