Arduino Projekt: LED Würfel

Abb. 1: LED Würfel

Autor: Justin Frommberger

Ablaufplan

1. Betrachten Sie die Abbildung 1 und lesen sich anschließend die Aufgabenstellung durch.
2. Überprüfen Sie, ob alle Materialien von der Materialliste vorhanden sind.
3. Lesen Sie sich "Vorab wichtig zu wissen" durch.
4. Bauen Sie mit der Abbildung 3 die Schaltung für das Projekt auf.
5. Überprüfen Sie, ob alle benötigten Programme installiert sind.
6. Starten Sie mit der Programmierung vom Projekt.

Aufgabenstellung

Entwickeln Sie ein Projekt, das sich mit der Konstruktion und Herstellung eines eigenen Würfels befasst.

• Bei Betätigung des Tasters sollen die entsprechenden LEDs aufleuchten, um die gewürfelte Zahl darzustellen.
• Die gewürfelte Zahl wird zufällig, zwischen 1 und 6, generiert.
  

⇒ Für den Fall, dass kein Arduino zur Verfügung steht oder Materialien nicht vorhanden sind. Kann dieser webbasierter Arduino Emulator verwendet werden. [klicken]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	Typ 2
③	1	Steckbrett
④	18+	Jumperkabel, männlich/männlich
⑤	7	LED beliebige Farbe
⑥	8	Widerstand 120 Ω
⑦	1	Taster

Vorab wichtig zu wissen

LED

Abb. 2: LED

• Die LED (Light Emitting Diode) hat zwei Anschlüsse: einen positiven Anschluss (+) und einen negativen Anschluss (-).
• Der positive Anschluss wird als Anode bezeichnet und der negative Anschluss als Kathode (siehe Abbildung 2).
• Wenn die LED richtig angeschlossen ist und eine ausreichende Spannung anliegt, leuchtet sie auf.
• Wenn nicht, kann es sein, dass + und - vertauscht wurde. Dies kann zu potenziellen Schäden führen.
  

Beachten Sie, dass LEDs eine begrenzte Vorwärtsspannung haben und einen geeignete Vorwiderstand benötigen.

• Zur Begrenzung des Stromflusses und Vermeidung von Schäden durch Überstrom

Arduino Uno R3

Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen. Er kann nur  5 Volt ausgeben oder annehmen.
Die  5 V können über eine PWM Schnittstelle angepasst werden.

Steckbrett

Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett [klicken]

Aufbau Schaltung

Abb.3 Schaltung

Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung wie in Abbildung 3 aufgebaut werden.

Wichtig: Die Widerstände befinden sich an der kurzen Seite der LED (Minus).

Programmierung

Benötigtes Programm

Laden Sie die aktuellste Version der Arduino IDE herunter. [klicken]
Beachten Sie, die richtige Version für deinen PC auszuwählen (siehe Abbildung 4).

Abb. 4: ArduinoIDE

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Erstellen der Arduino Datei

Starten Sie das Programm Arduino IDE.
Sobald das Programm gestartet ist, öffnen Sie ein neues Projekt und speichern es anschließend.
Stellen Sie sicher, dass Ihr Arduino über ein Kabel mit dem Computer verbunden ist.

• Wichtig: Unter jeder Anleitung ist ein Beispiel vorhanden, das durch Klicken auf "Ausklappen" sichtbar wird.

Neues Projekt & Speichern  

⇒ Überprüfen Sie, ob das richtige Board ausgewählt wurde.

Board check  

⇒ Überprüfen Sie, ob der richtige Port ausgewählt wurde.

• Die Port Nummer ist für jede Schnittstelle anders, beachten Sie den Namen, der in Klammern angegeben ist (Arduino Uno).

Port check  

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Start der Programmierung

Es ist wichtig, die [Programmierrichtlinien] beim Programmieren einzuhalten.

Wenn Sie Fragen zur Programmierung haben, finden Sie die Antworten in den [Grundkenntnissen].

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Initialisierung (Zuweisung)

Für das Projekt ist es erforderlich, zunächst einige Variablen und Pins zu initialisieren.
Alle Pins können am Arduino oder in Abbildung 3 abgelesen werden. Beachten Sie, dass einige LEDs zu zweit initialisiert werden.

1. Pin 7-10 wird den LEDS zugewiesen.
2. Der Button erhält den Pin 6.
3. Eine Variable zum Speichern, ob der Button betätigt wurde.
4. Eine Variable zum Speichern, einer zufälligen Zahl.
5. Eine Konstante Variable zum Speichern eines Delays.

[Quelltext 1: LED_Würfel.ino]

Lösung  

//LED PINS
const byte LEDS_PIN_1 = 10;
const byte LEDS_PIN_2 = 9;
const byte LEDS_PIN_3 = 8;
const byte LED_PIN_4 = 7;

//TASTER PIN
const byte BUTTON_PIN = 6;
byte buttonState = 0;

/* Variablen deklarieren */
unsigned long zufallszahl = 0;        //Variable für Random Zahl zwischen 1 und 6
unsigned int verzoegerung = 500;     //Delay Zeit

void setup()         
{                    

}
void loop() 
{ 

}

---

PINS festlegen

Nachdem Initialisieren der Variable müssen die Pins als OUTPUT oder INPUT deklariert werden.
Hierfür werden die Funktionen pinMode(LED,OUTPUT); und pinMode(LED,INPUT); benötigt.
⇒ pinMode();

[Quelltext 2: LED_Würfel.ino]

Lösung  

void setup()         
{                    
  //Setzt die PINS als OUTPUT
  pinMode(LEDS_PIN_1, OUTPUT);
  pinMode(LEDS_PIN_2, OUTPUT);
  pinMode(LEDS_PIN_3, OUTPUT);
  pinMode(LED_PIN_4, OUTPUT);

  //Setzt den PIN vom Taster als INPUT.
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT);
}

---

Random Zahl erstellen

Um eine zufällige Zahl zu erhalten, ist es erforderlich, eine spezielle Funktion hinzuzufügen, um sicherzustellen, dass der Wert tatsächlich zufällig ist.
⇒ randomSeed();

[Quelltext 3: LED_Würfel.ino]

Lösung  

void setup()         
{                    
 //Dieser Code wird benötigt, um eine korrekte random Zahl zu generieren
 randomSeed(analogRead(0));
}

---

if-Bedingung mit Funktionen

Folgende Schritte sind erforderlich, um die gewürfelte Zahl anzuzeigen:

• Verwende eine if-Bedingung, die bei der Zahl 1 eine einzelne LED einschaltet, bei der Zahl 2 zwei LEDs und so weiter.
  
• Nutzen Sie den Taster zum Starten des Programmes.
  
  

1. Starte mit der Programmierung des Tasters.
Der Taster muss ausgelesen und in einer Variable abgespeichert werden.
⇒ Variable = digitalRead(buttonPin);

[Quelltext 4: LED_Würfel.ino]

Lösung  

void loop()
{
 //Liest den Status des Tasters
 buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);

2. Wenn der Taster gedrückt wird, wird die zufällig gewählte Zahl generiert.
⇒ randomSeed();

[Quelltext: 5 LED_Würfel.ino]

Lösung  

void loop()
{
//Liest den Status des Tasters
  buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);

  if (buttonState == HIGH)
{
  //Zufällig zwischen 1 und 6
   zufallszahl = random(7);

3. Folglich müssen die if-Bedingungen für die Zahlen 1 bis 6 programmiert werden.
Beachten Sie, dass der Button vorher gedrückt werden muss.
⇒ digitalWrite();
⇒ if-Bedingung() { }

[Quelltext 6: LED_Würfel.ino]

Lösung  

  if (buttonState == HIGH)
{
  //Zufällig zwischen 1 und 6
   zufallszahl = random(7);

    //Nummer 1
    if (zufallszahl == 1)
    {
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
    }
    //Nummer 2
    if (zufallszahl == 2)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
    }
    //Nummer 3
    if (zufallszahl == 3)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
    }
    //Nummer 4
    if (zufallszahl == 4)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
    }
    //Nummer 5
    if (zufallszahl == 5)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
    }
   //Nummer 6
   if (zufallszahl == 6)
   {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_2, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
   }
  }

4. Zusätzlich sollen die LEDs nach dem Einschalten eine längere Leuchtdauer haben und erst ausgehen, wenn kein Taster gedrückt wird.
Fügen Sie hierfür in jeder if-Bedingung eine Verzögerung (delay) hinzu und setzen Sie im ELSE alle Pins auf LOW.
⇒ delay();
⇒ digitalWrite(Pin,Low);

[Quelltext 7: LED_Würfel.ino]

Lösung  

    //Nummer 1
    if (zufallszahl == 1)
    {
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 2
    if (zufallszahl == 2)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 3
    if (zufallszahl == 3)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 4
    if (zufallszahl == 4)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 5
    if (zufallszahl == 5)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
   //Nummer 6
   if (zufallszahl == 6)
   {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_2, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (verzoegerung);
   }
  }
  //Wenn der Taster nicht gedrückt ist, werden alle PINS auf LOW gesetzt
  digitalWrite (LEDS_PIN_1, LOW);
  digitalWrite (LEDS_PIN_2, LOW);
  digitalWrite (LEDS_PIN_3, LOW);
  digitalWrite (LED_PIN_4, LOW);
}

Musterlösung

Sollte Ihr Code nicht ordnungsgemäß funktionieren, überprüfen Sie ihn anhand der Musterlösung.

Müsterlösung  

//LED PINS
const byte LEDS_PIN_1 = 10;
const byte LEDS_PIN_2 = 9;
const byte LEDS_PIN_3 = 8;
const byte LED_PIN_4 = 7;

//TASTER PIN
const byte BUTTON_PIN = 6;
byte buttonState = 0;

/* Variablen deklarieren */
unsigned long zufallszahl = 0;        //Variable für Random Zahl zwischen 1 und 6
unsigned int verzoegerung = 500;     //Delay Zeit

void setup ()
{
  //Setzt die PINS als OUTPUT
  pinMode (LEDS_PIN_1, OUTPUT);
  pinMode (LEDS_PIN_2, OUTPUT);
  pinMode (LEDS_PIN_3, OUTPUT);
  pinMode (LED_PIN_4, OUTPUT);

  //Setzt den PIN vom Taster als INPUT.
  pinMode (BUTTON_PIN, INPUT);

  //Dieser Code wird benötigt, um eine korrekte random Zahl zu generieren
  randomSeed(analogRead(0));
}

void loop()
{
  //Liest den Status des Tasters
  buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);

  if (buttonState == HIGH){

    zufallszahl = random(7);    //Zufällig zwischen 1 und 6

    //Nummer 1
    if (zufallszahl == 1)
    {
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 2
    if (zufallszahl == 2)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 3
    if (zufallszahl == 3){
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 4
    if (zufallszahl == 4)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
    //Nummer 5
    if (zufallszahl == 5)
    {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (verzoegerung);
    }
   //Nummer 6
   if (zufallszahl == 6)
   {
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_2, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (verzoegerung);
   }
  }
  //Wenn der Taster nicht gedrückt ist, werden alle PINS auf LOW gesetzt
  digitalWrite (LEDS_PIN_1, LOW);
  digitalWrite (LEDS_PIN_2, LOW);
  digitalWrite (LEDS_PIN_3, LOW);
  digitalWrite (LED_PIN_4, LOW);
}

Quelle

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