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. Überprüfe, 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. Überprüfe, ob alle benötigten Programme installiert sind.
6. Starten Sie mit der Programmierung vom Projekt.

• 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.

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

⇒ Für den Fall, dass kein Arduino zur Verfügung steht, kann dieser Online Arduino verwendet werden. [klicken]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	USB A zu USB B
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

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.

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

Lade Sie die aktuellste Version der Arduino IDE herunter. [klicken]
Stellen Sie sicher, dass Sie die korrekte Version für Ihren PC oder Laptop herunterladen.

Abb. 3: ArduinoIDE

Erstellen der Arduino Datei

Starten Sie das Programm Arduino IDE.
Stelle sicher, dass der Arduino über ein Kabel mit dem Computer verbunden ist.
Sobald das Programm gestartet ist, soll ein neues Projekt geöffnet und anschließend abgespeichert werden.

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

Neues Projekt & Speichern  

⇒ Überprüfe, ob das richtige Board ausgewählt wurde.

Board check  

⇒ Überprüfe, ob der richtige Port ausgewählt wurde.

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

Port check  

Start der Programmierung

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

1) 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, beachte, 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 Button_state;                 

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

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

2) 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);
}
void loop() 
{ 
 //später
}

3) 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));
}
void loop() 
{ 
 //später
}

4) if-Bedingung mit Funktionen

Welche Schritte sind erforderlich, damit die gewürfelte Zahl angezeigt wird.
Ein einfacher Ansatz ist eine if-Bedingung zu verwenden, die bei der Zahl 1 eine einzelne LED einschaltet, bei der Zahl 2 zwei LEDs und so weiter.
Nutze Sie den Taster zum Starten des Programmes.

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

[Quelltext 4: LED_Würfel.ino]

Lösung  

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

2. Im nächsten Schritt, muss die random Zahl generiert werden, wenn der Taster gedrückt wurde.
⇒ randomSeed();

[Quelltext: 5 LED_Würfel.ino]

Lösung  

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

3. Folgend müsse die if-Bedingungen für die Zahlen 1 bis 6 programmiert werden.
Beachte, dass der Button vorher gedrückt werden muss!
⇒ digitalWrite();
⇒ if-Bedingung() { }

[Quelltext 6: LED_Würfel.ino]

Lösung  

void loop()
{
  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. Zusätzlich sollen die LEDs nach dem Einschalten eine längere Leuchtdauer haben und erst ausgehen, wenn kein Taster gedrückt wurde.
Füge hierfür in jeder if-Bedingung eine Verzögerung (delay) hinzu und setze im ELSE alle Pins auf LOW.
⇒ delay();
⇒ digitalWrite(Pin,Low);

[Quelltext 7: LED_Würfel.ino]

Lösung  

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

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 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(BUTTON_PIN);
  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);
}

Quelle: Link

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