1 Arduino – was ist das?

17

1.1 Arduino – etwas Hintergrund

17

1.2 Open Source: Die Lizenzen des Arduino-Projekts

18

1.3 Maker und die Arduino-Community

21

1.4 Arduino Uno Rev3 – der Standard

26

1.4.1 Ein- und Ausgangspins

27

1.4.2 Serielle Schnittstellen

29

1.4.3 Spannungsversorgung

29

1.4.4 Warum eigentlich die Bezeichnung »Uno«?

30

1.5 Details zum Mikrocontroller

31

1.5.1 Mikrocontroller-Kern

32

1.5.2 Mikrocontroller-Peripherie

37

2 Arduino-Hardware

59

2.1 Die Produktfamilie Arduino

59

2.1.1 Klassische Arduino-Boards

59

2.1.2 Kompakte Arduino-Boards

67

2.1.3 Die Arduino-MKR-Serie

74

2.1.4 Arduino Yún

78

2.1.5 Arduino Uno Rev3 und Onion Omega2

84

2.2 Arduino-kompatible Boards

85

2.2.1 Seeeduino v4.2

86

2.2.2 LilyPad Arduino

87

2.2.3 Maduino GPRS A6

88

2.2.4 BBC micro:bit bzw. Calliope mini

89

2.2.5 SparkFun Pro nRF52840 Mini

91

2.2.6 STM32 Nucleo

92

2.2.7 Teensy 4.0

94

2.2.8 ESP8266

95

2.2.9 ESP32

98

2.2.10 M5Stack und M5StickC

102

2.2.11 Maixduino

107

2.3 Arduino-Shields

109

2.3.1 Arduino-Standard-Shields

109

2.3.2 Arduino-MKR-Shields

115

3 Das Experimentierumfeld

121

3.1 Elektronische Bauteile

121

3.1.1 Widerstand, Kondensator und Spule

121

3.1.2 Taster, Schalter und Relais

128

3.1.3 Dioden

128

3.1.4 Transistoren und FETs als Schalter

131

3.1.5 Operationsverstärker

137

3.2 Grundlagen zur Schaltungstechnik

139

3.2.1 Ohmsches Gesetz

139

3.2.2 Kirchhoffsche Regeln

139

3.2.3 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

144

3.3 Breadboards und Zubehör

145

3.3.1 Breadboards

145

3.3.2 Breadboard Holder

148

3.3.3 Breadboard Power

150

3.4 Qwiic, Grove und mikroBUS Connection

150

3.4.1 Qwiic Connection

151

3.4.2 Grove System

153

3.4.3 mikroBUS System

153

3.5 Spannungsversorgung

154

3.5.1 USB-Anschluss

155

3.5.2 USB-Hub mit Schnellladeanschluss

157

3.5.3 Steckernetzteil

158

3.5.4 Labornetzgerät

159

3.5.5 Lithium-Polymer-Akku

161

3.5.6 Spannungsversorgung mit Solarzellen

164

3.5.7 Reduzierung des Strombedarfs für Batteriebetrieb

166

3.6 Messtechnik

170

3.6.1 Multimeter

170

3.6.2 Funktionsgenerator

173

3.6.3 Oszilloskop

176

3.6.4 BitScope Micro

178

3.6.5 Saleae Logic Analyzer

183

3.7 CAD-Software

184

3.7.1 Fritzing

184

3.7.2 KiCAD

187

3.7.3 EAGLE

189

3.7.4 EasyEDA Standard

190

3.7.5 Welches Tool soll ich verwenden?

191

4 Arduino-Software

193

4.1 Schritte bei der Programmerstellung

193

4.2 Die Arduino-Entwicklungsumgebung

194

4.3 Die Arduino-Create-Plattform

202

4.3.1 Bestandteile

202

4.3.2 Unterstützte Controller

209

4.4 Arduino Create vs. Arduino IDE

210

4.5 Programmieren in C++

211

4.5.1 Empfehlenswerte Online-Tutorials

211

4.5.2 Einführung in die Grundlagen von C++

212

4.6 Den Arduino programmieren

242

4.6.1 Programmstruktur

242

4.6.2 Arduino-Funktionen

243

4.6.3 Hello World

264

4.6.4 Arduino-Librarys

266

4.7 Alternative Programmierumgebungen

270

4.7.1 BASCOM-AVR

270

4.7.2 FlashForth

273

4.7.3 MicroPython

277

4.7.4 Fazit

281

4.8 Arduino-Boards in Betrieb nehmen

281

4.8.1 Arduino Uno

283

4.8.2 Arduino Uno WiFi Rev2

284

4.8.3 Arduino Yún

290

4.8.4 ESP32

305

4.8.5 M5Stack bzw. M5StickC

308

4.8.6 Teensy 4.0

312

5 Sensoren

317

5.1 Der Thermistor als Temperatursensor

317

5.2 Der Temperatursensor TMP36

320

5.3 Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor DHTxx/AM23xx

324

5.4 Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor Si7021

330

5.5 Der Temperatursensor DS18B20

334

5.6 Die barometrischen Drucksensoren BMP180, BMP280 und BME280

339

5.7 Der Luftqualitätssensor MQ135

344

5.8 Der Grove-Feinstaubsensor PPD42NS

350

5.9 Der Lichtstärkesensor GY-30 (BH1750FVI)

354

5.10 Der Farbsensor GY-TCS3200D

358

5.11 Ultraschall-Entfernungsmessung

364

5.12 ToF-Entfernungsmessung

369

5.13 Bewegungsdetektion mit PIR-Sensoren

373

5.14 Wetterdaten

376

6 Eingabeelemente

383

6.1 Taster und Schalter

383

6.2 Keypads

385

6.3 Joysticks

393

6.4 Drehgeber

396

6.5 Touch-Sensoren

401

6.6 Touch-Panels

402

6.7 RFID

406

6.8 NFC

415

7 Anzeigeelemente

429

7.1 LEDs und RGB-LEDs

429

7.2 Sieben-Segment-Anzeige

435

7.3 LED-Dot-Matrix-Anzeige

438

7.4 Seriell gesteuerte RGB-LEDs

442

7.4.1 NeoPixel

443

7.4.2 DotStar

448

7.4.3 NeoPixel vs. DotStar

452

7.4.4 FastLED

453

7.5 LCDs

456

7.5.1 Display mit HD44780

456

7.5.2 Grove-LCDs mit I2C

459

7.5.3 LCD Keypad Shield

461

7.5.4 Arduino-Shield mit EA DOGS102W-6 und EA PCBARDDOG1701

466

7.5.5 Nokia5110-Grafik-LCD

471

7.6 OLED-Display

479

7.7 Touchscreen

490

7.7.1 Waveshare 2.8" Touch LCD Shield

491

7.7.2 Nextion 2.8" HMI LCD Touch Display

501

8 Aktoren

531

8.1 Relais

531

8.2 Motoren

536

8.2.1 Servo

536

8.2.2 DC-Motor

541

8.2.3 Schrittmotor

557

9 Externe Speicher

571

9.1 Internes EEPROM

571

9.2 Externes EEPROM

574

9.3 FRAM

578

10 Kommunikation

583

10.1 Serielles Interface UART, der interne Monitor

583

10.2 SPI

590

10.3 I2C-Bus

595

10.4 1-Wire-Bus

598

10.5 CAN

606

10.6 Bluetooth und BLE

614

10.6.1 Serielle Bluetooth-Module

615

10.6.2 Mikrocontroller mit BLE

616

10.7 Der Arduino im Netzwerk

629

10.7.1 Ethernet

629

10.7.2 WiFi

634

10.7.3 Performancetests

637

10.8 LoRa bzw. LoRaWAN

639

10.8.1 LoRa/LoRaWAN – Begriffe

639

10.8.2 LoRa-Datenübertragung

640

10.8.3 The Things Network (TTN)

647

10.8.4 LoRaWAN-Knoten

651

10.9 GSM

664

10.9.1 Module und Provider

664

10.9.2 Arduino Uno mit SIM800 EVB

666

10.9.3 Maduino GPRS A6

670

11 Datenformate und Kommunikationsprotokolle

675

11.1 JSON

675

11.2 MQTT

678

11.2.1 MQTT-Grundlagen

678

11.2.2 MQTT-Broker

680

11.2.3 MQTT-Client

682

13 Projektideen für den Arduino

691

13.1 Tragbare Elektronik (Wearables)

691

13.2 Überwachung des Raumklimas

694

13.3 Open Data aus dem Internet

702

13.3.1 OpenWeatherMap

702

13.3.2 Covid-19-Datenbank

707

13.4 Pushover-Statusmeldungen

713

13.4.1 Pushover-Server

714

13.4.2 Pushover Android Client

715

13.4.3 Pushover-Integration ins Arduino-Programm

717

13.5 Arduino Yún

722

13.5.1 Netzwerk-Performance

722

13.5.2 Zwei Welten verbinden

724

13.5.3 Erfassen von Messdaten

726

13.6 M5StickC

733

13.6.1 M5StickC-Hats

733

13.6.2 M5StickC-Thermometer

734

13.6.3 M5StickC – Messen der Wassertemperatur

735

13.7 Maschinelles Lernen

738

14 Gehäuse für den Arduino

745

14.1 ArduiBox Open – Hutschienengehäuse für den Arduino

745

14.2 AZ-Touch MKR/ESP

747

15 Der Arduino in industriellen Anwendungen

749

15.1 Prototyping mit dem Arduino

749

15.2 Industrieanwendungen

749

1 Anhang

753

A.1 Arduino Programming Cheat Sheet

753

A.2 Arduino-Simulatoren

754

A.3 Arduino-Distributoren

756

A.4 Arduino-Beschaffungskosten

757

A.5 Technische Daten im Vergleich

759

A.6 Spezifikation von Widerständen

765

A.6.1 Bedrahtete Widerstände

765

A.6.2 SMD-Widerstände

767

A.7 Zahlensysteme

768