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

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.
Stelle sicher, dass dein Arduino über ein Kabel mit dem Computer verbunden ist.

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

Initialisierung (Zuweisung)

Das erste Ziel ihres Projekts ist, der LED einen Namen im Programm zuzuordnen.
Die LED muss im Programm initialisiert werden (siehe Grundkenntnisse, Initialisierung).

• Mit dem Code const byte Name = Zahl; muss die LED zugewiesen werden.
• Der gewünschte Name wird als Name eingetragen und die Zahl repräsentiert die Pinnummer, an die die LED angeschlossen wurde (9).

[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
}

LED Aufgabe

Festgelegt werden muss, welche Aufgabe die LED zu erfüllen hat.
Hierfür wird die Funktion pinMode(LED,OUTPUT); oder pinMode(LED,INPUT); benötigt.
Nun muss entschieden werden, ob die LED ein INPUT oder ein OUTPUT-Befehl ist.

• OUTPUT = Informationen mit dem Arduino zu empfangen.
• INPUT = Daten vom Arduino zu einem Empfänger zu verschicken.
  • Daraus ergibt sich, dass ein pinMode(LED,OUTPUT); erforderlich ist.
  • Dieser Befehl wird ins void setup() geschrieben.

[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
}

LED Helligkeit

Im nächsten Schritt, muss dem Arduino-Programm erklärt werden, wie hell die LED leuchten soll.
Hierfür muss eine Variable erstellt werden, mit dem Namen = Helligkeit.

• Weil derzeit kein Wert für die Helligkeit benötigt wird, wird ihr vorübergehend der Wert Helligkeit = 0 zugewiesen.
• Achte darauf, den richtigen Datentypen und die richtige Namensgebung gemäß den Programmierrichtlinien zu verwenden.

[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 ausgegeben wird
void setup()         
{                    
 pinMode(LED_PIN, OUTPUT); 
}
 void loop() 
{ 
 //später
}

Um die LED zum Leuchten zubringen, muss ihr die Helligkeit zugewiesen werden.

• Mit dem Befehl analogWrite(Pin, Helligkeit) ist dies möglich.
• Dieser Code wird in die void loop() geschrieben.
• Bei Fragen, siehe Grundkenntnisse Programmierung analogWrite().

[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 ausgegeben wird
void setup()         
{                    
pinMode(LED_PIN, OUTPUT); 
}
void loop() 
{ 
analogWrite(LED_PIN, Helligkeit);  // <-
}

Rechenfunktion und If-Verzweigung

Das Ziel des Projekts besteht darin, die LED nun faden zu lassen, wofür eine kleine Rechenfunktion und eine If-Verzweigung erforderlich sind.
Derzeit ist der Helligkeitswert im Programm auf 0 eingestellt, dieser Wert muss angepasst werden, um die LED unterschiedlich leuchten zu lassen.

• Um dies zu erreichen, bedarf es einer überlegten Funktion, die unsere Variable "Helligkeit" von 0 hochzählt und anschließend wieder herunterzählt.
• Eine zusätzliche Variable mit dem Namen FADE_SCHRITT wird benötigt, diese soll später +5 rechnen.
• Für die Lösung zur Addition, schaue in die Grundkenntnisse: Mathematische Funktionen.
  • Zudem muss ein delay(); eingefügt werdem, um die aktuelle Helligkeit länger anzuzeigen.

[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 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 Helligkeitswert von 255.

Tipp:

• Wenn (IF) die Helligkeit = 0 oder Helligkeit = 255 ist, wird die Variable FADE_SCHRITTE zu -FADE_SCHRITTE.
• Dadurch wird die Variable von 0 auf 255 hochgezählt und anschließend wieder von 255 auf 0 heruntergezählt.
  • Dieser Code wird in die void loop() geschrieben.

[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 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
 } 
}

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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