1 Ein Streifzug durch die Welt der Prozessoren

23

1.1 Was ist ein Prozessor und was tut er?

23

1.2 Verschiedene Arten von Prozessoren

31

1.2.1 Der General-Purpose-Prozessor – oder: warum mein Rechner so viel Strom verbraucht

31

1.2.2 Der DSP und warum dieser LTE erst möglich macht

32

1.2.3 Der Microcontroller als »Steuertier« der Familie

33

1.2.4 Ein System – ein Chip

36

1.3 Zusammenfassung

37

2 Ich stelle vor – der Arduino

39

2.1 Aufbau des Arduino

39

2.2 Ein Microcontroller für jeden

42

2.3 Wer die Wahl hat, hat die Qual – die Modelle des Arduino

43

2.3.1 Ardunio Uno

43

2.3.2 Arduino Leonardo

44

2.3.3 Arduino Mega 2560

45

2.3.4 Arduino Due

46

2.3.5 Arduino Mega ADK

46

2.3.6 Arduino Nano

47

2.3.7 Arduino LilyPad

47

2.3.8 Weitere Varianten

48

2.3.9 Andere Hersteller

48

2.3.10 Auswahlhilfe

48

2.4 Installation der Software und Anschließen des Arduino

50

3 Ich packe meinen (Elektronik)-Koffer

57

3.1 Ladung, Spannung, Strom – Willkommen in der E-Technik

57

3.2 Die drei Freunde in der Elektronik: Das ohmsche Gesetz, der Maschen- und der Knotensatz

59

3.2.1 Schaltpläne

63

3.2.2 Strom und Spannung berechnen

64

3.2.3 Ein Beispiel mit dem Arduino

68

3.2.4 Allgemeine Hinweise zum Berechnen von Schaltungen

72

3.3 Widerstand ist nicht immer zwecklos

72

3.3.1 Aufs Material kommt es an ...

72

3.3.2 ... und auf den Querschnitt

74

3.3.3 Bauformen von Widerständen

77

3.3.4 Bauweisen: THT vs. SMD

79

3.4 Reihen- und Parallelschaltung

80

3.5 Bauteile der Elektronik

84

3.5.1 Der Kondensator

84

3.5.2 Die Spule

86

3.5.3 Die Diode

87

3.5.4 Die Leuchtdiode

88

3.6 Rechnen ist gut, simulieren ist aber auch nicht verkehrt – Einführung in Spice

90

3.7 Was kommt denn nun wirklich in den Koffer?

97

3.8 Zusammenfassung

98

4 Es werde Licht – die Entwicklungsumgebung und die Grundlagen von C

101

4.1 Verdrahten für Fortgeschrittene – vom Schaltplan zur Schaltung

102

4.1.1 Vorwiderstände bestimmen

102

4.1.2 Vom Schaltplan zur Schaltung

103

4.1.3 Das Steckbrett (Breadboard)

105

4.1.4 Die Verdrahtung

106

4.2 Eine kurze Geschichte der Programmiersprachen

109

4.3 Die Arduino-IDE

110

4.4 Aufbau eines Programms für den Arduino

114

4.4.1 Ein erster Sketch

116

4.4.2 Blinken im Farbwechsel

119

4.5 Den Sketch »hübscher« machen

121

4.5.1 #define

121

4.5.2 Variablen verwenden

124

4.6 Ein bisschen Dynamik schadet nie

127

4.6.1 Lebenszeit, Sichtbarkeit und Blöcke

130

4.6.2 Abfragen und Schleifen

131

4.7 Morsen mit dem Arduino

135

4.7.1 Arrays

136

4.7.2 Die »for«-Schleife

138

4.7.3 Die Größe von Arrays: »sizeof« ermitteln

145

4.7.4 Anwendung und Ausblick

147

4.8 Zusammenfassung

147

4.9 C – Ultrakurz-Zusammenfassung der Syntax

149

4.9.1 Variablen

149

4.9.2 Datentypen

149

4.9.3 Gruppieren von Daten

151

4.9.4 Funktion

152

4.9.5 Operatoren

153

4.9.6 Kontrollstrukturen

155

5 Der Entscheidungshelfer

159

5.1 Die Sache mit dem Zufall

159

5.1.1 Pseudo-Zufallszahlengeneratoren

161

5.1.2 Echte Zufallszahlen

167

5.2 Aufbau der Schaltung

167

5.3 Ran an die Steuerung

168

5.3.1 Das Blinken dynamischer gestalten

177

5.4 Jetzt neu: Der Entscheidungshelfer auch mit mehr Möglichkeiten

182

5.4.1 Noch ein winziges Problem

187

5.5 Zusammenfassung und Ausblick

192

6 Nachbau der Frontbeleuchtung von K.I.T.T. aus Knight Rider

193

6.1 Aufbau der Schaltung

193

6.2 Aus »Licht an und aus« wird hell und dunkel – Grundlagen der Pulsweitenmodulation (PWM)

195

6.3 Dimmen für Anfänger

200

6.4 Das Lauflicht

208

6.4.1 Einmal vor und einmal zurück

211

6.4.2 Ein Lauflicht mit unterschiedlicher Leuchtstärke

215

6.5 Zusammenfassung und Ausblick

220

7 Wer austeilen kann, der muss auch einstecken können

223

7.1 Pull-up-Widerstand

223

7.2 Polling vs. Interrupt

226

7.2.1 Polling

226

7.2.2 Interrupts

227

7.3 Licht an, Licht aus – jetzt neu mit Taster

232

7.3.1 Licht ein bisschen an – Licht ein bisschen aus

234

7.3.2 Das Licht dimmen

238

7.4 Das Licht im Hausflur

246

7.5 Zusammenfassung und Ausblick

251

8 Timer und Counter

253

8.1 Timer bzw. Counter – was dahintersteckt

253

8.1.1 Grundlagen: Das Binärsystem

254

8.1.2 Zeitspanne berechnen

257

8.2 Aufbau der Schaltung

258

8.3 Ein sekundengenaues Pulsieren

258

8.4 Der »Geekdown« – der etwas andere Countdown

267

8.5 Zusammenfassung und Ausblick

275

9 Wie ein Arduino das Sprechen lernt – serielle Kommunikation

277

9.1 Grundlagen der Kommunikation

278

9.1.1 Serielle Ports auf dem Arduino

284

9.2 Aufbau der Schaltung und weitere Vorbereitungen

284

9.2.1 Die Variante mit dem Converter

286

9.2.2 Tera Term installieren

287

9.2.3 Pins am Converter

289

9.3 »Nummer 5 lebt und spricht« – der Arduino lernt das Sprechen

289

9.3.1 Das Programm im Detail

295

9.4 Der Arduino empfängt Daten

298

9.4.1 Programmieren des steuerenden Arduino

303

9.5 Zusammenfassung und Ausblick

305

10 Die 7-Segment-Anzeige

307

10.1 Die 7-Segment-Anzeige näher betrachtet

308

10.2 Schaltung für den Countdown

313

10.3 Der Countdown

320

10.4 Den Countdown spannender machen

325

10.5 Ihr erstes Spiel für den Arduino

333

10.6 Zusammenfassung und Ausblick

346

11 Der faule (schlaue) Gärtner

349

11.1 Grundbegriffe rund um das Thema »messen«

349

11.2 Was ist Temperatur, und warum hat sie so viele Kelvins?

351

11.3 Die analoge Welt vs. die digitale Welt

353

11.4 Einfache Messschaltung

356

11.5 Aufbau der Messschaltung

360

11.6 Der Arduino misst die Temperatur

362

11.6.1 Eine Bibliothek erstellen

369

11.7 Zusammenfassung und Ausblick

377

12 Der Gärtner wird jetzt digital

379

12.1 Die verschiedenen Topologien

379

12.2 I²C

383

12.3 Datenpakte und Register für das Thermometer TC74

386

12.4 Aufbau der Schaltung

388

12.5 Ihr erstes digitales Thermometer

391

12.5.1 Der stromsparende digitale Gärtner

400

12.6 Zusammenfassung und Ausblick

407

13 Der Gärtner für den Massenmarkt

409

13.1 Wie kann Feuchtigkeit gemessen werden?

409

13.2 Der DHT11 im Detail

411

13.3 Aufbau der Schaltung

414

13.4 Der bezahlbare Gärtner entsteht

416

13.5 Zusammenfassung und Ausblick

429

14 Bin ich schon drin? – Abstandsmessung mit dem Arduino

431

14.1 Verfahren für die Abstandsmessung

431

14.1.1 Wellen

432

14.1.2 Reflexion

435

14.1.3 Triangulation

436

14.2 Die Sensoren im Detail

439

14.2.1 Die Pulslänge für den Ultraschallsensor bestimmen

439

14.2.2 Bestimmen des Pegels für den Infrarotsensor

440

14.3 Aufbau der Schaltung

443

14.4 Die Einparkhilfe entsteht

445

14.4.1 Ultraschall-Sensor

445

14.4.2 Messung mit dem Infrarotsensor

450

14.4.3 Sensoren im Vergleich

451

14.4.4 Die Einparkhilfe

452

14.5 Deine eigene Horrorfilm-Beleuchtung

455

14.5.1 Erst wenn es flackert, ist es wirklich ein Horrorfilm

460

14.6 Zusammenfassung und Ausblick

467

15 Alles für die Katz’? Beschäftigungstherapie für Stubentiger

469

15.1 Wenn sich etwas bewegt, dann ist es bestimmt ein Motor

470

15.1.1 Das Funktionsprinzip von Gleichstrommotoren

470

15.1.2 Arten von Gleichstrommotoren

471

15.1.3 Die H-Brücke

472

15.2 Aufbau des Gehäuses für das Katzenspielzeug

473

15.3 Aufbau der Schaltung

483

15.4 Die Motoren leben!

488

15.4.1 Der Servomotor lebt

488

15.4.2 Das Katzenspielzeug lebt

491

15.5 Licht aus, Bewegung an

500

15.6 Zusammenfassung und Ausblick

507

16 Der Arduino spricht im Netzwerk

509

16.1 Arduino goes Transformer – die Arduino Shields

509

16.1.1 Das Motor Shield

510

16.1.2 Das USB Host Shield

511

16.1.3 Das WiFi Shield

512

16.1.4 Das GSM Shield

512

16.1.5 Weitere Shields

513

16.2 Was ich schon immer über Ethernet erzählen wollte

513

16.2.1 Das Schichtenmodell der Kommunikation

514

16.2.2 Protokolle

516

16.2.3 TCP/IP

519

16.2.4 Eine Adresse für Ihren Arduino

520

16.2.5 Der Physical Layer und der Data Link Layer

521

16.2.6 Zusammenfassung

521

16.2.7 Ausblick

522

16.3 Das Client-Server-Modell

522

16.4 Das Prinzip einer Fernbedienung – Entwicklung eines eigenen Protokolls

523

16.5 Schaltungsaufbau

527

16.6 Die Fernsteuerung entsteht

531

16.6.1 Befehle verstehen und reagieren

536

16.6.2 Abfragen verstehen und antworten

543

16.6.3 Programme zur Fernsteuerung

547

16.7 Der Pflanz-Versorgungs-O-Mat sendet eine E-Mail

547

16.7.1 Der Sketch entsteht

551

16.8 Zusammenfassung und Ausblick

560

17 Fernsteuerung via Bluetooth

563

17.1 Das Für und Wider der Funkkommunikation

563

17.2 Das Ding vom blauen Zahn

564

17.3 Aufbau der Schaltung

565

17.4 Verändern der Bluetooth-Eigenschaften

568

17.5 Die Fernsteuerung entwickeln

571

17.6 Fernsteuerung via App

577

17.7 Zusammenfassung und Ausblick

578

18 Displays – Warum Anzeige nicht gleich Anzeige ist

579

18.1 LCD und das LCD Keypad Shield

579

18.1.1 Die Physik hinter LCD

579

18.1.2 LCD-Displays für Bastler

581

18.2 Die Tasten auswerten

585

18.3 Laufschrift

591

18.3.1 Eine Laufschrift für die Kirmes

595

18.4 Reaktionszeitmesser

597

18.4.1 Eine Highscore-Tabelle für den Reaktionsmesser

610

18.5 Der Arduino wird zum Spielautomaten

625

18.6 Zusammenfassung

659

19 Aller Anfang war schwer

661

19.1 Hilfe, mein Herd verschickt Spam! – Heimautomatisierung mit dem Arduino

661

19.2 Und nun zum Schluss

662