Erste Schritte mit Arduino auf macOS Ventura

Arduino ist eine kostengünstige, kleine Elektronikplattform für Hersteller. Hier erfahren Sie, wie Sie unter macOS damit beginnen.

Als die kleine Elektronikplattform Arduino im Jahr 2005 in der Elektronikszene explodierte, löste sie Schockwellen in der Maker-Community aus.

Die kleine Mikrocontroller-Plattform wurde von Massimo Banzi und seinem Entwicklerteam am Interaction Design Institute Ivrea, Italien, entwickelt und wurde entwickelt, um Studenten und Hobby-Elektronikingenieuren eine kleine, einfache und kostengünstige Plattform und Tools zur Verfügung zu stellen, die die Entwicklung von Elektronik ermöglichen .

Die Plattform durchlief mehrere Iterationen, bevor sie standardisiert wurde. Das Design der Plattform ist Open Source, sodass jeder Arduino-Geräte und -Komponenten auf Basis eines einzigen, offenen Referenzdesigns herstellen kann.

Die Programmierung für Arduino basiert auf der Arduino Programming Language (APL), die selbst auf Processing basiert, APL ist jedoch C sehr ähnlich.

Der Name Arduino selbst leitet sich vom Namen einer Bar in Italien ab, in der sich die Entwicklungsgruppe traf, die wiederum ihren Namen von einem König Italiens aus dem Mittelalter erhielt.

Ähnlich wie die ältere AVR-Plattform bietet Arduino mehrere Vorteile, nämlich geringere Kosten, Allgegenwart und eine leichter zugängliche Komponentenversorgung.

Seit der Einführung von Arduino ist rund um die Plattform eine ganze Branche und ein ganzes Ökosystem entstanden, das mittlerweile schätzungsweise dreißig Millionen Nutzer weltweit hat.

Jeder kann für etwa 25 US-Dollar mit Arduino beginnen, vorausgesetzt, man hat Zugang zu einem Computer. Der Großteil der Programmierung erfolgt über die herunterladbare IDE von Arduino.

Allerdings verfügt die offizielle Seite mittlerweile über eine Online-IDE (Integrated Development Environment), mit der sich die Geräte im Web programmieren lassen.

Im Jahr 2017 gab Arduino.cc eine Partnerschaft mit ARM Holdings aus Großbritannien bekannt.

Eine vollständige Einführung in Arduino finden Sie unter „Was ist Arduino“ auf der offiziellen Website.

Mittlerweile sind viele Modelle von Arduino-Boards in unterschiedlichen Preisklassen erhältlich. Am gebräuchlichsten ist bei weitem der Arduino Uno R3, der aus einer einzigen kleinen Platine mit Strom- und USB-Anschlüssen, Ein-/Ausgabeanschlüssen (I/O) für analoge und digitale Sensoren sowie minimalen integrierten LEDs für Strom und Datenkommunikation besteht .

Die komplette Board-Reihe umfasst Uno, Nano, Pro Micro, Pro Mini, Leonardo, Due, Mega, Yun, Yun Mini, Gemma und andere. Arduino.cc hat kürzlich auch eine neuere High-End-Reihe von Arduinos (MKR-Familie) vorgestellt, die Funktionen wie LoRa-Netzwerk, NodeMCU, NodeRed und andere Funktionen umfassen.

Einige Arduino-Boards, wie z. B. Gemma, wurden eingestellt und werden nicht mehr unterstützt, sind aber immer noch online auf den Websites verschiedener Verkäufer zu finden. Es gibt auch eine Nicla-Familie mit geringerem Stromverbrauch, die für eingebettete Systeme und reine Batterieversorgung konzipiert ist.

Die meisten Boards basieren auf Atmel-Mikrocontrollern, vor allem der Atmel ATmega328 und andere, aber das Due basiert auf einem 32-Bit-ARM-Prozessor und das Yun läuft mit einer Vollversion des Linux-Betriebssystems und verfügt über integriertes WLAN. Yun ist jetzt im Ruhestand und wird durch den viel kleineren Yun Mini und die MKR-Familie ersetzt.

Das Mega ist ein viel größeres Board. Wie der ursprüngliche Yun bietet er über seine I/O-Header über 50 Verbindungen.

Es gibt auch extrem kleine Versionen von Arduino wie Seeed Studio XIAO SAMD21 (11 $) und Beetle (11 $).

Die Grundidee von Arduino besteht darin, einen oder mehrere kleine elektronische Sensoren an die analogen oder digitalen Anschlusspins der Platine anzuschließen, die normalerweise auf der Vorderseite der Platine neben den Stiftleisten beschriftet sind. Die Kommunikation zu und von Sensoren wird mithilfe der IDE oder des Web-Editors programmiert und auf den Arduino hochgeladen.

Dieses Foto zeigt einen UNO R3-Klon von WeMos, der links WLAN, Strom und analoge Pins sowie rechts digitale und Sende-/Empfangs-LED-Pins enthält:

Leonardo, ähnlich wie UNO, wird hier gezeigt:

Die meisten Platinen verfügen über 3,3-V-/5-V-Stromversorgung, Masse (GND), drei bis 11 analoge plus zehn digitale I/O-, Stromversorgungs-, Sende- (TX) und Empfangs-Pins (RX), die die integrierten LEDs widerspiegeln. Einige Platinen verfügen über eine gemeinsame LED für TX/RX.

Das Arduino-Board wird über ein USB-Kabel oder WLAN mit einem Computer verbunden. Die meisten Boards verfügen entweder über einen USB-Typ-B-Anschluss (wie die meisten USB-Drucker oder Micro-B-USB), und einige Boards von Drittanbietern unterstützen auch Bluetooth.

Arduino.cc verkauft auch eine viel kleinere UNO Mini Limited Edition (55 US-Dollar). Es ist etwa halb so groß wie das UNO R3 und verfügt über einen USB-C-Anschluss.

Die meisten Arduino-Boards beziehen ihren Strom über den USB-Anschluss, die meisten verfügen jedoch auch über einen Gleichstromanschluss für zusätzliche Stromversorgung. Sie können ein 5-V-USB-DC-Netzteil anschließen oder das Board über eine Standard-9-V-Batterie betreiben, vorausgesetzt, Sie haben das richtige Kabel:

Einige Modelle wie Pro Micro und Pro Mini verfügen nicht über USB-Anschlüsse, sondern über einen Satz aus fünf oder sechs Stiftleisten. Sie müssen mit einem speziellen seriellen Adapterkabel (meist auf UART-Basis) programmiert werden.

Kleine UART-Adapterplatinen mit USB-Anschluss sind für ein paar Dollar online erhältlich:

Es sind viele Board-Drittanbieter aufgetaucht und inzwischen ist eine große Auswahl an Board-Varianten mit unterschiedlichen Features erhältlich.

Einige Sensoren verfügen nur über direkte Sensorpins, während andere auch Pins für Mikroprozessor-Busstandards wie I2C, I3C, SPI, UART und andere enthalten. Externe Busverbindungen ermöglichen ein komplizierteres Systemdesign und komplexere Anwendungsfälle, beispielsweise den Bau kleiner Arduino-basierter Roboter.

Zu den Gerätesensoren gehören unter anderem:

Dutzende Arduino-spezifische Unternehmen sind entstanden und bieten zusätzliche Arduino-basierte Produkte, Tutorials und Bücher an. Zu ihnen zählen vor allem Adafruit, Sparkfun, DFRobot, Funduino, Pixel Electric, Keystudio, SeedStudio, Seeduino, Hacktronics und andere.

Einige Anbieter wie Adafruit haben Boards wie Trinket und Flora entwickelt, die zwar nicht vollständig Arduino-kompatibel sind, aber mit der Arduino-IDE oder dem Web-Editor programmiert werden können.

In ähnlicher Weise hat ST Microelectronics einen eigenen Arduino-ähnlichen Standard namens STM32 entwickelt, bei dem es sich um einen 32-Bit-Standard handelt, der auf ARM Cortex-M basiert.

ST bietet ein kleines STM32-Evaluierungsboard zu geringen Kosten an. STM32 wird hauptsächlich für den Entwurf und die Entwicklung eingebetteter Schaltkreise verwendet, insbesondere für Industrieroboter:

ST bietet auch eine Reihe von STM32-Lernboards namens NUCLEO an, deren Preis bei etwa 30 US-Dollar beginnt.

Mehrere Drittunternehmen bieten kleine STM32-Lernboards für unter 10 US-Dollar an.

Andere Unternehmen wie Ideaspark sind mit Arduino noch einen Schritt weiter gegangen, indem sie winzige integrierte OLED-Displays direkt auf ihren Platinen eingebaut haben, was die Anzeige von Informationen, die auf einem Arduino verarbeitet werden, vereinfacht.

Andere Board-Anbieter haben die Netzwerkmodule ESP32 oder ESP8266 direkt auf ihren Boards integriert, wodurch sie drahtlos sind.

Zu den spezialisierten Herstellern von Arduino-Kameras zählen unter anderem Charmed Labs und Arducam. Die meisten Arduino-Kameras nutzen den SPI-Bus zur Datenübertragung.

Schauen Sie sich auch das Seeed Arduino Sensor Kit (36 $) an, das bei Kiwi Electronics erhältlich ist.

Eine der größten Stärken von Arduino ist die Möglichkeit, Sensorschilde an einer Platine anzubringen. Die meisten Schilde passen auf die UNO, aber einige unternehmungslustige Unternehmen wie Keystudio stellen Schilde für größere Platinen wie das Mega her.

Eine Abschirmung ist einfach eine zweite Leiterplatte (PCB), die einen oder mehrere Sensoren oder Geräte enthält, mit Stiftreihen an der Unterseite, die direkt in die I/O-Pins eines Arduino gesteckt werden. Indem Sie eine Abschirmung auf ein Arduino aufstecken, erweitern Sie dessen Funktionalität sofort, ohne Kabel oder Löten.

Ein Beispiel für eine Ethernet-Abschirmung ist unten dargestellt:

Einige Schilde, beispielsweise die für den Nano, sind Umkehrschilde. Da der Nano über keine E/A- oder Stromanschlüsse verfügt, sondern nur über Anschlussstifte an der Unterseite, haben einige Unternehmen Nano-Breakout-Boards entwickelt, in die der Nano oben einrastet.

Die Pins des Nano werden mit der Abschirmung verbunden (und nicht umgekehrt), die über einen Stromanschluss, einen Reset-Schalter und eine Vielzahl männlicher und weiblicher Pins für Überbrückungsdrahtverbindungen verfügt – wodurch die Verbindungen effektiv zur Abschirmung verschoben werden. Dadurch ist der Umgang mit dem Nano deutlich einfacher:

Da der Nano über einen USB-Anschluss verfügt, können Sie ihn immer noch direkt programmieren und Ihre Schaltkreise testen. Sobald Ihr Design jedoch abgeschlossen ist, können Sie den Nano von seiner Abschirmung trennen und die Sensoren direkt an seine Pins anschließen. Sie können einen Nano problemlos in ein ferngesteuertes Flugzeug, Fahrzeug oder eine Modellrakete einbauen.

Es gibt eine große Auswahl an Schutzschilden, die gebräuchlichsten und beliebtesten sind jedoch:

Hobby Components im Vereinigten Königreich verkauft ein Multifunktions-Lernschild (4,58) für Uno und Leonardo, das eine 4-stellige LED-Anzeige, einen Summer, drei Eingangsschalter, einen Reset-Schalter, einen 5V/GND-Header und einen variablen Widerstand für Analog umfasst Pin 0 und ein Header für ein zusätzliches Bluetooth-Spracherkennungsmodul (APC220).

Cohesive Computing bietet einen Online-Leitfaden für Multifunktionsschilde.

Hier ist ein LCD-Schutzschild auf einem UNO, der mit einer 9-V-Batterie betrieben wird:

Wenn Sie Ihre benutzerdefinierten Schaltkreise mit Arduino erstellen und testen möchten, verwenden Sie besser Steckbretter anstelle von Abschirmungen. Ein Steckbrett ist einfach eine kleine Kunststoffplatte mit Reihen von Stromkreisverbindungslöchern, an deren Unterseite sich Metallschienen für die Anschlüsse befinden.

Sie stecken Komponenten in ein Steckbrett und verbinden es dann mit Überbrückungsdrähten an den 3,3V/5V- und GND-I/O-Anschlüssen mit Ihrem Arduino. Die meisten Steckbretter haben an den Längsseiten zwei Stromreihen: eine für Strom, die normalerweise mit „+“ gekennzeichnet und rot ist, und eine für Masse, die im Allgemeinen mit „-“ gekennzeichnet und blau ist.

Sie können die Stromanschlüsse an jeder beliebigen Stelle entlang der Stromschienen in das Steckbrett stecken. Anschließend werden zusätzliche Überbrückungsdrähte verwendet, um die Komponenten in der Mitte der Platine mit Strom/Masse zu verbinden und so einen vollständigen Schaltkreis zu bilden.

Steckbretter gibt es in verschiedenen Größen, am gebräuchlichsten sind jedoch kurze und lange weiße Steckbretter aus Kunststoff von 5 bis 10 Zoll. Zusätzlich sind große Steckbretter mit Stromanschlüssen sowie winzige Steckbretter ohne eigene Stromschienen erhältlich.

Einige spezielle Steckbretter bieten Platz zum Befestigen Ihrer Arduino-Boards mit Schrauben oder Abstandshaltern.

Einige Unternehmen stellen kleine USB-/Stromabschirmungen her, die direkt an Steckbrettern befestigt werden und beide seitlichen Reihen von Stromschienen, einen USB-Anschluss, einen Gleichstromanschluss, einen Ein-/Aus-Schalter, eine Power-LED und Jumper für 3,3 V/V direkt mit Strom versorgen. 5V-Auswahl. Einige, wie das unten gezeigte, verfügen über zwei Sätze Stromanschlüsse mit Jumpern, sodass Sie 3,3 V oder 5 V an die Stromschienen anschließen können:

Alles, was Sie für die Stromversorgung solcher Boards benötigen, ist ein zweiter USB-Anschluss, ein 5-V-Gleichstrom-Netzteil oder eine 9-V-Batterie – Sie müssen für die Stromversorgung keine Überbrückungskabel an Ihr Arduino anschließen.

Hier ist eine Ansicht verschiedener Arduino-Hardware:

Von oben links, nach Reihe: ESPDuino UNO-Klon von DOIT.am, WeMos D1 WiFi UNO-Klon, Nano-on-Reverse-Shield, Prototyping-Shield, Prototyping-Shield mit Komponenten, STM32-Evaluierungsboard, LED, Mini-Steckplatine, Ethernet-Shield, Funduino-Breakout-Shield, CNC-Motortreiber-Abschirmung, LCD-Abschirmung, 8-stellige LED-Anzeige, 220-Ohm-Widerstände, 1K-SMD-Widerstände, Überbrückungsdrähte, Testklemmen, Touch-Tastatur.

Mit dem Begriff „Internet der Dinge“ wird mittlerweile jedes kleine vernetzte Mikrocontroller-basierte Gerät bezeichnet, das etwas erkennen, eine Verbindung zum Internet herstellen und den/die Sensor(en) steuern oder Rückmeldungen von diesen senden kann.

Während IoT ein breites Spektrum an Systemen umfasst, darunter auch eingebettete Systeme und nicht nur Arduino, denken Hersteller beim Begriff „IoT“ sofort an Arduino.

Um die Arduino IDE auf Ihrem Mac zu installieren, gehen Sie zu arduino.cc, klicken Sie auf „Software“ und dann im Abschnitt „Download-Optionen“ auf den Link für die Mac-Version für Intel oder Apple Silicon.

Beachten Sie, dass Sie den Link im Abschnitt „Nightly Builds“ nicht möchten, es sei denn, Sie möchten mit der aktuellen Entwicklungsversion herumspielen. Nächtliche Builds können instabil sein und Fehler enthalten.

Die Download-Seite enthält außerdem einen Link zum Arduino-Online-Webeditor, mit dem Sie Ihre Programme in der Arduino-Cloud speichern können.

Um Ihren Arduino mit Ihrem Mac zu verbinden, suchen Sie sich ein geeignetes USB-Kabel. Abhängig von der Art des USB-Anschlusses an Ihrem Arduino ist dies wahrscheinlich USB Typ A auf USB Typ B, Typ A auf Micro-B USB, USB C auf Typ B oder USB C auf Micro-B.

Arduino Nanos verwenden normalerweise einen 8-poligen Mini-B-Stecker, der einen etwas größeren Stecker als Micro-B hat. Beachten Sie, dass es zwei Varianten von Mini-USB gibt – den älteren 8-Pin-Typ und einen etwas größeren Standard-Mini-B-Typ.

Für die meisten Nanos benötigen Sie den älteren 8-Pin-Typ. Überraschenderweise passt der Standardstecker nicht auf die meisten Nanos.

Wenn Sie Ihren Arduino an Ihren Mac anschließen, sollten Sie die integrierte Power-LED sehen. Wenn Ihr Arduino über einen integrierten WLAN- oder Bluetooth-Chip verfügt, z. B. ESP8266, verfügt er möglicherweise über eine separate LED, die zu blinken beginnt, sobald Sie den Arduino anschließen.

Einige Arduinos verfügen über zwei integrierte Power-LEDs. Verwechseln Sie diese nicht mit den TX/RX-LEDs, die nur während der Datenübertragung blinken.

Öffnen Sie als Nächstes die heruntergeladene Arduino-IDE, indem Sie auf dem Mac-Desktop darauf doppelklicken:

Es öffnet sich ein einzelnes Arduino-Fenster mit einer kleinen Menge Vorlagencode darin.

Wenn Bibliotheken aktualisiert werden müssen, wird in der unteren rechten Ecke des IDE-Editorfensters eine Meldung angezeigt:

Klicken Sie auf „Alle installieren“, um alle installierten Bibliotheken auf den neuesten Stand zu bringen (zu den Bibliotheken kommen wir gleich). Diese Meldung wird von Zeit zu Zeit angezeigt, wenn Sie die IDE ausführen und Bibliotheken aktualisiert werden müssen.

Wenn Sie die IDE zum ersten Mal ausführen oder wenn Sie mehr als ein Arduino angeschlossen haben, müssen Sie der IDE mitteilen, welches Arduino Sie verwenden möchten. Die IDE kennt alle Arduino-Typen und alle möglichen Ports auf Ihrem Mac, mit denen sie eine Verbindung herstellen kann – sie weiß jedoch zunächst nicht, welchen Sie verwenden möchten oder wo er angeschlossen ist.

Wenn Ihr Board beim Öffnen der IDE nicht im Popup-Menü in der oberen linken Ecke des Fensters angezeigt wird, klicken Sie auf das Menü und wählen Sie es aus. Wenn es nicht im Menü aufgeführt ist, klicken Sie auf „Andere Karte und anderen Anschluss auswählen“ und wählen Sie es dann aus der bereitgestellten Liste aus:

Typische Anschlüsse sind USB, WLAN, Bluetooth oder seriell. Es gibt auch ein serielles Überwachungsfenster, das Sie öffnen können, um die Kommunikation zwischen Ihrem Mac und Ihrem Arduino zu überwachen:

Wenn Ihr Board über mehrere Netzwerkschnittstellen verfügt, werden diese im Popup-Menü separat aufgeführt. Im folgenden Beispiel verwenden wir den ESPDuino-Klon.

Obwohl die Bluetooth-Schnittstelle an erster Stelle aufgeführt ist, wird das UNO über ein USB-Kabel angeschlossen, das an zweiter Stelle als „/dev/cu.usbserial-143110“ aufgeführt ist. Da wir die Bluetooth-Schnittstelle nicht nutzen möchten, sollten wir die USB-Verbindung (cu.usbserial-143110) auswählen.

Beachten Sie, dass Sie im Fenster „Andere Platine und Port auswählen“ zunächst einen Platinentyp auswählen müssen. Da Sie den Kartentyp bereits kennen, wird die Liste der möglichen Anschlussports eingegrenzt, sobald Sie den Kartentyp auswählen.

Wenn Sie die Checkbox „Alle Ports anzeigen“ aktivieren, werden alle möglichen Portverbindungen für das ausgewählte Board angezeigt:

Im obigen Beispiel sind zwei UNOs verbunden. Die ersten beiden Anschlüsse befinden sich am ESPDuino, der sowohl über Bluetooth als auch USB verfügt, und der dritte Anschluss ist der USB-Anschluss eines generischen UNO-Klons, der nur über USB verfügt. Seien Sie also vorsichtig – es kann leicht zu Verwirrung kommen.

Sie können Ihr Board und Ihren Port auch im Menü „Extras“ unten auswählenExtras->Board und Tools->Port . Wenn Sie auswählenHolen Sie sich Board-Informationen Direkt darunter werden Ihnen der Boardname, der eindeutige USB-Anbieter und die Produkt-IDs angezeigt. (Jeder USB-Gerätehersteller muss bei USB.org einen USB-Anbieter und eine Produkt-ID registrieren):

Nachdem die IDE nun mit Ihrem Arduino verbunden ist, machen wir einen kurzen Rundgang durch das IDE-Editor-Fenster:

Oben im Fenster befinden sich in der grünen Leiste von links nach rechts:

Direkt unter der Schaltfläche „USB-Seriell-Monitor“ befindet sich die Registerkarte „Editor“:

Auf der linken Seite des Editorfensters befinden sich fünf Schaltflächen, von oben nach unten:

Sobald Sie Ihr Board eingerichtet haben, ist die Verwendung der Arduino IDE ein Kinderspiel.

Im Bereich „Bibliotheksmanager“ in Skizzenfenstern können Sie offizielle Bibliotheken und Bibliotheken von Drittanbietern herunterladen und installierte Bibliotheken aktualisieren. Bibliotheken sind Codepakete, die der IDE eine bestimmte Funktionalität oder Geräteunterstützung hinzufügen.

Wenn Sie beispielsweise einen nicht generischen Sensor einer bestimmten Marke verwenden, müssen Sie zunächst die entsprechende Bibliothek herunterladen und installieren.

Sie können verschiedene Kategorien von Bibliotheken anzeigen, indem Sie oben im Fenster des Bibliotheksmanagers auf das Popup-Menü „Thema“ klicken.

Es gibt ein paar lesenswerte Einführungsbücher zum Erlernen von Arduino:

Es gibt auch eine Reihe guter Spickzettel mit Zusammenfassungen von Arduino, die Sie griffbereit haben können, darunter solche bei MAKE: und SparkFun.

Die Arduino-Welt ist riesig und bietet praktisch endlose Möglichkeiten. Mithilfe von Arduino und Sensoren können Sie einen Prototyp nahezu jedes beliebigen Systems erstellen.

In zukünftigen Artikeln werden wir uns mit der Programmierung von Arduino und komplexeren Anwendungen wie Hausautomation, Kameras, Wetterüberwachung, Motorsteuerung und verschiedenen Buskommunikationen befassen.

Chip ist seit 30 Jahren ein Veteran der Apple-Branche, Autor von 18 kommerziellen Mac-Softwareprodukten und ehemaliger Mitarbeiter von Apple und Sony.