Was ist Arduino? Ein Einsteiger-Leitfaden zu Boards, Programmierung und Projekten
Wenn Sie schon immer einen Roboter bauen, Ihr Zuhause automatisieren oder eigene Elektronikprojekte erstellen wollten, sind Sie wahrscheinlich schon einmal auf Arduino gestoßen.
Aber was genau ist das? Ist Arduino eine Programmiersprache? Ein Mikrocontroller? Ein Entwicklungsboard? Oder etwas ganz anderes?
Die kurze Antwort ist, dass Arduino eine Open-Source-Elektronikplattform ist, die benutzerfreundliche Hardware und Software kombiniert und sie zu einer der beliebtesten Möglichkeiten macht, Programmierung und Elektronik zu erlernen.
Dieser Leitfaden erklärt, wie Arduino funktioniert, warum so viele Leute damit anfangen und was Sie damit bauen können, selbst wenn Sie noch nie eine Zeile Code geschrieben haben.
Was ist Arduino?
Arduino ist eine Open-Source-Elektronikplattform, die aus zwei Hälften besteht: einer Platine, die Sie in der Hand halten, und Software, in der Sie Code schreiben.
Das Board ist ein Mikrocontroller-Entwicklungsboard. In der Mitte befindet sich ein Mikrocontroller, ein kleiner Chip, der jeweils ein Programm ausführt. Um diesen Chip herum enthält das Board alles, was der Chip benötigt, um für Sie nützlich zu sein: einen USB-Anschluss für Strom und Programmierung, einen Spannungsregler, einen Reset-Knopf und Reihen von Stiftleisten, in die Sie Kabel stecken können.
Die Software ist die Arduino IDE, ein kostenloses Programm, das Sie auf Ihrem Computer installieren. Dort schreiben Sie Ihren Code, schließen das Board über USB an und drücken auf "Upload". Wenige Sekunden später läuft das Programm auf dem Board und läuft jedes Mal, wenn das Board Strom erhält, mit oder ohne angeschlossenen Computer.
Ein Arduino-Programm wird als Sketch bezeichnet. Jeder Sketch hat zwei Funktionen:
void setup() {
// wird einmal ausgeführt, wenn das Board eingeschaltet wird
}
void loop() {
// wird immer und immer wieder ausgeführt
}Das ist das ganze Modell. Einmal einrichten, dann etwas unendlich oft wiederholen.
Bibliotheken sind vorgefertigter Code, der die schwierigen Teile der Kommunikation mit einer bestimmten Komponente übernimmt. Anstatt das Timing des Datenprotokolls eines Temperatursensors herauszufinden, installieren Sie dessen Bibliothek und rufen readTemperature() auf. Es gibt Bibliotheken für Tausende von Sensoren, Displays und Modulen, und die meisten davon sind kostenlos.
Open-Source bedeutet, dass die Schaltpläne des Boards und der Quellcode der Software öffentlich sind. Jeder kann ein kompatibles Board bauen, weshalb "Arduino" heute ein Ökosystem beschreibt, das weit größer ist als die von Arduino selbst hergestellten Boards.
Wie funktioniert Arduino?
Arduino führt dieselben drei Dinge in einer Schleife aus, Tausende Male pro Sekunde:
- Ein Sensor oder ein Knopf ändert seinen Zustand.
- Arduino liest diese Eingabe.
- Ihr Code entscheidet, was zu tun ist.
- Arduino steuert eine Ausgabe.
Jedes Arduino-Projekt, von einer blinkenden LED bis zu einer Wetterstation, ist eine Version dieser Schleife. Was sich ändert, ist das, was Sie in die Eingangsseite und in die Ausgangsseite stecken.
| Eingabe | Was Ihr Code prüft | Ausgabe |
|---|---|---|
| Taste | Ist sie gedrückt? | Eine LED einschalten |
| Temperatursensor | Liegt sie über 28 °C? | Einen Lüfter einschalten |
| Bewegungssensor | Hat sich etwas bewegt? | Einen Summer ertönen lassen |
| Lichtsensor | Ist es dunkel geworden? | Eine Lampe einschalten |
| Potentiometer | Wie ist es gedreht? | Ein Servo bewegen |
Die Pins sind die Art und Weise, wie das Board die Außenwelt erreicht. Digitale Pins lesen und schreiben ein oder aus. Analoge Pins lesen eine Spannung als Zahl, sodass ein Lichtsensor zu einem Wert wird, den Sie mit einem Schwellenwert vergleichen können. PWM-Pins schalten einen Pin schnell genug ein und aus, um wie eine Zwischenspannung zu wirken, womit Sie eine LED dimmen oder die Geschwindigkeit eines Motors einstellen können.
Jedes Board veröffentlicht eine Pinbelegung, die Ihnen sagt, welche Pins was können. Hier ist eine:
Sobald Sie diese Schleife verstanden haben, geht es nur noch darum, die Teile auszuwählen.
Was macht Arduino so beliebt?
Einfach zu lernen
Sie können an Ihrem ersten Abend ein Ergebnis erzielen. Stecken Sie das Board ein, öffnen Sie das Blink-Beispiel, drücken Sie auf "Upload", und eine LED beginnt zu blinken. Nichts zu konfigurieren, kein Betriebssystem zu installieren, keine Toolchain einzurichten.
Der Code ist C++, aber Sie verwenden einen kleinen, nachsichtigen Teil davon. digitalWrite(13, HIGH) schaltet Pin 13 ein. Die meisten Anfängerskizzen sind 20 Zeilen oder weniger.
Wenn etwas nicht funktioniert, hatte jemand anderes Ihr Problem bereits und hat darüber gepostet. Zwanzig Jahre Forenbeiträge, Tutorials und Beispielcode sind eine Suche entfernt.
Erschwinglich
Ein leistungsfähiges Board kostet weniger als eine Mahlzeit zum Mitnehmen. Ein Starter-Kit mit einem Board, Breadboard, Jumper-Kabeln, LEDs, Widerständen und einer Handvoll Sensoren kostet weniger als ein Lehrbuch. Wenn Sie ein Board durch falsche Verdrahtung zerstören, ersetzen Sie es und machen weiter.
Dieser Preis ist der Grund, warum Arduino in so vielen Klassenzimmern gelandet ist. Eine Schule kann ein ganzes Labor zu den Kosten eines Labormessgeräts ausstatten.
Tausende kompatible Komponenten
Das Pin-Layout von Arduino und seine I2C- und SPI-Busse wurden zu einem De-facto-Standard, sodass fast jede im Hobbybereich erhältliche Komponente bereits damit funktioniert:
- Sensoren für Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Abstand, Bewegung, Licht, Gas, Strom und Ausrichtung
- Displays von kleinen OLEDs bis zu E-Paper-Panels
- Motoren, Servos und Schrittmotortreiber
- Wi-Fi-, Bluetooth-, LoRa-, GPS-, RFID- und Ethernet-Module
Die meisten werden mit einer Bibliothek, einem Beispiel-Sketch und einem Schaltplan geliefert. Steckverbinder wie Qwiic gehen noch weiter und eliminieren die Verdrahtung vollständig: Sensoren werden über ein einziges vieradriges Kabel, das Strom und I2C überträgt, miteinander verbunden.
Open-Source-Ökosystem
Open Source ist der Grund, warum all dies existiert. Da die Plattform öffentlich ist, bauen Hersteller kompatible Boards und Entwickler veröffentlichen Bibliotheken für ihre eigenen Teile, und keiner davon benötigt die Erlaubnis von irgendjemandem. Wenn Sie einen Sensor kaufen, erhalten Sie normalerweise auch eine Bibliothek, die jemand kostenlos geschrieben und gewartet hat.
Arduino vs. ein Mikrocontroller
Diese beiden werden ständig verwechselt, und der Unterschied ist einfach.
Mikrocontroller: der Chip.
Arduino: ein Entwicklungsboard, das um diesen Chip herum gebaut ist.
Ein Mikrocontroller ist ein einzelner integrierter Schaltkreis. Um ihn eigenständig zu verwenden, müssen Sie eine saubere, geregelte Spannung zuführen, einen Quarz für seinen Takt hinzufügen, einen Programmer anschließen, um Code darauf zu laden, und eine Schaltung darum herum bauen. Das ist ein Projekt für sich, bevor Sie überhaupt Code geschrieben haben.
Ein Arduino-Board ist derselbe Chip, bei dem die gesamte umgebende Arbeit bereits für Sie erledigt wurde.
| Mikrocontroller | Arduino-Board | |
|---|---|---|
| Was es ist | Ein Chip | Ein um einen Chip herum gebautes Board |
| Programmierung | Benötigt einen separaten Programmer | USB-Kabel |
| Strom | Sie entwerfen den Regler | Auf dem Board |
| Takt | Sie fügen einen Quarz hinzu | Auf dem Board |
| Verbindungen | An die Beine des Chips löten | Stiftleisten |
| Zeit bis zum ersten Blinken | Stunden | Minuten |
| Kosten | Günstiger pro Einheit | Günstiger pro Projekt |
Verwenden Sie blanke Mikrocontroller, wenn Sie ein Produkt entwerfen und jeder Cent und Millimeter zählt. Verwenden Sie ein Arduino-Board, wenn Sie diese Woche etwas bauen möchten.
Was kann man mit Arduino bauen?
Smart Home
Heimprojekte sind der übliche Ausgangspunkt, da die Schleife so sauber auf sie passt: einen Raum lesen, etwas entscheiden, etwas einschalten.
- Ein Temperatur- und Feuchtigkeitsmonitor, der auf Ihr Telefon protokolliert
- Ein Bewegungssensor, der nachts die Flurbeleuchtung einschaltet
- Intelligente Leuchten, die einem Zeitplan oder der Umgebungshelligkeit folgen
- Ein Pflanzenbewässerungssystem, das die Bodenfeuchtigkeit liest
Ein wasserdichter Temperaturfühler ist einer der einfachsten ersten Sensoren, da er eine reale Zahl über ein einziges Datenkabel liest.
Robotik
In der Robotik werden Ausgänge interessant, da das Board nun etwas Physisches bewegt.
- Ein Hindernisse umgehender Roboter mit einem Ultraschall-Abstandssensor
- Ein Linienfolger-Auto mit Reflexionssensoren
- Ein Roboterarm, der von Servos angetrieben wird
- Eine Kamera-Pan-Tilt-Halterung
Kleine Hobby-Servos sind der Standard-Erste-Aktor. Sie benötigen ein einziges PWM-Signal und halten eine Position, was viel einfacher zu steuern ist als ein einfacher Gleichstrommotor.
Umweltüberwachung
- Eine Wetterstation, die Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck protokolliert
- Ein Raumluftqualitätsmonitor, der CO2 und VOCs überwacht
- Ein Regen- und Windmesser
- Ein UV-Index-Messgerät
Dies sind gute zweite Projekte. Die Verkabelung ist unkompliziert, und die Arbeit verlagert sich auf die Speicherung und nützliche Anzeige von Daten.
Anzeigen
Sobald Ihr Projekt etwas zu sagen hat, braucht es einen Bildschirm. Kleine OLEDs eignen sich gut für ein paar Textzeilen. Für alles, was Sie tatsächlich aus einiger Entfernung lesen werden, ist E-Paper besser geeignet, da es ein Bild ohne Strom hält und bei direkter Sonneneinstrahlung lesbar bleibt.
E-Paper eignet sich für Dashboards, Raumanzeigen, Kalender und Uhren und alles Batteriebetriebene, das sich einige Male pro Stunde statt einige Male pro Sekunde aktualisiert. Unsere E-Paper-Display-Projektideen gehen auf fünfzehn davon ein.
Weitere Ausgangspunkte in all diesen Kategorien finden Sie unter 15 Arduino-Projektideen für Anfänger und Maker. Wenn Sie mit jüngeren Makern bauen, ist lustige Arduino-Projekte für Kinder eine sanftere Liste.
Welches Arduino-Board sollten Anfänger wählen?
Es gibt Dutzende von Boards, und der Vergleich all dieser ist der Grund, warum Anfänger am Ende keines kaufen. Drei werden fast jeden abdecken.
Am besten insgesamt: NULA Core
Ein ATmega328P-Board mit 32 KB Flash, 22 E/A-Pins (14 digital und 8 analog), USB-C, einem Qwiic-Anschluss und einem Li-Ionen-Akkuanschluss mit Ladegerät an Bord, alles in 63 x 22 mm.
Es läuft mit demselben 8-Bit-Chip, für den fast jedes jemals geschriebene Arduino-Tutorial geschrieben wurde, sodass online gefundener Beispielcode unverändert läuft. Sie erhalten USB-C anstelle der alten B-Buchse, Sensoren, die über ein Qwiic-Kabel verbunden werden können, und einen Akku, den Sie über das Board aufladen können.
Am besten zum Erlernen von Elektronik: Embedded Journey Kit
Ein Board allein lehrt Sie keine Elektronik. Sie benötigen immer noch ein Breadboard, Jumper-Kabel, Widerstände, LEDs, ein paar Sensoren und etwas, das Ihnen sagt, was wohin verdrahtet werden muss.
Das Embedded Journey Kit ist ein NULA Mini ESP32-C6 plus all diese Teile plus einen vollständigen Satz von ausgearbeiteten Beispielen in Arduino und MicroPython. Sie arbeiten sie der Reihe nach durch, und jedes fügt eine Komponente und eine Idee hinzu.
Am besten, wenn Sie Wi-Fi möchten: NULA Mini ESP32-C6
Ein ESP32-C6-Board in einem viel kleineren Formfaktor, mit Wi-Fi 6, Bluetooth 5 Low Energy und 802.15.4 für Thread und Zigbee. Dieser letzte Teil ist wichtig, wenn Ihr Projekt einem Matter- oder Zigbee-Smart-Home-Netzwerk beitreten soll, anstatt über Ihren Router damit zu kommunizieren.
Technisch gesehen ist es kein traditionelles Arduino-Board. Es unterstützt das Arduino-Ökosystem und fügt drahtlose Funktionen hinzu, die die klassischen Boards nie hatten.
Es ist auch das Board im Embedded Journey Kit, sodass Sie nicht beide benötigen.
Ein praktischer Hinweis: Es verwendet einen CH340K USB-zu-Seriell-Chip, daher installieren Sie unter Windows den CH340-Treiber vor dem ersten Upload.
Um zu sehen, wie diese im Vergleich zu anderen Optionen abschneiden, haben wir die besten Arduino-kompatiblen Boards für Maker beschrieben.
Häufige Anfängerfehler
Fast jedes Problem, auf das ein Anfänger stößt, ist eines davon. Keines davon ist Ihre Schuld, und alle sind schnell zu beheben.
Falsches Board in der IDE ausgewählt. Uploads schlagen fehl oder sind erfolgreich und dann passiert nichts. Überprüfen Sie Tools > Board und stellen Sie sicher, dass es mit dem Board in Ihrer Hand übereinstimmt. Wenn Ihr Board nicht in der Liste ist, installieren Sie zuerst dessen Board-Paket.
GND vergessen. Ein Sensor benötigt sowohl Strom als auch eine gemeinsame Masse mit dem Board. Ohne Masseverbindung liest er Unsinn oder gar nichts. Wenn sich eine Komponente unregelmäßig verhält, überprüfen Sie zuerst die Masse, bevor Sie etwas anderes überprüfen.
Falscher Port oder gar kein Port. Wenn Tools > Port leer ist, erkennt Ihr Computer das Board nicht. Normalerweise ist das ein fehlender USB-zu-Seriell-Treiber und kein defektes Board: Boards, die CH340- oder CP2102-Chips verwenden, müssen ihren Treiber unter Windows installiert haben. Es kann auch ein reines Lade-USB-Kabel sein, das Strom, aber keine Daten überträgt.
Fehlende Bibliothek. Das Beispiel kompiliert auf dem Computer eines anderen und gibt No such file or directory auf Ihrem aus. Dieser Fehler nennt den Header, den er nicht finden kann. Installieren Sie diese Bibliothek über Tools > Manage Libraries und kompilieren Sie erneut.
Motoren vom 5-V-Pin des Boards mit Strom versorgen. Ein Servo oder Motor zieht weit mehr Strom, als der On-Board-Regler liefern kann. Das Board fällt aus und setzt sich zurück, normalerweise mitten in der Bewegung, was genau wie ein Codefehler aussieht. Geben Sie Motoren ihre eigene Stromversorgung und verbinden Sie nur die Massen und das Signalkabel mit dem Board.
Serieller Monitor mit falscher Baudrate. Ihr Sketch druckt mit 115200, der Monitor ist auf 9600 eingestellt, und Sie erhalten unleserliche Symbole. Die Zahl in Serial.begin() und die Zahl im Monitor müssen übereinstimmen.
Warum Soldered ein guter Ort ist, um Arduino zu lernen
Komponenten einzeln zu kaufen funktioniert, ist aber langsam, und die Hälfte der Teile kommt ohne Dokumentation an. Die meisten Anfänger kommen weiter, wenn sie mit Boards, Sensoren und Kits beginnen, die bereits zusammenarbeiten und mit lauffähigen Beispielen geliefert werden.
Alles, was wir herstellen, ist unter docs.soldered.com dokumentiert, mit Schaltplänen, Bibliotheken und funktionierendem Beispielcode für jedes Produkt. Unsere Sensoren verwenden Qwiic, sodass Sie sie mit einem Kabel verketten können, anstatt jedes einzeln von Hand zu verdrahten.
Wenn Sie bei Null anfangen, deckt ein Kit alles ab:
Das ist ein NULA Mini ESP32-C6 mit einem Mini-Breadboard, Jumper-Kabeln, 13 LEDs, Widerständen, Tasten, einem Summer und einem Schieberegister sowie drei Qwiic-Sensoren: einem 16x2-LCD, einem HC-SR04-Abstandssensor und einem SHTC3-Temperatur- und Feuchtigkeitssensor. Es gibt nichts Weiteres zu kaufen, um jedes Beispiel darin durchzuarbeiten.
Wenn Sie bereits ein Board besitzen und Ihre eigenen Komponenten zusammenstellen möchten, decken diese drei fast jede Anfängerschaltung ab:
Beide Wege bringen Sie von der ersten blinkenden LED zu einem Projekt, das Sensoren ausliest und Ergebnisse auf einem Bildschirm anzeigt.
Die Kurzfassung
- Arduino ist ein Mikrocontroller-Board plus kostenloser Software, und die Schleife, die es ausführt, ist immer dieselbe: einen Input lesen, entscheiden, einen Output setzen.
- Es ist beliebt, weil man am ersten Tag ein funktionierendes Ergebnis erhält, die Boards günstig sind und Tausende von Komponenten bereits Bibliotheken für sie geschrieben haben.
- Beginnen Sie mit einem Kit statt mit losen Teilen, und wählen Sie Ihre Projekte danach aus, was Sie tatsächlich in Ihrem Haus haben möchten.
Häufig gestellte Fragen
Wofür wird Arduino verwendet?
Lesen von Sensoren und Steuern von Ausgängen. In der Praxis bedeutet das Hausautomation, Robotik, Datenlogging, Umweltüberwachung, Kunstinstallationen, Musikinstrumente und das Prototyping der Elektronik für ein Produkt, bevor man sich für eine kundenspezifische Platine entscheidet.
Ist Arduino gut für Anfänger?
Ja. Es ist der häufigste Einstiegspunkt in die Elektronik, hauptsächlich weil man am ersten Tag ein funktionierendes Ergebnis erzielen kann und weil jedes Problem, auf das man stößt, bereits irgendwo beantwortet wurde.
Benötige ich Programmierkenntnisse, um Arduino zu verwenden?
Nein. Sie sollten lernen, was eine Variable, eine if-Anweisung und eine Schleife sind, was einen Nachmittag dauert. Darüber hinaus verbringen Sie die meiste Zeit damit, Beispiel-Sketches anzupassen, anstatt Code von Grund auf neu zu schreiben.
Ist Arduino eine Programmiersprache?
Nein, obwohl Leute es so bezeichnen. Arduino-Sketches sind C++ mit der Arduino-Bibliothek. Die Bibliothek ist das, was es wie eine eigene Sprache erscheinen lässt, indem sie die Register des Mikrocontrollers hinter Funktionen wie digitalWrite() und analogRead() verbirgt.
Was ist der Unterschied zwischen Arduino und Raspberry Pi?
Arduino ist ein Mikrocontroller-Board: Es führt ein Programm aus, bootet sofort und eignet sich gut für zeitkritische Steuerungen. Ein Raspberry Pi ist ein kleiner Computer, der Linux läuft: Er hat ein Betriebssystem, führt viele Programme gleichzeitig aus und eignet sich gut für Kameras, Netzwerke und alles, was echte Rechenleistung benötigt. Wir vergleichen beide mit dem ESP32 in Arduino vs Raspberry Pi vs ESP32.
Welches Arduino-Board sollte ich zuerst kaufen?
Wenn Sie ein Board wollen, ein NULA Core. Wenn Sie Elektronik von Null lernen und die Teile und die Lektionen dazu haben möchten, das Embedded Journey Kit.
Kann Arduino für IoT-Projekte verwendet werden?
Ja, mit einem Board, das Wireless integriert hat. Klassische Arduino-Boards benötigen ein separates WLAN- oder Ethernet-Modul. ESP32-basierte Boards wie das NULA Mini ESP32-C6 oder das NULA DeepSleep ESP32-S3 haben WLAN und Bluetooth an Bord und lassen sich immer noch über die Arduino IDE programmieren.
Ist Arduino kostenlos nutzbar?
Die Software ist es. Die Arduino IDE ist kostenlos, die Kernbibliotheken sind Open-Source und fast jede Drittanbieter-Bibliothek ist kostenlos. Sie zahlen für Hardware.
