Erik Bartmann - Mit Arduino die elektronische Welt entdecken

Abb. 21:Ein Vielfachmessgerät – Multimeter

Wir haben in diesem Kapitel gesehen, wie die Software für die Entwicklung eines Programms installiert wurde und wie ein sogenannter Sketch dann nach der Eingabe in die Arduino-Entwicklungsumgebung zum Mikrocontroller übertragen wird. Hinter dieser Prozedur steckt jedoch ein bisschen mehr, als man vielleicht auf den ersten Blick vermuten wird. Sehen wir uns die einzelnen Schritte im Detail an.

Abb. 22:Der Weg von der Idee zur Umsetzung

Zu Beginn steht natürlich immer eine Idee, die in deinem Gehirn entstanden und gereift ist. Natürlich kann der Mikrocontroller keine Gedanken lesen, so dass wir uns einiger Hilfsmittel bedienen müssen. In einem Texteditor, der Bestandteil der Arduino-Entwicklungsumgebung ist, werden unsere Gedanken hinsichtlich der auszuführenden Aktionen mithilfe von Befehlen aus einem Sprachvorrat definiert. Dieser Sprachvorrat enthält Elemente der Programmiersprache C++. Diese werden über einen Compiler (AVR-GCC), der eine Übersetzungsinstanz darstellt, in eine für den Mikrocontroller verständliche Sprache, Maschinensprache genannt, überführt. Die Übertragung dieser Maschinensprache wird von einem Programm mit dem Namen Avrdude‌ übernommen. Dieses Kommandozeilen-Tool dient der Übertragung von Code auf den ATmega328-Mikrocontroller, der auf dem Arudino-Board verbaut wurde.

In diesem Kapitel hast du die Softwarewerkzeuge kennengelernt, die du beherrschen musst, um das Arduino-Board programmieren zu können, entweder webbasiert über den Browser oder als Standalone-Anwendung auf deinem Computer zu Hause. Ich habe gezeigt, wie du das Board an den Computer anschließt und wie sofort ein vorinstallierter Sketch eine eingebaute LED zum Blinken bringt. Mit Änderungen am Code kannst du den Blinkrhythmus nach deinen Wünschen ändern. Für den Fall, dass etwas mit dem Verbinden von Computer und Arduino nicht klappen sollte, habe ich einige typische Fehlerquellen aufgeführt.

Im folgenden Kapitel 3geht es wieder sehr in die Tiefe: Du erfährst Grundlegendes über die Programmierung.

Im vorherigen Kapitel 2über die Arduino-Software hast du schon einiges über die Programmierung erfahren. Ich habe dir das erste Programm gezeigt, das im Arduino-Umfeld Sketch genannt wird. Doch was Programmieren wirklich bedeutet, habe ich noch nicht vertiefend dargestellt. Deshalb mache ich dich in diesem Kapitel mit Grundbegriffen der Programmierung vertraut: Algorithmus, Variablen, Konstanten und verschiedene Datentypen. Und als würde das nicht ausreichen, schiebe ich noch Erläuterungen nach über Kontrollstrukturen und Funktionen. Am Ende dieses Kapitels solltest du eine Ahnung davon haben, auf welcher Klaviatur eigentlich gespielt wird, wenn man ein Computerprogramm schreiben möchte.

Dieses Kapitel führt dich in die Programmiersprache C++ ein, allerdings nur in die Basics. C++ ist die Programmiersprache, in der die Arduino-Sketche erstellt werden. Wenn du Lust hast, dich in diese Sprache zu vertiefen oder später mal etwas nachschlagen möchtest, dann habe ich hier drei gute Online-Tutorials für dich:

https://www.c-howto.de/

http://www.c-programmieren.com/C-Lernen.html

https://www.tutorialspoint.com/cprogramming/

Klar ist, dass für die Programmierung eine Maschine benötigt wird, sei es ein PC oder ein Mikrocontroller wie das Arduino-Board. Klar sollte auch sein, dass ein derartiges Gerät keine eigene Intelligenz besitzt. Es ist ohne Befehle durch ein Programm nichts weiter als ein Stück nutzloser Hardware, das höchstens Strom verbraucht. Hardware und Software leben somit in einer Symbiose, denn keiner kann ohne den anderen auskommen. Erst die Programme »sagen« der Hardware, was sie tun soll. Und der Programmierer sagt der Software, was sie der Hardware sagen soll.

Bei der Programmierung haben wir es in der Regel mit zwei Bausteinen zu tun.

Der Sketch soll eigenständig eine bestimmte Aufgabe erledigen. Aus diesem Grund wird ein sogenannter Algorithmus erstellt, der eine Sammlung von Einzelschritten beinhaltet, die für ein erfolgreiches Ergebnis erforderlich sind.

Was ist ein Algorithmus?

Ein Algorithmus ist eine Handlungsvorschrift zur Lösung eines Problems und besteht aus endlich vielen Einzelschritten, die in einer gewissen Reihenfolge abgearbeitet werden.

Ein Algorithmus ist eine Rechenvorschrift, die wie ein Checkliste abgearbeitet wird. Stell dir vor, du möchtest eine kleine Holzkiste bauen, um dein Arduino-Board darin unterzubringen, damit alles etwas schöner und aufgeräumter aussieht und es auch deinen Freunden gefällt. Du kaufst dann ja auch nicht einfach Holz und baust drauf los in der Hoffnung, dass alles nachher auch irgendwie zusammenpasst. Es muss also ein Plan her, der zum Beispiel folgende Punkte beinhaltet:

Was sind die Maße der Kiste?

Welche Farbe soll sie haben?

An welchen Stellen müssen Öffnungen gebohrt werden, damit zum Beispiel Schalter oder Lampen platziert werden können?

Wenn du das Material besorgt hast, folgt die eigentliche Arbeit, die in einer ganz bestimmten Reihenfolge erledigt wird:

Holzplatten fixieren.

Holzplatten auf entsprechende Maße zuschneiden.

Kanten mit Schmirgelpapier bearbeiten.

Einige Holzplatten mit Löchern versehen, damit die Anschlüsse angebracht werden können.

Holzplatten zusammenschrauben.

Kiste lackieren.

Arduino-Board einbauen und mit Schalter bzw. Lampe verkabeln.

Es sind viele Einzelschritte nötig, um das gewünschte Ergebnis zu erreichen. Genauso verhält es sich beim Algorithmus.

Sicherlich hast du die Maße der Kiste sorgfältig auf dem Plan vermerkt, damit du während des Baus immer mal wieder einen Blick darauf werfen kannst. Es soll ja später alles gut zusammenpassen. Diese Maße sind vergleichbar mit den Daten eines Sketches. Der Algorithmus nutzt zur Abarbeitung seiner Einzelschritte temporäre Werte, die ihm für seine Arbeit hilfreich sind. Dazu verwendet er eine Technik, die es ihm ermöglicht, Werte abzuspeichern und später wieder abzurufen. Die Daten werden in sogenannten Variablen oder Konstanten im Speicher abgelegt und sind dort jederzeit verfügbar. Doch dazu später mehr.

Was sind Daten?

Im Allgemeinen werden erfasste Informationen oder gemessene Werte als Daten bezeichnet. Diese können in Textform oder als numerische Werte vorliegen.

Unter Datenverarbeitung versteht man das Anwenden eines Algorithmus , der unter Zuhilfenahme von Daten diese abruft, über unterschiedliche Berechnungen verändert und später wieder ausgibt. Dieses Prinzip wird EVA‌ genannt.