Aktuelle Version vom 26. Dezember 2015, 21:46 Uhr

Dieses mehrwöchige/mehrmonatige Tutorial soll einem den Einstieg in die Welt der Mikrocontroller mit Hilfe des Arduino 2560 R3 Boards erleichtern. Angefangen wird natürlich bei den Grundlagen, also bei der Hochsprache "C". Das Tutorial ist chronologisch aufgebaut und kann ohne jegliche Vorkenntnisse abgearbeitet und (hoffentlich) verstanden werden

Aller Anfang...

..ist gar nicht mal so schwer. Dieses Tutorial soll all jenen helfen, die gerade neu einsteigen und mit wenig Hardware viel erreichen wollen. Es wird keine vorherigen Kenntnisse benötigt, ein wenig Zeit und technisches Interesse sollte jedoch mitgebracht werden

Aus eigener Erfahrung: Keine Angst vor neuem! Das was wir hier machen ist (mehr oder weniger) ungefährlich und es kann nichts kaputt werden. Es sollte aber alles Punkt für Punkt beachtet und lieber zweimal gelesen werden, bevor man etwas falsch macht.

Grundlegendes

Ziele

• Verstehen und Anwenden von Mikrocontrollern
• Verstehen und Anwenden der Hochsprache "C", genauer "AVR-GCC"
• Anwenden von Arduino-Bibliotheken (eher weniger)
• Ansteuern von Peripheriegeräten im Zusammenhang mit µC:
  • LED
  • Relais
  • usw.
• Auslesen von Sensoren mit µC:
  • Temperatursensoren (PT1000, KTY81, etc)
  • Lichtschranken (z.B. zu Drehzahlmessung)
  • usw.

Was gebraucht wird

Für das Tutorial wird das Arduino 2560 R3 Board verwendet, dazu wird noch eine externe Spannungsversorgung wenn man viel Peripherie angschlossen hat und ein USB Kabel benötigt. Als integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) verwenden wir die Freeware "Atmel Studio 6.0" und "WinAVR" zum übertragen auf den Controller. Für das C-Tutorial werden wir aber das "Microsoft Visual C++ Express" verwenden , das ebenso kostenlos ist.

Zusammenfassung:

• Arduino 2560 R3 Mikrocontrollerboard
• USB A auf B Kabel ("Normaler" USB Anschluss auf den abgeschrägten Quadratischen)
• PC/Notebook mit USB-Anschluss zum Programmieren
• IDE: Atmel Studio 6.0
• Übertragungsprogramm: WinAVR
• C - IDE: Microsoft Visual C++ Express

Wir starten mit C

Für alle Neulinge die komplett neu in die Materie einsteigen gibts es am Anfang ein kleines C - Tutorial. Dies will ich aber nicht zu tief greifend machen, denn viele Funktionen wie Strings werden nur in Verbindung mit einem LCD bzw. einer Seriellen Schnittstelle gebraucht, solche Funktionen werde ich dann erklären, wenn sie gebraucht werden. Ebenso werden wir einige Bereiche nur überfliegen und nicht bis ins letzte Detail erklären, für das gibt es dann facheinschlägige Internetseiten und (ja man glaubt es kaum) Bücher.

Hello World und der Grundaufbau

Ein C Programm besteht grundsätzlich aus 2 Hauptteilen:

1. Hauptprogramm
2. Include-Datein

#include <eine_datei.h> //Include Datei
#include "eine_andere_datei.h>

void main() //Hier fängt das Hauptprogramm an
{
//Funktionsaufruf
}

Diese paar Zeilen Code sind bereits ein lauffähiges, ausführbares Programm, unsere Konsolenanwendung bleibt aber leer, da wir keine Funktionen aufrufen.

Gleich vorweg: "//" ist ein Kommentar -> Keine Auswirkung auf den Programmablauf - mehr dazu später

Include Dateien

Die Inlcude Datein sind jene Datein, in denen Funktionen genauer definiert sind. Also wie die Funktion aufgerufen werden muss

Dateien, die im Standart Include Verzeichniss sind werden in spitze Klammern geschrieben (<...>), Dateien welche im Projektverzeichniss sind werden in doppelte Hochkomma geschrieben ("..."), diese Dateien werden von uns selbst geschrieben, z.B. um große Unterprogramme auslagern zu können

Häufig genutzte Dateien sind (im Windows-Bereich):

• conio.h - Character Funktionen (getch etc)
  
• stdio.h - Standart Ein-Ausgabe (printf, scanf etc)
  
• stdlib.h - Zufallsfunktionen, CMD-Funktion
  

Hauptprogramm

Das Hauptprogramm wird bei jedem Programmaufruf aufgerufen und abgearbeitet, ist das Hauptprogramm zu Ende, beendet sich das ganze Programm (Konsolenanwendung) Das Hauptprogramm selbst besteht ebenso aus mehreren Teilen:

1. Der Funktionskopf:

void main ()

Hier steht der Name, bei einem Hauptprogramm immer main, bei Unterprogrammen (dazu später) kann man diesen frei wählen Das void sagt aus, dass das Programm nichts zurück liefert, Unterprogramme können aber auch etwas zurückliefern, dazu ebenso später.

1. Der Funktionsaufruf:

{
//Funktionsaufruf
}

Zwischen den geschwungenen Klammern wird das Programm abgearbeitet, also Berechnungen usw. ausgeführt

Ausgabe am Bildschirm

Die Standartausgabe am Bildschirm erfolgt über die Funktion printf

Syntax:

printf("Ausgabetext unter doppeltem Hochkomma", Variablen);

Für die Formatierung und einige Zusatzfunktionen gibt es sogenannte Escape Sequenzen. Diese werden einfach in den Text eingeaut, die wichtigsten sind:

• \n Nächste Zeile
  
• \t Tabulator (horizontal)
  
• \a Alarmton (Beep)

Hello World

Mit diesen einfachen Funktionen können wir nun unser erstes "sinnvolles" Programm schreiben:

#include <stdio.h>

void main ()
{
   printf("Hello World!");
}

Bei Verwendung des Microsoft Visual Studios wird unser Programm einfach mit der Tastenkombination [Strg]+[F5] gestartet

Variablen

Variablen werden verwendet um veränderbare (variable) Werte zu speichern. Diese Werte können unterschiedlich groß sein, deshalb gibt es unterschiedliche Datentypen:

Ganzzahlige Variablen:

NAME                   WERTEBEREICH                              SPEICHERBEDARF
signed char 	        -128 bis 127 	                          1 Byte
unsigned char 	        0 bis 255 	                          1 Byte
short int 	        -32768 bis 32767                	  2 Byte
unsigned short int 	0 bis 65535               	          2 Byte
int 	                -32768 bis 32767                          2 Byte
unsigned int 	        0 bis 65535 	                          2 Byte
long int 	        -2147483648 bis 2147483647                4 Byte
unsigned long int 	0 bis 4294967296                	  4 Byte

Gleitkomma Variablen:

NAME                   WERTEBEREICH                    GENAUIGKEIT     SPEICHERBEDARF
float 	                1.2 * 10-38 bis 3.4 * 1038 	6 Stellen 	4 Bytes
double 	                2.3 * 10-308 bis 1.7 * 10308 	15 Stellen 	8 Bytes
long double 	        3.4 * 10-4932 bis 1.1 * 104932 	19 Stellen 	10 Bytes

Variablen definieren/deklarieren/initialisieren

Definition - Deklaration

Als erster Schritt müssen Variblen definiert werden: es muss Name und Datentyp festgelegt werden, automatisch dazu wird ein gewisser Speicherplatz für die Variable reserviert.

Eine Definition einer Integer Variable könnte zum Beispiel so aussehen:

int variablenname;

Somit haben wir für die Variable "variablenname" einen 2 Byte großen Speicherplatz reserviert.

Initialisierung

Nun schreiben wir erstmals Daten in unseren Speicherbereich.

variablenname = 2012;

Alles auf einmal

Die Deklaration und Initialisierung kann auch auf einmal geschehen:

int variablenname = 2012;

Variablen ausgeben

Mit printf werden auch die Werte von Berechnungen ausgegeben:

//anderer Programmcode
printf("Inhalt der Int-Variable: %d", variablenname);

Bildschirmausgabe:

Erklärung: %d ist ein Formatzeichen, wird bei der Bildchirmausgabe durch den Variableninhalt ersetzt Formatzeichen:
%d - Int und Long Variablen
%f - Float
%lf - double
%s - Zeichenkette (String)

Mehrere Variablen ausgeben

Es können natürlich auch mehrere Variablen auf einmal ausgegeben werden:

zweite_variable=1.234;
printf("Erste Variable: %d \n Die Zweite Variable steht in der nächsten Zeile: %f", variablenname, zweite_variable);

Bildschirmausgabe:

Kommentare

Um Programme so lesbar wie möglich zu gestalten kann man verschiedene Kommentare hinzufügen:

• //Kommentartext Dieser Kommentar gilt nur bis zum Zeilenende der selben Zeile
• /* Kommentartext */ Dieser Kommentar gilt zwischen den beiden Symbolen und kann auch über mehrere Zeilen gehen

Kontrollstrukturen

Zum Überprüfen und Vergleichen von Werten gibt es spezielle Funktionen Die wohl wichtigste Kontrollstruktur ist die if-Abfrage

if - Abfrage

Syntax:

if(Abfragewert Operator Vergleichswert)
{
//Ausführung wenn Abfrage zutrifft
}
else
{
//Ausführung wenn Abfrage NICHT zutrifft
}

Erklärung: Der Operator ist ein sogenannter Vergleichsoperator:
== ist gleich (Wahr, wenn beide Seiten gleich)
> Größer (Wahr, wenn Abfragewert größer Vergleichswert)
>= Größer Gleich (Wahr, wenn Abfragewert größer oder gleich Vergleichswert)
< Kleiner (Wahr, wenn Abfragewert kleiner Vergleichswert)
< Kleiner Gleich (Wahr, wenn Abfragewert kleiner oder gleich Vergleichswert)
!= Ungleich (Wahr, wenn Abfragewert ungleich Vergleichswert)

Beispiel:

//Hier wurde eine Zahl mittels scanf eingelesen

if(zahl > 0)  //Jetzt wird überprüft ob die Zahl größer als 0 ist, somit positiv
{
   printf("Zahl ist Positiv");   //Wenn das zurtrifft wird "Positiv" ausgegeben
}
else
{
   printf("Zahl ist negativ");    //Wenn nicht, wird "Negativ" ausgegeben
}

Man kann auch mehrere Abfragen miteinander verknüpfen:

//Beispiel: Es soll herausgefunden werden, ob eine Zahl positiv oder 0 ist. 
//Wenn dies nicht zutrifft soll geprüft werden ob die Zahl kleiner oder gleich -10 ist

//Hier wurde die Zahle eingelesen

if(zahl >= 0) //Prüfen ob Zahl positiv
{
  printf("Zahl positiv")
}
else if(zahl <= -10)  //ACHTUNG: Das hier wird NUR geprüft wenn die erste Abfrage NICHT wahr ist
{
  printf("Zahl kleiner als -10");
}

//Logische Operatoren ( && || ! )

switch/case Abfrage

//Mehrfachabrage usw...

µC - Programmierung

Über das Board

//In Arbeit

Begriffserklärungen

C

• CPU = CentralProcessingUnit, Hauptprozessor

I

• IDE = IntegratedDevelopmentEnvironment, integrierte Entwicklungsumgebung, bestehend aus: Texteditor, Präprozessor, Compiler, Linker, Debugger

M

• Mikrocontroller = IC (Krabbelkäfer) der aus einer CPU, RAM, Flash-Speicher, Timer usw. zusammensetzt ist

R

• RAM = Random-Access Memory, Speicher auf den laufend direkt zugegriffen werden kann, Arbeitsspeicher

Sonderzeichen

• µC = Mikrocontroller

Über das Tutorial

Dauer

Eine Ende ist vorerst nicht in Sicht, es wird mehr oder weniger gleich wie in der Schule vorgegangen. Ich schätze aber, dass wir Ende des Schuljahres (Juli 2013) von den Grundzügen, über Timer/Interrupts bis hin zur seriellen Schnittstelle kommen sollten.

Projekte

Geplant ist ein schrittweiser Aufbau mit einem Mix aus Lernstoff und praktischen Beispielen/Projekten, wobei bei diesen Projekten meistens nur "Standarthardware" (LEDs, Transistoren, Relais, Schalter usw) verwendet wird. Es kann aber auch mal vorkommen, dass mehr Teile benötigt werden, dass wird dann (wenn möglich) aber eher als Zusatzbeispiel gemacht. Sollte es sich nicht vermeiden lassen externe Hardware anzuschaffen werd ich versuchen, dies so früh wie möglich anzukündigen.

Autor

• Thomas PAIL, Geb.: 1996, Schüler HTLuVA Pinkafeld - Elektronik und technische Informatik
• Für Infos und Kontakt:

robo_tom_24 RoboterNetz - Profil

Diskussionen über das Tutorial

Diskussionsthread

Schriften

1. Platzhalter

Siehe auch

• Bücher zum Thema Mikrocontroller Schwerpunkt Arduino

Weblinks

• Projektseite mit einer ausführlichen Einführung / Lizenzbedingen usw.
• Die C Entwicklungsumgebung und Beispielprogramme
• PROGRAMINO IDE - Alternative Entwicklungsumgebung für Arduino