Arduino: Taster auswerten und LEDs ansteuern

Abb. 1: Pulsierende LED

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul I
Lektion 3:	Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester

Inhalt

• Programmierrichtlinien
• Taster mittels Arduino auslesen, entprellen, Pull-Up/Pull-Down-Widerstand
• Zähler inkrementieren
• switch..case-Verzweigung
• Ansteuerung einer RGB-LED

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

• können Sie Quelltext entsprechend der Programmierrichtlinien schreiben.
• einen Taster über eine Iterrupt-Leitung einlesen und entprellen.
• können Sie mittels Taster und switch..case-Verzweigung eine LED in verschiedenen Helligkeiten ansteuern
• eine RGB-LED in verschiedenen Farben ansteuern.

Lernzielkontrolle

1. Wurde der Taster erfolgreich eingelesen und entprellt?
2. Wozu benötigt man einen Pull-Up/Pull-Down-Widerstand?
3. Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
4. Welche Möglichkeiten gibt es einen Zähler zu in-/dekrementieren?
5. Wurde in Aufgabe 3.3 ein switch...case verwendet?
6. Welche Version der RGB-LED haben Sie verwendet (gemeinsame Anode oder Kathode)?
7. Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
8. Wurde auf magic numbers verzichtet?
9. Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_03.pdf

Musterlösung 1 

• Studieren Sie den Artikel Interrupt Service Routine.
• SVN: DemoInterrupt.ino

Musterlösung 2 

Lösung 2 - millis(): Beispiel, wie man einen Taster entprellt.

Tutorials

• Arduino Befehlsübersicht
• Funduino: Taster am Arduino
• Funduino: RGB LED ansteuern
• Schalter entprellen mit Interrupt Service Routine
• Wiki: HSHL-Bibliothek einbinden
• Programmierrichtlinie für C

Demo

SVN: DemoInterrupt.ino

Versuchsvorbereitung

1. Binden Sie die HSHL-Bibliothek ein.
2. Studieren Sie den Artikel Interrupt Service Routine.
3. Studieren Sie das Demo SVN: DemoInterrupt.ino.
4. Studieren Sie das Tutorials.
5. Studieren Sie die Programmierrichtlinie.
6. Planen Sie die Software via PAP.
7. Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
8. Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Versuchsdurchführung

Aufgabe 3.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_03.pdf

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Aufgabe 3.2: Eine LED per Tastendruck aktivieren

Eine LED soll für 5 Sekunden leuchten, wenn ein Taster betätigt wurde.

1. Lesen Sie einen Tasterdruck via Interrupt-Service-Routine ein und speichern Sie diesen in die globale Variable TasterStatus_bit.
2. Werten Sie die Variable TasterStatus_bit im void loop() aus.
3. Geben Sie den Wert der Variable TasterStatus_bit im seriellen Monitor aus.
4. Wird der Taster gedrückt, soll eine LED für 5 Sekunden leuchten und dann ausgehen.

Nützliche Befehle: pinmode(), digitalRead(), digitalWrite(), delay, if..else, attachInterrupt, digitalPinToInterrupt, millis()

Arbeitsergebnisse in SVN: TasterSchaltetLED.ino

Teillösung 

Eine LED per Tastendruck aktivieren

DemoInterrupt.ino 

//*****************************************************************************
// Voraussetzungen: Taster an D2 gegen GND mit 10kΩ Pulldown-Widerstand
//*****************************************************************************

const byte INTERRUPT_PIN_u8  = 2;      // Interrupt an Port D9 gegen GND
const byte LED_PIN_u8        = 13;     // LED auf dem Arduino an Pin 13

volatile byte LEDZustand_u8 = LOW;     // Definiere eine globale volatile Variable für den Status der LED
// Eine Variable sollte als volatile deklariert werden, wenn sie von irgendwo anders geändert werden kann außer in dem Codeteil, in dem sie auftaucht (z.B. ISR). 
volatile unsigned long alteZeit_u32=0, entprellZeit_u32=20;  // Variablen für das Entprellen des Schalters, Entprellzeit 20 ms

void setup(){
/* Einmalige Initialisierung */
  pinMode(LED_PIN_u8, OUTPUT);         // Legt LED_PIN als Ausgabe fest
  pinMode(INTERRUPT_PIN_u8, INPUT_PULLUP); // Lege den Interruptpin als Eingang mit Pullupwiderstand fest

  // Lege die ISR ISRwechselLED auf den Interruptpin mit Modus 'CHANGE':
  // Bei wechselnder Flanke auf dem Interruptpin --> Führe die ISR aus
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(INTERRUPT_PIN_u8), ISRwechselLED, RISING);
}

void loop(){
  delay(10000);                        // Kann der Interrupt das 10s Delay unterbrechen?
}

void ISRwechselLED() {
    if((millis() - alteZeit_u32) > entprellZeit_u32) { // innerhalb der entprellZeit nichts machen
      LEDZustand_u8 = !LEDZustand_u8;                  // Invertierung des Zustandes, An wird aus
      digitalWrite(LED_PIN_u8, LEDZustand_u8);         // LED ansteuern
      alteZeit_u32 = millis();                         // letzte Schaltzeit merken      
  }
}

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Aufgabe 3.3: Auf Knopfdruck dimmen

Ein Taster dimmt eine LED:

1. Tastendruck: an, 100% Lichtleistung
2. Tastendruck: an, 50% Lichtleistung
3. Tastendruck: aus 0%

Nützliche Befehle: pinmode(), analogWrite(), delay(), switch..case

Arbeitsergebnisse in SVN: dimmeLED.ino

Tipp 1 

Nutzen Sie Ausgangsprogramm PulsierendeLED.ino aus Aufgabe 2.3 und nutzen Sie den Hardwareaufbau aus Aufgabe 3.2.

DemoSwitchCase.ino  Eine Anleitung zur Verwendung von switch..case findet sich in der Arduino-Dokumentation.

Demo-Quelltext DemoSwitchCase.ino

//*****************************************************************************
// Modul           : DemoSwitchCase                                           *
//                                                                            *
// Datum           : 17.10.2022                                               *
//                                                                            *
// Funktion        : Demo für eine switch...case-verzweigung                  *
//                                                                            *
// Implementation  : Arduino IDE vers. 2.0.0                                  *
//                                                                            *
// Hardware        : Arduino UNO R3                                           *
//                                                                            *
// Author          : (c) 2022, Dr. Ulrich Schneider                           *
//                                                                            *
// Letzte Änderung : 17.10.2022                                               *
//                                                                            *
//*****************************************************************************
byte Cnt_u8 =0;              // Zählvariable wird angelegt und initialisiert

void setup() {
  Serial.begin(9600);        // Seriellen Monitor initialisieren, 9600 Baud
}
void loop() {
Cnt_u8++;                    // Zähler inkrementieren
if (Cnt_u8>2) Cnt_u8=0;      // Überlauf ab 2: 012012...
switch (Cnt_u8)
{
case 0:
  Serial.println("Fall 0");
  break;
case 1:
  Serial.println("Fall 1");
  break;
case 2:
  Serial.println("Fall 2");
  break;
default:
  // wird in diesem Beispiel nicht erreicht
  break;
}
delay(500); // ms für die Darstellung
}
end;

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Aufgabe 3.4: Ansteuerung einer farbigen LED

Eine RGB-LED soll in verschiedenen Farben leuchten. Auf Druck des Tasters soll die RGB-LED in folgenden Modi betrieben werden:

1. Weiß
2. Rot
3. Blau
4. Grün
5. Langsamer Übergang durch das gesamte Farbspektrum (Einschlaflicht)

Nützliche Befehle: pinmode(), analogWrite(), delay()

Arbeitsergebnisse in SVN: steureFarbigeLED.ino

Teillösung 

RGB-LED ansteuern

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Aufgabe 3.5: Nachhaltige Doku

Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.

• Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
• Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?
• Wurde nachhaltig dokumentiert?
• Haben die Programme einen Header?
• Wurden der Quelltext umfangreich kommentiert?
• Wurden die PAPs erstellt und abgelegt? Passen die PAPs 100% zum Programm?

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

FAQ

• Muss ich die Lösungen selbst programmieren? Ja, nur Eigenleistung wird bewertet.
• Darf ich die Musterlösung 1:1 kopieren und als meine Leistung ausgeben? Nein, das ist ein Plagiat und wird als Täuschungsversuch gewertet.

Literatur

1. Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
2. Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen : mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
3. Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
4. Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt, 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)

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