Das Ziel der vorliegenden Arbeit besteht darin mithilfe eines Arduinos unter Verwendung eines Schieberegisters ein zirkulierendes Lauflicht mit frei wählbarem Muster zu entwickeln. Hierfür werden alle notwendigen Bauteile des Arduinos elektronisch miteinander verkabelt und durch die Entwicklung eines lauffähigen Programms den Anforderungen des Projekts entsprechend angesteuert.
Heutzutage ist die Digitalisierung für Unternehmen einer der entscheidenden Faktoren hinsichtlich ihrer Wettbewerbsfähigkeit. Vor allem das sogenannte „Internet of Things“, welches die Vernetzung und Zusammenarbeit von verschiedensten digitalen Systemen darstellt, bringt ein großes innovatives und wirtschaftliches Potenzial mit sich. Um den daraus resultierenden neuartigen Anforderungen gerecht zu werden, bedarf es in jedem Teilbereich den Einsatz von adäquaten Technologien. So haben auch Mikrocontroller, die in unzähligen technischen Produkten eingebettet sind und dort vielfältige Funktionen der Geräte steuern, ihren Anteil an der technischen Revolution. Dessen Relevanz zeigt sich insbesondere in den stetig steigenden Umsatzerlösen. Während im Jahr 2015 lediglich 15,95 Milliarden Euro umgesetzt wurden waren es im Jahr 2021 bereits 20,2 Milliarden Euro.
Innerhalb des Moduls MCS40 wird die Funktionsweise und Programmierung derartiger Mikrocontroller im Rahmen der Arduino Plattform thematisiert. Hierfür fand an zwei Labortagen eine Einführung in die Umgebung in Hinsicht auf Hardware und Entwicklungsumgebung durch Prof. Dr.-Ing. R. unter Einbeziehung mehrerer kleinerer Praxisbeispiele statt. Im Anschluss daran erfolgte die eigenständige Bearbeitung eines ausgewählten Themas. Für die praktische Umsetzung der Aufgabenstellung ist ein Funduino Uno zum Einsatz gekommen, welcher den gleichen Aufbau und dieselben Funktionalitäten wie ein Arduino Uno bereitstellt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Begründung der Problemstellung
1.2 Aufbau und Zielsetzung der Arbeit
2 Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
2.1 Arduino-Umgebung
2.2 Arduino IDE
2.3 Schieberegister
3 Umsetzung des Lauflichts
3.1 Erstellung der Schaltung
3.1.1 Betrachtung der Ausgangssituation
3.1.2 Schaltungsaufbau
3.2 Programmierung des Mikrocontrollers
3.2.1 Betrachtung der Ausgangssituation
3.2.2 Konkretisierung der notwendigen Funktionen
3.2.3 Erstellung des Hauptprogramms
4 Schluss
4.1 Zusammenfassung
4.2 Kritische Würdigung
4.3 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Ziel der Arbeit ist die Entwicklung eines zirkulierenden Lauflichts mit frei wählbarem Muster unter Verwendung eines Arduino Uno Entwicklungsboards und eines Schieberegisters (SN74HC595), um die praktische Anwendung elektronischer Schaltungen und deren Programmierung zu demonstrieren.
- Grundlagen der Arduino-Plattform und Entwicklungsumgebung (IDE)
- Funktionsweise und Ansteuerung von Schieberegistern
- Entwurf und Realisierung eines Schaltungsaufbaus mit dem Fritzing-Tool
- Implementierung von Steuerungs-Sketches in C/C++
Auszug aus dem Buch
3.2.3 Erstellung des Hauptprogramms
Die Erstellung des Sketches erfolgt direkt in der Arduino IDE. Da die Integration von externen Programmteilen anhand des #include-Befehls, aufgrund der standardmäßigen Verfügbarkeit der verwendeten Funktionen innerhalb der IDE, nicht notwendig ist beginnt mit das Hauptprogramm mit der Definition der globalen Variablen (siehe Abbildung 6). Diese sind über den ganzen Umfang des Sketches abrufbar und legen die drei verwendeten Pins zur Ansteuerung des Schieberegisters fest, wobei der InputPin als serieller Dateneingang dient, der BitShift das Einlesen und Herausschreiben von einem Byte an Daten ermöglicht und der OutputPin die Übergabe dieser Daten an das Ausgaberegister übernimmt.
Im Anschluss daran findet die Initialisierung der globalen Variablen durch die Funktion void setup() statt (siehe Abbildung 7). Im Rahmen dieses Projekts bedeutet dies für jeden Pin die Festlegung als Ein- oder Ausgang. Angesichts der elektronischen Anbindung der Pins an die entsprechenden Eingänge des Schieberegister, und unter Berücksichtigung der Anforderungen an diese Eingänge, werden alle Leitungen durch die Funktion pinMode() als Ausgang zum Senden von digitalen Daten konfiguriert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung erläutert die Relevanz der Digitalisierung und Mikrocontroller-Technik sowie die Zielsetzung, ein zirkulierendes Lauflicht mit einem Arduino und Schieberegister zu entwickeln.
2 Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen: Hier werden die Arduino-Plattform, die Arduino IDE und die Funktionsweise von Schieberegistern, speziell des SN74HC595, als theoretische Basis ausführlich dargestellt.
3 Umsetzung des Lauflichts: Dieses Kapitel beschreibt den praktischen Aufbau der Schaltung mit Fritzing sowie die detaillierte Programmierung des Mikrocontrollers inklusive der verwendeten Funktionen und Logik.
4 Schluss: Das Schlusskapitel fasst die Projektergebnisse zusammen, würdigt den Prozess kritisch und gibt einen Ausblick auf mögliche Erweiterungen durch Kaskadierung oder Sensorik.
Schlüsselwörter
Arduino, Lauflicht, Schieberegister, SN74HC595, Mikrocontroller, Programmierung, C++, Arduino IDE, Fritzing, Digitaltechnik, Physical Computing, Bit-Manipulation, Hardware-Schnittstelle, Schaltungsdesign, Embedded Systems
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Es geht um die praktische Umsetzung eines elektronischen Projekts, bei dem ein zirkulierendes Lauflicht mithilfe eines Arduino-Mikrocontrollers und eines Schieberegisters realisiert wird.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind Hardware-Versuchsbau, die Architektur der Arduino-Plattform, digitale Ansteuerung von Schieberegistern und die softwareseitige Logikimplementierung in C++.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die erfolgreiche Entwicklung eines lauffähigen Programms (Sketch), das ein frei wählbares Lichtmuster über ein Schieberegister auf acht LEDs ausgibt.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine angewandte wissenschaftliche Methode verwendet, die auf der theoretischen Recherche von Elektronikgrundlagen basiert und diese mit einem praktischen Versuchsaufbau sowie dessen Dokumentation verknüpft.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die Schaltungskonzeptionierungsphase (inklusive Bauteilauswahl und Verkabelung) sowie die stufenweise Programmierung des Mikrocontrollers.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Arduino, Schieberegister, Lauflicht, C++ Programmierung und digitale Schaltungsentwicklung.
Warum wurde das Schieberegister SN74HC595 gewählt?
Dieses Modell wurde gewählt, um die begrenzte Anzahl an digitalen Pins des Arduino Uno effizient auszugleichen und eine serielle Ansteuerung von acht LEDs zu ermöglichen.
Wie kann das Lauflicht-Muster flexibel gestaltet werden?
Das Muster wird durch Bit-Manipulation im Software-Sketch gesteuert (z.B. mittels Shift-Operatoren oder Arrays), was eine einfache Anpassung der Leuchtsequenz erlaubt.
Welche Optimierungen werden für die Zukunft vorgeschlagen?
Vorgeschlagen wird die Kaskadierung eines zweiten Schieberegisters zur Erweiterung der LED-Anzahl sowie die Einbindung von Sensoren, um beispielsweise auf Distanzmessungen zu reagieren.
- Quote paper
- Fabian Schnabel (Author), 2023, Entwicklung eines IoT-basierten Lauflichts mithilfe eines Schieberegisters und Arduino. Förderung der Digitalisierung und Mikrocontroller-Technologien im Kontext von MCS40, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1416834
