Arduino Projekt: Pulsierende LED

Abb. 1: Pulsierende LED

Autor: Justin Frommberger

Ablaufplan

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

1. Betrachten Sie das Video mit der Abbildung 1, das eine pulsierende LED zeigt und lesen Sie die Aufgabenstellung sorgfältig durch.
2. Es wird empfohlen, dass Personen ohne vorherige Programmierkenntnisse zunächst das Spiel "Blockly-Spiele" absolvieren.
3. Es wird Personen, die das Spiel "Blockly-Spiele" als zu einfach empfinden, empfohlen, stattdessen direkt mit "Karel-Spiele" zu starten.
4. Nach Abschluss der Spiele ist es erforderlich, eine Überprüfung der Materialliste durchzuführen, um sicherzustellen, dass alle erforderlichen Materialien vorhanden sind.
5. Bevor Sie mit dem Hauptprojekt beginnen, ist es ratsam, das "Vorab wichtig zu wissen" zu lesen und bei der Durchführung des Projekts zu beachten.
6. Nachdem die Grundbausteine erklärt wurden, sollten Sie nun mit der Abbildung 3 fortfahren und die Schaltung des Projekts nachbauen.
7. Vor der Programmierung ist es wichtig, die benötigte Hardware gemäß den Angaben unter "Benötigtes Programm" herunterzuladen.
8. 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 ersten Projektes!

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 beide der nachfolgenden Spiele durchgeführt werden.

• Ohne Vorkenntnisse bedeutet, dass man keinerlei Kenntnisse zum Thema Programmierung besitzt.
• Teilnehmer, die bereits über grundlegende Kenntnisse verfügen, haben die Möglichkeit, die Blockly-Spiele zu überspringen und direkt mit dem Spiel Karel zu beginnen.

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

Start des Projektes

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
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 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.
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 der Wert nicht anpassbar.
• Bei einem geringen PWM-Wert (0 bis 255) ist das  5 V Signal kaum noch vorhanden und bei einem hohen PWM-Wert liegen  5 V durchgehend am Pin an.
• Durch die PWM Schnittstelle kann nun die LED unterschiedlich hell leuchten, da die Spannung (Volt) anpassbar ist.
  • Die PWM Schnittstellen sind ganz einfach zu erkennen an diesem Zeichen (~)
  • Das Zeichen ist auf dem Arduino bei den digitalen Zahlen zu finden, siehe Abbildung 3.

Steckbrett

Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett. (klicken)

Widerstand

Um die Größe der Widerstände zu bestimmen, kann man anhand ihres 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.

• Beim Aufbau der Schaltung ist es egal, wo diese auf dem Steckbrett platziert wird, zwischen a und j.
• Zu beachten ist, dass Kabel, Widerstand und LED genau wie in der Abbildung 3 platziert werden.
• Achte auf die Vertikalen und Horizontalen Reihen!

1. Ground (Schwarze Kabel) in einer Reihe mit der linken Seite vom Widerstand.
2. Linke Seite vom Wiederstand mit der Kathode in Reihe.
3. Anode in Reihe mit Pin 9 (Rotes Kabel).

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. 4: ArduinoIDE

1. Erstellen der Arduino Datei

Starten Sie das Programm 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.

• 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  

2. Wichtig für die Programmierung

Es ist wichtig, die Programmierrichtlinien beim Verfassen von Programmiercode zu beachten und einzuhalten.
[Programmierrichtlinien, klicken]

Die Grundkenntnisse dienen als Nachschlagewerk, um während der Programmierung Code zu überprüfen, den man möglicherweise nicht vollständig verstanden hat.
[Grundkenntnisse Pulsierende LED, klicken]

3. Start der Programmierung

Wichtig vorab:

• Unter jedem Programmierabschnitt befindet sich ein ausklappbares Element, das die Teillösung enthält.
• Überprüfen Sie Ihre Lösungen sorgfältig und stellen Sie sicher, dass Ihr Code genau in der gleichen Reihenfolge angeordnet ist wie im Beispiel.

[Quelltext 1: Start.ino]

void setup()         
{  
                  
}
void loop() 
{ 

}

Initialisierung (Zuweisung)

Im ersten Schritt der Programmierung soll der LED in der Arduino IDE mit ihrem Namen und Datentyp versehen werden.
Um das Verständnis zu verbessern, wird empfohlen, sich mit den Grundkenntnissen der Initialisierung und Datentypen vertraut zu machen.

• Durch die Verwendung des Codes const byte Name = Zahl; wird der LED ein spezifischer Name und Datentyp zugewiesen.
• Schreiben Sie den Code über das void setup() , beachte das jedes Zeichen übernommen werden muss.
• Ihre Aufgabe ist, den Code einzufügen und Name und Zahl zu ihren Werten auszutauschen.
  • Name: Es besteht die Möglichkeit, einen beliebigen Namen zu wählen, achte auf die korrekte Schreibweise. Im folgenden Beispiel wird der Name "LED_PIN" verwendet.
  • Zahl: Die Zahl ergibt sich aus der Position, an der unser Kabel mit der LED verbunden ist. In diesem Beispiel ist es die Zahl 9 (siehe Schaltung).

[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 Helligkeit

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 werden, 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
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
}

IF-Anweisung Helligkeit

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

• Wenn (IF) die Helligkeit = 0 oder Helligkeit = 255 erreicht, 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
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
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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