1 Arduino – was ist das?

19

1.1 Arduino – etwas Hintergrund

19

1.2 Open Source: Die Lizenzen des Arduino-Projekts

20

1.3 Maker und die Arduino-Community

23

1.4 Arduino Uno Rev3 – der Standard

25

1.4.1 Ein- und Ausgangspins

26

1.4.2 Serielle Schnittstellen

28

1.4.3 Spannungsversorgung

28

1.4.4 Mikrocontroller ATmega328P

29

1.4.5 Warum eigentlich die Bezeichnung »Uno«?

29

1.5 Details zum Mikrocontroller

30

1.5.1 Der Mikrocontroller-Kern

30

1.5.2 Die Mikrocontroller-Peripherie

35

2 Die Arduino-Hardware

59

2.1 Die Produktfamilie Arduino

59

2.1.1 Klassische Arduino-Boards

59

2.1.2 Kompakte Arduino-Boards

70

2.1.3 Die Arduino-MKR-Serie

81

2.1.4 Die Arduino-Pro-Familie

85

2.1.5 Arduino Yún Rev2

98

2.2 Arduino-kompatible Boards

100

2.2.1 Seeeduino v4.2

100

2.2.2 LilyPad Arduino

101

2.2.3 BBC micro:bit bzw. Calliope mini

102

2.2.4 SparkFun Pro nRF52840 Mini

104

2.2.5 STM32 Nucleo

106

2.2.6 Teensy 4.x

107

2.2.7 ESP8266

108

2.2.8 ESP32

113

2.2.9 M5Stack, M5StickC/M5StickC Plus, M5ATOM und M5Stamp

120

2.2.10 Raspberry Pi Pico

127

2.2.11 Seeed Studio XIAO-Serie

134

2.2.12 Adafruit Feather und SparkFun Thing Plus

135

2.2.13 RAKwireless WisBlock

136

2.2.14 Maixduino

138

2.3 Arduino-Shields

141

2.3.1 Arduino-Standard-Shields

141

2.3.2 Arduino-MKR-Shields

146

2.4 Expansionsboards

150

2.4.1 Arduino Portenta H7

150

2.4.2 Seeeduino XIAO

150

2.4.3 Raspberry Pi Pico

152

3 Das Experimentierumfeld

155

3.1 Elektronische Bauteile

155

3.1.1 Widerstand, Kondensator und Spule

155

3.1.2 Taster, Schalter und Relais

162

3.1.3 Dioden

163

3.1.4 Transistoren und FETs als Schalter

165

3.1.5 Operationsverstärker

171

3.2 Grundlagen zur Schaltungstechnik

173

3.2.1 Ohmsches Gesetz

173

3.2.2 Kirchhoffsche Regeln

173

3.2.3 Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen

177

3.3 Breadboards und Zubehör

178

3.3.1 Breadboards

178

3.3.2 Breadboard Holder

181

3.3.3 Breadboard Power

183

3.4 Qwiic, Grove und mikroBUS Connection

183

3.4.1 Qwiic Connection

184

3.4.2 Das Grove-System

185

3.4.3 Das mikroBUS-System

186

3.5 Spannungsversorgung

187

3.5.1 USB-Anschluss

187

3.5.2 USB-Hub mit Schnellladeanschluss

190

3.5.3 Steckernetzteil

191

3.5.4 Labornetzgerät

192

3.5.5 Lithium-Polymer-Akku

192

3.5.6 Spannungsversorgung mit Solarzellen

196

3.5.7 Reduzierung des Strombedarfs für den Batteriebetrieb

198

3.6 Messtechnik

201

3.6.1 Multimeter

201

3.6.2 Funktionsgenerator

203

3.6.3 Oszilloskop

204

3.6.4 BitScope Micro

205

3.6.5 Saleae Logic Analyzer

210

3.7 CAD-Software

211

3.7.1 Fritzing

211

3.7.2 KiCad

214

3.7.3 EAGLE

214

3.7.4 EasyEDA Standard

214

3.7.5 Welches Tool soll ich verwenden?

215

4 Arduino-Software

217

4.1 Schritte bei der Programmerstellung

217

4.2 Die Arduino-Entwicklungsumgebung

218

4.2.1 Legacy IDE: Arduino 1.8

219

4.2.2 Die Arduino IDE 2

219

4.3 Die Arduino-Create-Plattform

223

4.3.1 Arduino Web Editor

224

4.3.2 Arduino IoT Cloud

226

4.3.3 Arduino Project Hub

226

4.4 Arduino Create vs. Arduino IDE

227

4.5 Programmieren in C++

228

4.5.1 Einführung in die Grundlagen von C++

229

4.5.2 Präprozessor-Direktiven

256

4.6 Den Arduino programmieren

258

4.6.1 Programmstruktur

258

4.6.2 Arduino-Funktionen

259

4.6.3 Hello World

280

4.6.4 Arduino-Librarys

282

4.7 Arduino-Boards in Betrieb nehmen

285

4.7.1 Arduino Uno

286

4.7.2 Arduino Uno WiFi Rev2

288

4.7.3 ESP32

293

4.7.4 M5Stack bzw. M5StickC/C Plus

296

4.7.5 Teensy 4.x

299

4.7.6 Raspberry Pi Pico

302

4.8 Arduino-Debugging

305

4.8.1 Debugging mit digitalem Ausgang

306

4.8.2 printf()-Debugging

306

4.8.3 Die MicroDebug-Library

307

4.8.4 Die ArduinoTrace-Library

310

4.8.5 Arduino-Debugging mit dem SEGGER J-Link Debugger

312

4.9 MicroPython mit Arduino

319

4.10 Grafische Programmierung mit ArduBlock

322

4.11 Simulation mit Wokwi

326

5 Sensoren

329

5.1 Der Thermistor als Temperatursensor

329

5.2 Der Temperatursensor TMP36

332

5.3 Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor DHTxx/AM23xx

336

5.4 Der Temperatur- und Feuchtigkeitssensor Si7021

342

5.5 Der Temperatursensor DS18B20

345

5.6 Die barometrischen Drucksensoren BMP180, BMP280 und BME280

349

5.7 Sensoren zur Messung der Luftqualität

354

5.7.1 Die Gas-Sensoren SGP40 und BME680

356

5.7.2 Der NDIR-Sensor SCD4x

357

5.7.3 Der Luftqualitätssensor MQ135

358

5.8 Der Grove-Feinstaubsensor PPD42NS

363

5.9 Der Umweltsensor SEN55

367

5.10 Der Lichtstärkesensor GY-30 (BH1750FVI)

368

5.11 Das Farbsensormodul GY-TCS3200D

372

5.12 Ultraschall-Entfernungsmessung

377

5.13 ToF-Entfernungsmessung

382

5.14 Bewegungsdetektion mit PIR-Sensoren

385

5.15 Wetterdaten

388

6 Eingabeelemente

395

6.1 Taster und Schalter

395

6.2 Keypads

397

6.3 Joysticks

404

6.4 Drehgeber

407

6.5 Touch-Sensoren

411

6.6 Touch-Panels

412

6.7 RFID

416

6.8 NFC

425

7 Anzeigeelemente

439

7.1 LEDs und RGB-LEDs

439

7.2 Sieben-Segment-Anzeigen

445

7.3 LED-Dot-Matrix-Anzeigen

448

7.4 Seriell gesteuerte RGB-LEDs

452

7.4.1 NeoPixel

452

7.4.2 DotStar

457

7.4.3 NeoPixel vs. DotStar

461

7.4.4 FastLED

461

7.5 LCDs

463

7.5.1 Display mit HD44780

464

7.5.2 LCDs mit I2C-Interface

466

7.5.3 LCD Keypad Shield

468

7.5.4 Nokia-5110-Grafik-LCD

472

7.6 OLED-Displays

480

7.6.1 Eine Bitmap-Bilddatei erzeugen

486

7.7 ePaper

490

7.8 M5Stack-Displays

491

7.9 Touchscreens

492

7.9.1 Waveshare 2.8" Touch LCD Shield

493

7.9.2 Nextion 2.8" HMI LCD Touch Display

502

8 Aktoren

533

8.1 Relais

533

8.2 Motoren

538

8.2.1 Servos

538

8.2.2 DC-Motoren

543

8.2.3 Schrittmotoren

557

9 Externe Speicher

571

9.1 Internes EEPROM

571

9.2 Externes EEPROM

574

9.3 FRAM

577

10 Kommunikation

581

10.1 Serielles Interface UART, der interne Monitor

581

10.2 SPI

587

10.3 Der I2C-Bus

593

10.4 Der 1-Wire-Bus

596

10.5 CAN

602

10.6 Bluetooth und BLE

610

10.6.1 Serielle Bluetooth-Module

611

10.6.2 Mikrocontroller mit BLE

612

10.7 Der Arduino im Netzwerk

624

10.7.1 Ethernet

624

10.7.2 WiFi

629

10.7.3 Die Performance testen

641

10.8 LoRa bzw. LoRaWAN

642

10.8.1 LoRa/LoRaWAN – Begriffe

643

10.8.2 LoRa-Datenübertragung

644

10.8.3 The Things Network (TTN)

650

10.8.4 LoRaWAN-Knoten

653

10.9 GSM

669

10.9.1 Module und Provider

669

10.9.2 Arduino Uno mit SIM800L-EVB

671

10.10 LTE

675

10.10.1 Das LTE-Modul SIM7600

675

10.10.2 WiFi-LTE-Modems

676

10.11 3GPP LPWAN

680

10.11.1 NB-IoT

683

10.11.2 LTE-M

705

11 Mikrocontroller-Netzwerke

711

11.1 nRF24L01-Netzwerke

712

11.1.1 Der Transceiver nRF24L01

712

11.1.2 Das nRF24L01-Modul

714

11.1.3 nRF24L01-Reichweitenmessung

715

11.1.4 Netzwerkknoten komplett

717

11.1.5 Initialisierung des nRF24L01

720

11.1.6 Peer-to-Peer Datenübertragung

721

11.1.7 Netzwerke aufbauen

725

11.1.8 Gateway

728

11.1.9 Sensorknoten

731

11.2 nRF24L01-Mesh

735

11.3 Meshtastic

735

11.3.1 Meshtastic-Devices

736

11.3.2 Die Meshtastic-Firmware

742

11.3.3 Das Meshtastic-Netzwerk im Test

746

11.4 ZigBee

751

11.4.1 ZigBee-Devices

752

11.4.2 ZigBee-Netzwerk

753

11.4.3 Coordinator

753

11.4.4 Router

753

11.4.5 End Device

754

11.4.6 ZigBee in Betrieb nehmen

754

11.4.7 XBee MicroPython

758

11.4.8 Externe Sensorik am ZigBee-Device

761

12 Datenformate und Kommunikationsprotokolle

767

12.1 JSON

767

12.2 MQTT

770

12.2.1 Grundlagen

771

12.2.2 MQTT-Broker

772

12.2.3 MQTT-Client

773

13 Projektideen für den Arduino

777

13.1 Tragbare Elektronik (Wearables)

777

13.2 Überwachung des Raumklimas

780

13.2.1 Sensirion SCD30

782

13.2.2 Sensirion SGP30 und Bosch BME280

789

13.2.3 Bosch BME680

789

13.2.4 Environmental Sensor AZ-Envy

795

13.3 OpenWeatherMap: Open Data aus dem Internet

798

13.4 Pushover-Statusmeldungen

804

13.4.1 Pushover-Server

804

13.4.2 Pushover-Android-Client

806

13.4.3 Pushover-Integration ins Arduino-Programm

807

13.5 Überwachung von Pflanzen

811

13.5.1 M5Stack ENV.II und EARTH

812

13.5.2 Kapazitive Bodenfeuchtesensoren

813

13.5.3 LILYGO T-Higrow Kit

814

13.6 Messung von radioaktiver Strahlung

816

13.6.1 Messtechnische Voraussetzungen

816

13.6.2 Auswertung der GMZ-Impulse

822

13.7 M5StickC

824

13.7.1 M5StickC-Hats

824

13.7.2 M5StickC-Thermometer

826

13.7.3 M5StickC – Messung der Wassertemperatur

826

13.8 Kameraanwendungen

829

13.8.1 ArduCam Shield V2

830

13.8.2 Das ArduCAM ESP32S UNO PSRAM-Board

834

13.8.3 M5Stack Camera

837

13.9 Batteriebetriebener und solargepufferter IoT-Knoten

839

13.9.1 Hard- und Firmware

839

13.9.2 Anwendungsprogramm

842

13.10 Low-Power-IoT-Knoten mit Display

847

13.10.1 Hardware

847

13.10.2 Testprogramme

850

13.10.3 Anwendungsprogramm

853

13.11 Approximation nichtlinearer Sensorkennlinien

855

13.11.1 Polynomapproximation

856

13.11.2 Cubic-Spline-Interpolation

856

13.11.3 Neuronales Netz

857

13.11.4 Vergleichende Betrachtung der Verfahren

858

13.12 Maschinelles Lernen

859

13.12.1 TensorFlow Lite

860

13.12.2 Edge Impulse

860

Anhang

863

A.1 Arduino-Distributoren

863

A.2 Internationale Beschaffung

863

A.3 Technische Daten im Vergleich

864

A.4 Spezifikation von Widerständen

868