Arduino Projekt: LED Würfel

Abb. 1: LED Würfel

Autor: Justin Frommberger

Ablaufplan

Um das Projekt "LED Würfel" durchzuführen, wird der folgende Ablauf empfohlen einzuhalten.

1. Betrachten Sie das Video (Abbildung 1) und lesen Sie die Aufgabenstellung sorgfältig durch.
2. Überprüfe ob alle erforderlichen Materiallien von der Materialliste vorhanden sind.
3. Bevor Sie mit dem Hauptprojekt beginnen, ist es ratsam, das "Vorab wichtig zu wissen" zu lesen und bei der Durchführung des Projekts zu beachten.
4. Nachdem die Grundbausteine erklärt wurden, sollten Sie nun mit der Abbildung 3 fortfahren und die Schaltung des Projekts nachbauen.
5. Vor der Programmierung ist es wichtig, die benötigte Hardware gemäß den Angaben unter "Benötigtes Programm" herunterzuladen.
6. Abschließend wird eine schrittweise Anleitung zur Programmierung präsentiert. Wichtig ist, dass der Code in der gleichen Position wie in den Lösungen platziert wird.

• Viel Freude und Erfolg bei der Umsetzung Ihres Projektes!

Aufgabenstellung

Entwickeln Sie ein Projekt, das sich mit der Konstruktion und Herstellung eines eigenen Würfels befasst, um das häufiger auftretende Problem des fehlenden Würfels bei Brettspielen zu lösen.

• Bei Betätigung des Tasters sollen die entsprechenden LEDs aufleuchten, um die gewürfelte Zahl darzustellen.

Benötigte Materiallien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild	Pos.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3		②	viele	Jumper Kabel, männlich/männlich
③	1	Steckbrett		④	7	LED beliebige Farbe
⑤	8	Widerstand 120 Ω		⑥	1	Taster

Vorab wichtig zu wissen!

LED

Abb. 2: LED

Beachte beim Arbeiten mit der LED, die Anode und Kathode nicht zu vertauschen.

• In die Anode fließt der Strom hinein (lange Seite), danach fließt der Strom wieder durch die Kathode hinaus (kurze Seite) siehe Abbildung 2.
• Wenn die LED am Ende des Projektes nicht leuchtet, kann es sein, dass sie vertauscht wurde.
  • In diesem Fall reicht es aus, sie einfach umzudrehen und schon leuchtet sie.

Arduino Uno R3

Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen, weil der Arduino ein digitaler Mikrocontroller ist, kann er 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 LED Würfel

In Abb. 3 wird die Schaltung für das Projekt "LED Würfel" dargestellt.
Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung des Projekts aufgebaut werden.

• Zu beachten ist, dass die Kabel und LEDs wie in der Abbildung 3 angeschlossen werden müssen.
• Achte auf die Vertikalen und Horizontalen Reihen!

Programmierung

Schritt 1
Erstellen der ersten Arduino Datei (Link zum Tutorial).

Schritt 2

• Kenntnisse in den Programmierrichtlinien für die Erstellung von Software. (Link)
• Grundkenntnisse vom Projekt "Pulsierende LED" verstanden haben. (Link)
• Grundkenntnisse für das Projekt "Arduino LED Würfel" verstehen. (Link)

Schritt 3
Nachdem die Schritte 1 und 2 abgeschlossen sind, kann mit der Programmierung des Projektes gestartet werden.

1) Initialisierung
Für das Projekt müssen einige Variablen und Pins initialisiert werden, dies ist nun der erste Schritt im Code.
Benötigt werden die LEDs, der Taster, ein Delay und Variablen, um Werte zu speichern.
Beachte, dass einige LEDs zu zweit initialisiert werden!
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 = 7;
const byte LED_PIN_4 = 8;

//TASTER PIN
const byte BUTTON_PIN = 6;
byte Button_state;                 

unsigned long ran;        //Variable für random Zahl zwischen 1 to 6
unsigned int time = 2000;     //Delay Zeit

void setup()         
{                    
 //später
}
void loop() 
{ 
 //später
}

2) pinMode()
Nachdem Initialisieren der Variable muss dem Programm erklärt werden, welche Schnittstelle am Arduino verwendet werden soll, um mit den LEDs und dem Taster zu kommunizieren.
Hierfür wird die Funktion pinMode(LED,OUTPUT); oder pinMode(LED,INPUT); benötigt.
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);
}
void loop() 
{ 
 //später
}

3) randomSeed()
Da eine random Zahl benötigt wird, muss eine bestimmte Funktion hinzugefügt werden, damit der Wert random ist. Tipp: Siehe Grundkenntnisse.
Quelltext 3: LED_Würfel.ino

Lösung  

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

4) If-Verzweigung mit Funktionen
Jetzt geht es darum, das Hauptprogramm für den Würfel zu schreiben.
Überlege, was passieren muss, damit die bestimmten LEDs leuchten, die eine Zahl anzeigen soll.
Einer der einfachsten Wege ist eine If-Verzweigung, die bei Zahl1 eine LED einschaltet, Zahl2 zwei LEDs usw.
Der angebrachte Taster soll sagen, wann das Programm gestartet werden soll, dies wird gelöst über eine If-Verzweigung.

1. Starte mit der Programmierung des Tasters.
Tipp: Der Taster muss ausgelesen werden, mit digitalRead() und in einen Speicher variable gespeichert werden.
Quelltext 4: LED_Würfel.ino

Lösung  

void loop()
{
 //Liest den Status des Tasters
 Button_state = digitalRead(buttonPin);
{
//Später
}

2. Im nächsten Schritt, muss die random Zahl generiert werden.
Tipp: Siehe Grundkenntnisse LED Würfel.
Quelltext :5 LED_Würfel.ino

Lösung  

void loop()
{
  //Liest den Status des Tasters
  Button_state = digitalRead(buttonPin);
  if (Button_state == HIGH)
{
  //Randomize zwischen 1 und 6
  ran = random(7);
}

3. Folgen können nun die If-Verzweigung für einzelne Zahlen programmiert werden.
Tipp: Benötigt werden If-Verzweigungen und digitalWrite, um die LEDs einzuschalten.
Quelltext 6: LED_Würfel.ino

Lösung  

void loop()
{
  //Liest den Status des Tasters
  Button_state = digitalRead(buttonPin);
  if (Button_state == HIGH){
    //Randomize zwischen 1 und 6
    ran = random(7);
    //Nummer 1
    if (ran == 1){
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
    }
    //Nummer 2
    if (ran == 2){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
    }
    //Nummer 3
    if (ran == 3){
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
    }
    //Nummer 4
    if (ran == 4){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
    }
    //Nummer 5
    if (ran == 5){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
   }
   //Nummer 6
   if (ran == 6){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_2, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
   }
  }

4. Nun zum letzten Schritt der Programmierung.
Zwei Ereignisse müssen noch beachtet werden, eins, dass die LEDs länger leuchten.
Zweitens müssen die LEDs ausgehen, wenn kein Taster gedrückt wurde.
Tipp: Hierfür wird ein delay(); und digitalWrite(Pin,Low); benötigt.
Quelltext 7: LED_Würfel.ino

Lösung  

void loop()
{
  //Liest den Status des Tasters
  Button_state = digitalRead(buttonPin);
  if (Button_state == HIGH){
    //Randomize zwischen 1 und 6
    ran = random(7);
    //Nummer 1
    if (ran == 1){
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 2
    if (ran == 2){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 3
    if (ran == 3){
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 4
    if (ran == 4){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 5
    if (ran == 5){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (time);
   }
   //Nummer 6
   if (ran == 6){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_2, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (time);
   }
  }
  //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);
}

Schritt 4

• Nach dem Beenden von Schritt 3, kann nun das Ergebnis mit der Musterlösung verglichen werden.

Musterlösung

Quelle: Link

Müsterlösung  

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

//TASTER PIN
const byte BUTTON_PIN = 6;
byte Button_state;

/* Variablen deklarieren */
unsigned long ran;        //Variable für Random Zahl zwischen 1 to 6
unsigned int time = 2000;     //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
  Button_state = digitalRead(buttonPin);
  if (Button_state == HIGH){
    //Randomize zwischen 1 und 6
    ran = random(7);
    //Nummer 1
    if (ran == 1){
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 2
    if (ran == 2){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 3
    if (ran == 3){
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 4
    if (ran == 4){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (time);
    }
    //Nummer 5
    if (ran == 5){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      digitalWrite (LED_PIN_4, HIGH);
      delay (time);
   }
   //Nummer 6
   if (ran == 6){
      digitalWrite (LEDS_PIN_1, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_2, HIGH);
      digitalWrite (LEDS_PIN_3, HIGH);
      delay (time);
   }
  }
  //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);
}

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