Arduino Projekt: Pulsierende LED

Abb. 1: Pulsierende LED

Autor: Justin Frommberger

Aufgabenstellung

Das Ziel dieses Projekts besteht darin, eine LED durch pulsierende Helligkeitsänderungen effektvoll zum Leuchten zu bringen.
Dieser Vorgang wird in der Fachsprache als "Faden" bezeichnet.

Programmieren lernen

Um Personen ohne Vorkenntnissen im Bereich der Programmierung angemessen einzubeziehen, sollten vorab eins der nachfolgenden Spiele durchgeführt werden:

1. Blockly-Spiel für Personen ohne Vorkenntnisse: (klicken)
2. Karel-Spiel für Personen mit leichten Vorkenntnissen: (klicken)

Start des Projektes

Benötigtes Programm!

Lade die aktuellste Version der Arduino IDE für deinen PC oder Laptop herunter. (klicken)

Benötigte Materialien!

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild	Pos.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3		②	2	Jumper Kabel, männlich/männlich
③	1	Steckbrett		④	1	LED Blau
⑤	1	Widerstand 120 Ω

Vorab wichtig zu wissen!

Abb. 2: LED

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 Abb. 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.
• Bei einer konstanten  5 V Spannung, ist die LED immer gleich hell, so ist das Ziel die Spannung zur LED zu reduzieren.
• Dafür wird eine Pulsweitenmodulation (PWM) Schnittstelle benötigt, denn bei den anderen Schnittstellen ist dies nicht möglich.
• Bei einem geringen PWM-Wert ist das  5 V Signal kaum noch vorhanden und bei einem hohen PWM-Wert liegt das  5 V Signal nahezu durchgehend am Pin an.
• Durch die PWM Schnittstelle kann nun die LED unterschiedlich hell leuchten, da die Spannung anpassbar ist.
• Die PWM Schnittstellen sind ganz einfach zu erkennen an diesem Zeichen (~)

Steckbrett

Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett (klicken)

Widerstand

Um die Größe der Widerstände zu bestimmen, kann man anhand ihrer Farbcodes erkennen.
Eine hilfreiche Internetseite steht zur Verfügung, um die genaue Größe zu ermitteln. (klicken)

Aufbau Schaltung

Abb.3 Schaltung

• In Abb. 3 wird die Schaltung für das Projekt "Pulsierende LED" dargestellt.

Programmierung

1. Erstellen der Arduino Datei

Starten Sie Ihre Arduino IDE mit einem Doppelklick.
Sobald das Programm gestartet ist, soll ein neues Projekt geöffnet und anschließend abgespeichert werden.

Neues Projekt & Speichern  

Überprüfe, ob das richtige Board ausgewählt wurde.

Board check  

Überprüfe, ob der richtige Port ausgewählt wurde.

Port check  

2. Wichtig für die Programmierung

1. Programmierrichtlinien für die Erstellung von Software. (klicken)
2. Grundkenntnisse für das Projekt "Pulsierende LED". (klicken)
   

3. Start der Programmierung

1) Initialisierung

• Das erste Ziel des Projekts ist, die LED (siehe Abbildung 3) mit dem Arduino zu verbinden.
  
• Die LED muss im Programm initialisiert werden (siehe Grundkenntnisse, Initialisierung (Zuweisung)).
  
• Mit dem Befehl int Name = Zahl; kann nun die LED initialisiert werden.
  

Quelltext 1: LED.ino

Lösung  

const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
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 der LED zu kommunizieren.
Hierfür wird die Funktion pinMode(LED,OUTPUT); oder pinMode(LED,INPUT); benötigt.
Jetzt muss entschieden werden, ob die LED ein INPUT oder OUTPUT ist.
Dies erkennt man daran, dass der Arduino Volt ausgibt, um die LED zum Leuchten zu bringen.
Daraus lässt sich schließen, dass eine OUTPUT Befehl benötigt wird.

Quelltext 2: LED.ino

Lösung  

const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
void setup()         
{                    
 pinMode(LED_PIN,OUTPUT);     // <-
}
void loop() 
{ 
//später
}

3) analogWrite()
Als Nächstes müssen wir dem Arduino-Programm sagen, wie hell die LED leuchten soll.
Dafür werden die Grundkenntnisse, Initialisierung (Zuweisung), pinMode() und If-Verzweigung benötigt (siehe Grundkenntnisse).
Es muss zuerst die Variable Helligkeit erstellt werden, so wie bei der LED.

Quelltext 3: LED.ino

Lösung  

const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
byte Helligkeit = 0;       // Das Wort „Helligkeit“ steht nun für den Wert, der bei der PWM ausgegeben wird
void setup()         
{                    
 pinMode(LED_PIN, OUTPUT); 
}
 void loop() 
{ 
 //später
}

Nach dem Initialisieren der Helligkeit, benötigt man eine PWM Ausgabe, analogWrite() um der LED einen bestimmten PWM Wert zu übertragen.

Quelltext 4: LED.ino

Lösung  

const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
byte Helligkeit = 0;       // Das Wort „Helligkeit“ steht nun für den Wert, der bei der PWM ausgegeben wird
void setup()         
{                    
pinMode(LED_PIN, OUTPUT); 
}
void loop() 
{ 
analogWrite(LED_PIN, Helligkeit);  // <-
}

4) Rechenfunktion und If-Verzweigung
Das Ziel für das Projekt ist, die LED faden zu lassen, dafür benötigt man eine kleine Rechenfunktion und eine If-Verzweigung.
Aktuell beträgt der Wert der Helligkeit in dem Programm 0, dieser Wert muss verändert werden, um unterschiedliche PWM Signale zu versenden.
Hierfür muss sich eine Funktion überlegt werden, die unsere Variable Helligkeit=0 hochzählt und wieder herunterzählt.
Vorab benötigten wir eine zusätzliche Variable mit dem Namen FADE_SCHRITT.

Quelltext 5: LED.ino

Lösung  

const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
byte Helligkeit = 0;       // Das Wort „Helligkeit“ steht nun für den Wert, der bei der PWM ausgegeben wird
const byte FADE_SCHRITT = 5;  //<- Bestimmt die Geschwindigkeit des „fadens“
void setup()         
{                    
pinMode(LED_PIN,OUTPUT); 
}
void loop() 
{ 
analogWrite(LED_PIN, Helligkeit);

Helligkeit=Helligkeit + FADE_SCHRITT;     // Addieren 
delay(25);                       // 25 Sekunden Pause zwischen dem Hochzählen
}

Abschließend wird eine If-Verweisung benötigt, um die LED wieder dunkler werden zu lassen, ab dem maximalen PWM Wert von 255.

Quelltext 6: LED.ino

Lösung  

const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
byte Helligkeit = 0;       // Das Wort „Helligkeit“ steht nun für den Wert, der bei der PWM ausgegeben wird
const byte FADE_SCHRITT = 5;  //<- Bestimmt die Geschwindigkeit des „fadens“
void setup()         
{                    
pinMode(LED_PIN,OUTPUT); 
}
void loop() 
{ 
analogWrite(LED_PIN, Helligkeit);
Helligkeit=Helligkeit + FADE_SCHRITT;
delay(25); // 25 Sekunden Pause zwischen dem Hochzählen

if(Helligkeit==0 || Helligkeit== 255) 
 { 
  FADE_SCHRITT = -FADE_SCHRITT;         // Zahl negieren, sodass subtrahiert wird
 } 
}

Schritt 4

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

Musterlösung

Quelle: Link

Musterlösung  

/* Konstanten */
const byte LED_PIN = 9;    //Das Wort „LED“ steht jetzt für den Wert 9
const byte FADE_SCHRITT = 5;  // Bestimmt die Geschwindigkeit des „fadens“

/* Variablen deklarieren */
byte Helligkeit = 0;       // Das Wort „Helligkeit“ steht nun für den Wert, der bei der PWM ausgegeben wird


void setup()  
{
 pinMode(LED_PIN, OUTPUT);   // Der Pin mit der LED (Pin9) ist ein Ausgang
}

void loop()
{ 
 analogWrite(LED_PIN, Helligkeit);   // LED (Pin9) die PWM Ausgabe aktiviert
 Helligkeit =Helligkeit + FADE_SCHRITT;    // Wert für die PWM-Ausgabe verändert
 delay(25);   // Helligkeit beibehalten

 if (Helligkeit == 0 || Helligkeit == 255)   // Wenn Helligkeit 0 ODER 255 erreicht wird die Schleife ausgeführt
 {
  FADE_SCHRITT = -FADE_SCHRITT ;    // Wechselt den Wert für die „Fadeschritte“ von positiv zu negativ
 }

} // Loop-Teil geschlossen.

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