Willkommen bei deinem neuen Abenteuer als Roboterentwickler! Du bist schon immer von Robotern fasziniert gewesen und willst selber welche bauen? Dann bist du hier genau richtig: Erlebe, wie einfach es ist, eigene Roboter zu schaffen und zu kontrollieren.
Dies ist ein Buch mit viel Praxis: Es gibt viel auszuprobieren und zu basteln. Dich aufs Sofa zu legen und alles durchzulesen, reicht nicht aus und macht viel weniger Spaß. Wann immer Handanlegen gefragt ist, wird dir schrittweise gezeigt, was zu machen ist. Es lohnt sich, auch einfache Aufgaben (die du vielleicht sogar schon kennst) auszuprobieren, um dadurch Erfahrung und Routine zu sammeln.
Beim Selbermachen kann immer irgendetwas schieflaufen und nicht klappen. Vielleicht ist uns auch mal ein Fehler bei der Beschreibung unterlaufen oder die Anleitung war nicht verständlich genug. Das ist schade, manchmal ärgerlich, aber eigentlich sogar gut. Wenn etwas nicht auf Anhieb so funktioniert wie gewollt, dann kannst du alles hinwerfen und aufgeben oder du suchst den Fehler. Das ist manchmal gar nicht einfach und du wirst Hilfe (zum Beispiel von deinen Eltern oder einem Lehrer) benötigen – frage sie! Hast du den Fehler gefunden, wirst du feststellen, dass du stolz auf dich sein wirst, und vor allem hast du viel neue Erfahrung gesammelt. Der Fehler wird dir hoffentlich nie wieder unterlaufen oder du wirst ihn schnell beheben.
Was dich in diesem Buch erwartet
Zuerst einmal soll dich hier vor allem Spaß erwarten und deine Entdeckerfreude gestillt werden. Der Bau von Robotern teilt sich in zwei Aufgabengebiete:
Jeder Roboter besteht aus verschiedenen elektronischen und mechanischen Bauteilen, die seine Fähigkeiten ausmachen, aber auch seine Beschränkungen.
Was du für deine Roboter benötigst
Im Anhang A findest du eine umfangreiche Bauteil- und Materialliste mit den in diesem Buch benötigten Teilen. Du kannst dir gleich auf einmal alle Bauteile kaufen und dann in Ruhe jedes Modell nachbauen. Oder du schaust dir erst einmal die Bauvorschläge an und besorgst dir dann nur das notwendige Material für einzelne Projekte.
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Das Herz aller Roboter wird ein Arduino Uno sein, der diese mit verschiedenen Programmen so steuert, wie du es willst. Ab [hier] erfährst du, was ein Arduino ist, falls du noch gar keine Vorstellung hast
Das wirst du alles selber bauen
Der aufwendigste Roboter wird ein Fahrzeug sein, das mit vier Rädern angetrieben wird und verschiedene Aufgaben bewerkstelligen kann, wie sie auch die großen Brüder aus der Industrie lösen. Dazu gehören verschiedene Fahrmanöver, das Erkennen von Hindernissen, Verfolgen von Linien und auch die selbstständige Wegfindung.
Oft wirst du Angebote finden, bei denen ähnliche Roboterfahrzeuge aufgebaut werden, die dann mit einem Empfänger ausgestattet werden, damit du ihn mit einem Smartphone oder einer kleinen Fernbedienung steuern kannst. Das sind dann allerdings keine Roboter, sondern einfach nur ferngesteuerte Modellautos.
Wir bauen aber auch kleinere Roboter, die selbstständig und unabhängig vom Fahrzeug sind. Los geht es gleich im nächsten Kapitel mit einem witzigen kleinen Bürsten-Roboter. Für dich mag es leicht sein, auf zwei Beinen zu laufen, aber für Roboter ist es extrem schwer – also testen wir zwei verschiedene Lösungen und probieren aus, ob zwei oder sechs Beine besser geeignet sind. Ein echter Industrieroboter-Arm darf natürlich nicht fehlen, damit du Objekte greifen und bewegen kannst – vielleicht eine gute Ergänzung für deine Bauten aus Legosteinen oder Ähnlichem.
Neben der greifbaren Technik ist das zweite Standbein die Programmierung eines Mikrocontrollers, der die Elektronik kontrolliert: Sensoren erfassen die Umgebung und melden dies an eine Art kleinen Computer, der daraufhin Entscheidungen trifft und die Aktoren (beispielsweise Motoren) ansteuert.
Wir bedienen uns der Roboter, um zu verstehen, wie die Elektronik funktioniert und wozu sie genutzt werden kann. Der Mikrocontroller auf einem Arduino Uno wird von dir selbst programmiert. Das Open Roberta Lab bietet dazu eine kostenlose Entwicklungsumgebung für die grafische Programmiersprache NEPO, in der du Befehle in Form farbiger Blöcke zusammenstellst.
Schrittweise wirst du erleben, wie du die einfach zu verstehenden Befehlsblöcke so kombinierst, dass deine Roboter genau das machen, was du willst. Am Ende wirst du dann nicht nur verschiedene Roboter gebaut haben, sondern nebenbei auch viel über Programmierung gelernt haben, ohne dass es langweilig wurde. So bist du gut gerüstet, um eigene Ideen umzusetzen oder Projekte anderer zu verstehen, nachzubauen oder weiterzuentwickeln.
Im letzten Kapitel zeige ich dir, was es darüber hinaus noch zu entdecken gibt: Mit Scratch kannst du ähnlich wie mit NEPO programmieren und deine eigenen Spiele entwickeln – und das, ohne viel Neues lernen zu müssen. Eine andere Webseite bietet dir die Möglichkeit, elektronische Schaltungen in einer virtuellen Umgebung aufzubauen und zu simulieren. Willst du noch einen Schritt weitergehen, dann kannst du dort sogar einen Arduino in C/C++ programmieren und ausprobieren – ganz ohne selber einen besitzen zu müssen. Auch andere Roboter lassen sich auf den entsprechenden Webseiten in einer simulierten Welt ausprobieren und programmieren. Solange du beispielsweise auf die bestellten Teile für deine eigenen Roboter wartest, kannst du dir da prima die Zeit vertreiben.
Ein Blick in den Anhang A lohnt sich ebenfalls, denn dort zeige ich dir verschiedene Arbeitstechniken, wie du Verbindungen mit Kabeln herstellen kannst und wie mit einer Crimpzange Kontakte für die im Buch verwendeten Jumper-Kabel gefertigt werden können.
Kleine wuselige Käfer aus Zahn-, Hand- oder Spülbürsten lassen sich mit wenigen Handgriffen bauen und sorgen immer wieder für Begeisterung. Du benötigst nur einen kleinen Vibrationsmotor, einen Batteriehalter und eine (ausgediente) Bürste. Eine große Auswahl an Vibrationsmotoren gibt es in Internetauktionshäusern – es spielt keine Rolle, was für einen du nimmst. Du musst nur einen ungefähr zur Betriebsspannung passenden Batteriehalter und Batterien dazu wählen.
Setzt du deinen Bürsten-Bot auf den Boden, wird er sich durch die Vibration bewegen und umherwandern – Haustiere werden ihn ebenso lieben.
Was ist überhaupt ein Roboter?
Du hast jetzt schon einen Roboter bauen können und es wird Zeit, sich zu fragen, was überhaupt ein Roboter ist. Wenn wir es nämlich genau nehmen, dann war das bisher gar kein Roboter – Spaß macht er aber dennoch.
Ein Roboter ist eine technische Apparatur, die üblicherweise dazu dient, dem Menschen häufig wiederkehrende mechanische Arbeit abzunehmen.
Vor sich hinzuwackeln oder immer im Kreis einer Linie zu folgen, ist eigentlich keine Arbeit, die ein Mensch verrichtet und die ihm eine Apparatur abnehmen muss. Spielzeugroboter besitzen einen gewissen automatisierten Bewegungsablauf: Sie wiederholen eine Handlung ständig oder können sogar auf bestimmte Ereignisse reagieren, aber ohne dass ihr Funktionsumfang einen arbeits- oder forschungstechnischen Nutzen hat.
Als Bionik bezeichnet man die Übertragung von Phänomenen der Natur auf die Technik. Dabei schaut man, wie die Natur ein Problem gelöst hat, und baut das Prinzip für vom Menschen hergestellte Produkte nach. Woher Klettverschlüsse stammen, wirst du dir sicher denken können, wenn du schon mal durch eine Wiese gekrabbelt bist. Durch den Lotuseffekt perlt Schmutz an einer Oberfläche ab: Toilettenschüssel und Hauswände bleiben sauber dank der speziellen Oberfläche, die man sich von der Lotuspflanze abgeschaut hat. Die Gelenke in Roboterarmen sind nichts anderes als Kopien der Gelenke an deinem Arm. Robotik und Bionik haben viele Berührungspunkte.
Wir sehen das hier nicht so eng und bezeichnen einfach alles als Roboter, was sich bewegt und ein Bewegungsmuster wiederholt ausführen kann. Bestimmt hast du schon viele verschiedene Roboter gesehen, die dich fasziniert haben – hier ein kleiner Überblick:
Industrieroboter fallen oft auf, weil sie groß sind und meistens nur aus einem Arm bestehen, der immer wieder die gleiche Aufgabe wiederholt, wie beispielsweise ein Werkstück bewegen, schweißen, lackieren oder fräsen. Sie sind an einem Ort fest aufgebaut und können sich nicht fortbewegen. Ihr Vorteil ist, dass sie die immer gleichen Abläufe fehlerfrei und schnell wiederholen können, ohne eine Pause machen zu müssen. Sie haben viele Jobs, die früher von Menschen ausgeführt wurden, übernommen.
Damit der Industrieroboter weiß, wie er sich bewegen muss, kann ein Programmierer die Abläufe mit Befehlen vorgeben oder sie dem Roboter zeigen: Beim Playback-Verfahren entspannt der Roboter gewissermaßen seine Muskeln (Motoren) und kann von Hand bewegt werden. Ein erfahrener Arbeiter bewegt den Roboter dann genau so, wie er sich später automatisch bewegen soll. Diese Bewegungen speichert der Roboter ab und kann sie später wiederholen.
Das Teach-In-Verfahren ist ähnlich: Hier wird der Roboter mit einer Steuerkonsole (oder auch einem Datenhandschuh) an eine Position gefahren und der Punkt wird gespeichert. Anschließend wird dem Roboter der nächste Punkt gezeigt und so weiter. Später berechnet der Roboter dann selber, wie er sich von einem Punkt zum nächsten bewegen kann.
Die gut 100 Jahre alte Idee, wie in der Zukunft Roboter den Boden putzen, mag etwas komisch aussehen – völlig falsch ist sie nicht. Serviceroboter übernehmen immer mehr Aufgaben: Anfangs dachten viele Entwickler, der Gipfel des nützlichen Roboterdaseins sei, Cocktails auf Partys zu servieren und den Geschirrspüler (übrigens im Grunde auch schon ein Roboter) auszuräumen. Inzwischen hat man eingesehen, dass das nicht sinnvoll ist, und beschränkt sich auf einfache Aufgaben wie Staubsaugen oder Rasenmähen. Die kleinen Roboter wimmeln inzwischen durch viele Wohnungen und Gärten und suchen sich selbstständig ihren Weg – wie das genau funktioniert, erfährst du später, wenn wir selber einen solchen Roboter bauen.
Ein besonderer Reiz geht von humanoiden Robotern aus, die der menschlichen Gestalt nachempfunden sind und einen Kopf und Hände, vielleicht sogar Beine haben. Durch die menschliche Form soll der Blechkamerad freundlicher wirken und Ängste vor ihm abgebaut werden. Automaten, die wie Menschen aussehen, sind schon vor vielen Hundert Jahren gebaut worden, als es noch gar keine Elektronik gab. Oft steuerte aber ein Mensch die Apparatur – entweder direkt durch seine Hände oder über eine kabelgebundene Fernbedienung. Eine besondere Herausforderung für Entwickler ist es, einen Roboter auf zwei Beinen laufen zu lassen. Bis heute kann das kein Roboter so gut wie ein Mensch.
Ein recht neues Betätigungsfeld für Roboter sind Aufklärungs- und Rettungsmissionen (SAR: Search and Rescue, englisch: suchen und retten). Bei Katastrophen oder in bedrohlichen Situationen kann es für Menschen zu gefährlich sein – dann ist es gut, wenn ein Roboter die Aufgabe übernehmen kann, dessen Beschädigung oder Verlust vielleicht teuer ist, aber so wird kein Menschenleben riskiert. Das Militär hat an diesen Robotern ebenfalls ein riesiges Interesse, da man so bequem »von zu Hause aus« weit entfernte Kriege führen kann. Drohnen (selbstfliegende Fluggeräte) dienen beispielsweise der Aufklärung: Sie starten automatisch, fliegen ohne Steuerung eines Menschen über einem Gebiet und landen dann wieder. Viele Rettungsroboter sind allerdings im Grunde nur aufgemotzte ferngesteuerte Fahrzeuge und arbeiten nicht selbstständig. Sobald ein Erkundungsroboter auf einem anderen Himmelskörper unterwegs ist, spricht man von einem Rover.
Bei Robotern denken wir fast immer sofort an größere Maschinen – es gibt aber auch Forscher, die sich um die extreme Verkleinerung von Robotern bemühen und Roboter in molekularer Größe (so klein wie eine Blutzelle, die du nur mit einem sehr guten Mikroskop sehen kannst) erschaffen. Diese winzig kleinen Nanobots sollen dann im Körper Krankheiten bekämpfen. Bisher gibt es noch keine so kleinen Roboter, die wirklich Aufgaben übernehmen können. Aber das wird sicher nicht mehr lange dauern und auf der Webseite https://drive.google.com/file/d/1TLFyIeGzs66nlR9tfSM5iMn1MfWS3WHP/ (t1p.de/k1c1) kannst du ein Video von einem einfachen krabbelnden Roboter sehen, der nicht größer ist, als ein Haar dick ist, und durch Sonnenlicht über eine winzige Solarzelle angetrieben wird.
Robotergesetze
Isaac Asimov war einer der bekanntesten russisch-amerikanischen Science-Fiction-Schriftsteller im 20. Jahrhundert und auch wenn dir der Name vielleicht nichts sagt, hast du bestimmt schon einen Film gesehen, der Ideen aus einem seiner Bücher aufgreift. In vielen Filmen werden vor allem immer wieder die drei Asimov'schen Robotergesetze genannt:
Ein Roboter darf kein menschliches Wesen verletzen oder durch Untätigkeit zulassen, dass einem menschlichen Wesen Schaden zugefügt wird.
Ein Roboter muss den ihm von einem Menschen gegebenen Befehlen gehorchen – es sei denn, ein solcher Befehl würde mit Regel eins kollidieren.
Ein Roboter muss seine Existenz beschützen, solange dieser Schutz nicht mit Regel eins oder zwei kollidiert.
Diese Gesetze gelten nicht wirklich für Roboter (Kampfroboter sind beispielsweise nur dazu gebaut worden, um Menschen zu schaden), sie enthalten sogar Schlupflöcher und wurden im Rahmen der Pop-Kultur bereits erweitert, zeigen aber, wie sich ein Roboter verhalten sollte. Letztendlich ist immer der Programmierer und Erbauer (also auch du) dafür verantwortlich, wie ein Roboter handelt.
Roboter im Film
Am häufigsten werden dir wohl bisher Roboter in Filmen begegnet sein. Mal sehen, was wir von diesen lernen können und inwieweit sie uns für eigene Entwürfe inspirieren oder unser Bild von Robotern geprägt haben.
Die erste Ernüchterung ist, dass es sich dabei meistens um Tricktechnik handelt: Die Roboter können sich oft gar nicht wirklich bewegen, nichts selbstständig erledigen oder gar denken und reden.
Oft werden die Asimov'schen Robotergesetze thematisiert, weil sich Roboter gegen Menschen wenden, obwohl sie es gar nicht dürften, oder sie Hilfeleistungen unterlassen und so gegen ihre inneren Protokolle verstoßen. Deine Eltern erinnern sich sicher noch an den ersten »Terminator«-Film, in dem der T-800 aus der Zukunft zurückgeschickt wird und sehr brutal gegenüber Menschen vorgeht.
Die meisten Roboter im Film oder in Science-Fiction-Romanen besitzen eine künstliche Intelligenz (KI, englisch: artificial intelligence, AI). Die Programmierer versuchen dabei, Entscheidungsstrukturen des Menschen nachzubilden, sodass sich der Roboter menschlich verhält. Dafür sind enorm viel Rechenleistung und eine große Datenbank mit Beispielen notwendig, aus der das Computerprogramm lernen kann. Du nutzt vermutlich bereits Computersysteme, die eine sehr schwache künstliche Intelligenz besitzen und dir vorgaukeln, du redest mit einem Menschen: Siri, Amazon Echo oder Google Now sind Sprachassistenten, die sich bemühen, deine Sprache zu verstehen und eine Antwort zu kennen. Um zu testen, ob eine Maschine eine dem Menschen gleichwertige Intelligenz simuliert, gibt es den Turing-Test, den bisher keine Maschine bestanden hat. Du bist also intelligenter als jeder Computer dieser Welt!
Ein einfacher Trick, um Roboter zum »Leben« zu erwecken, ist es, einen Menschen in ein Roboter-Kostüm zu stecken. R2-D2 und C-3PO aus »Star Wars« kennst du bestimmt – sie sind bekannte Beispiele für Roboter, in denen Schauspieler als sogenannte Puppenspieler steckten. Und auch im 2019er Horror-Film »I Am Mother« steckt ein Mensch im Roboter-Anzug.
Wenn kein Platz im Roboter für einen (kleinen) Menschen ist, dann wird oft zu ferngesteuerten Modellen gegriffen, die mit Seilzügen oder wie ein funkgesteuertes Modellauto bewegt werden. Sehr oft gibt es auch nur einen bestimmten Körperteil, der wirklich bewegt werden kann – beispielsweise der Kopf oder eine Hand, der dann in Nahaufnahme gezeigt wird, sodass man im Film gar nicht sehen kann, dass der restliche Körper fehlt.
Heute nutzt man computeranimierte Figuren: Der quirlige Roboter BB-8 (ebenfalls aus »Star Wars«) ist in fast allen Szenen eine Animation, die nachträglich neben die Schauspieler in den Film eingefügt wird, auch wenn das Bewegungsprinzip mit der sich endlos drehenden Kugel als Körper und dem sich stets oben befindenden Kopf technisch umsetzbar ist. In reinen Trickfilmen ist es natürlich noch viel leichter, fantasievolle Roboter zu zeigen, wie beispielsweise WALL·E und Eve oder Bender (»Futurama«).
Bis auf wenige Ausnahmen sehen Roboter in Filmen immer faszinierend aus (oder wie Topmodels) und beherrschen die tollsten Techniken. Wie die »Transformers« können sich die Roboter verändern, werden größer oder kleiner und bewegen sich flüssig durch ihre Umwelt. Sie erkennen alles um sich herum, reagieren auf Sprache und reparieren sich notfalls sogar selbst.
In der Realität ist nichts davon möglich. Die meisten Roboter sehen klobig aus, sind strohdumm und können nur das wenige, das ihnen von jemandem vorher mühsam eingetrichtert wurde. Behalte das im Hinterkopf, wenn du deinen eigenen Roboter baust: Auch wenn er nicht elegant ist oder die Welt beherrschen kann, so ist es ein ganz besonderer Roboter – deiner! Und je mehr Zeit du in seine Weiterentwicklung steckst, desto besser wird er. Oder du baust einen weiteren, bei dem du das zuvor Ausprobierte nutzt und verbesserst.
Noch mehr Input
Während du deine Roboter baust oder auch wenn du am Ende des Buchs angelangt bist, juckt es dich vielleicht in den Fingern und du willst mehr wissen oder dich mit anderen Gleichgesinnten treffen. Im Internet findest du sehr viele Anlaufstellen. Wenn du eine Frage hast oder ein Praxisbeispiel brauchst, sind Suchmaschinen natürlich die erste Wahl. Gib deine Frage ein und du wirst sicher viele Antworten finden. Vor allem Videos sind eine gute Ergänzung. Es gibt aber auch ein paar Webseiten mit Diskussionsforen, in denen du Fragen stellen kannst und die Leute sich freuen, wenn sie dir helfen können. Dazu gehören diese Seiten:
https://www.mikrocontroller.net (t1p.de/820g)
Ein Forum für jede Form von Mikrocontroller, aber auch allgemein rund um Elektronik.
https://forum.arduino.cc (t1p.de/tbfl)
Das Forum der Arduino-Entwickler. Viele Themengebiete, in denen Englisch benutzt wird, aber auch ein deutschsprachiger Teil.
https://www.elektronik-kompendium.de (t1p.de/xqw5)
Einführung, Fachartikel und ein Forum zum Thema Elektronik.
Eine wirklich beeindruckende Möglichkeit, gleichgesinnte Bastler und Entwickler zu treffen, sind die weltweit stattfindenden Treffen. Zu den bekanntesten gehören die Maker-Faires (https://maker-faire.de, t1p.de/npur) oder die Veranstaltungen, die »make« gefolgt von einem Stadtnamen (meistens in Englisch) heißen – beispielsweise »make munich« in München. Auch du kannst dort deine Projekte dem interessierten Publikum vorführen, um Gleichgesinnte zu treffen oder neue Ideen zu erhalten – meistens bekommst du sogar kostenlos einen Ausstellerplatz.
In vielen Städten gibt es mittlerweile sogenannte Makerspaces, FabLabs, Hackerspaces oder offene Werkstätten, in denen sich Menschen jeden Alters mit den unterschiedlichsten Interessen treffen und austauschen. Dort findest du nicht nur Hilfe bei deinem Projekt, sondern du kannst bei anderen mithelfen oder die dort vorhandenen Geräte wie 3D-Drucker oder Lasercutter nutzen.
Jetzt geht es richtig mit dem Arduino los: Du nimmst den Arduino in Betrieb und wirst deine ersten Programme erstellen. Dabei kannst du natürlich erfahren, was es eigentlich überhaupt mit diesem Arduino-Ding auf sich hat und wie du mit einem Programm immer neue Funktionen für den Mikrocontroller erzeugst. Was ein Mikrocontroller ist? Auch das klären wir natürlich und schauen, welche anderen Geräte es gibt, von denen du vielleicht auch schon mal etwas gehört hast.
Wir lassen eine LED leuchten
In der Einkaufsliste (Anhang A) gibt es verschiedenfarbige LEDs, die wir nun brauchen, um mit ihnen die ersten Schritte zusammen mit dir und dem Arduino zu gehen. LED ist die Abkürzung für Leuchtdiode und sie sind so etwas Ähnliches wie ein kleines Lämpchen. Wird die LED an eine Stromquelle angeschlossen, leuchtet sie in einer Farbe auf, die bei der Herstellung festgelegt wird. Die ersten LEDs gab es in den Farben Rot, Grün und Gelb/Orange. Inzwischen sind auch andere Farben wie Weiß und Blau hinzugekommen. Es gibt sogar LEDs, die in fast allen denkbaren Farben leuchten können.
Bei den mehrfarbigen LEDs handelt es sich um einen Trick. Im Inneren befinden sich im Grunde drei winzige LEDs: eine rote, eine grüne und eine blaue, weshalb diese LEDs auch RGB-LEDs genannt werden. Je nachdem, welche der Farben wie hell leuchtet, entsteht eine Mischfarbe.
Als Erstes wollen wir die LEDs ausprobieren und einfach nur leuchten lassen. Die LEDs aus der Einkaufsliste besitzen ein klares Gehäuse (es gibt auch eingefärbte Gehäuse), sodass du nicht erkennen kannst, in welcher Farbe sie leuchten werden. Vielleicht sind die Tütchen, in denen die LEDs geliefert wurden, beschriftet und du kannst so die Farben zuordnen. Sind die Angaben in englischer Sprache, steht dort vielleicht red (rot), green (grün), blue (blau), white (weiß) oder yellow (gelb) beziehungsweise der jeweilige Anfangsbuchstabe. Wenn du kein Glück hast, musst du die Farben ausprobieren, und genau dabei hilft dir unser erster Aufbau.
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LEDs dürfen niemals direkt an eine Spannungsquelle wie beispielsweise eine Batterie oder den Arduino angeschlossen werden. Sie würden dabei sehr schnell oder sogar sofort kaputtgehen und nicht mehr leuchten. Um das zu vermeiden, wird ein sogenannter Vorwiderstand benötigt, der je nach Spannung unterschiedlich sein muss. Für die Versuche benutzen wir spezielle Leuchtdioden, die direkt an eine bestimmte Spannung angeschlossen werden können – in dem Fall an 5 V. Dazu sind sie mit einem Widerstand an einem der Anschlussbeinchen versehen, der vermutlich mit etwas Schrumpfschlauch überzogen ist. Ob der Widerstand an dem schwarzen oder roten Kabel angeschlossen ist, ist egal.
Probieren wir aus, wie wir LEDs leuchten lassen können:
Die in der Einkaufsliste empfohlenen LEDs besitzen bereits Anschlusskabel. Damit diese gut in die Buchsenleisten auf dem Arduino passen, ist es ratsam, die Enden mit Jumperstiften zu versehen. In Anhang A findest du eine Anleitung, wie du das machen kannst.
Stecke das schwarze Kabelende in die Buchse, die auf dem Arduino mit GND beschriftet ist (es gibt mehrere; welchen du benutzt, ist egal). Je nachdem, was für ein Arduino-Board du besitzt, kann es sein, dass die Beschriftung fehlt oder nicht an den Buchsenleisten, sondern nur auf der Platine angebracht wurde.
Das rote Kabel steckst du daneben in die Buchse mit der Angabe 5V.
Stecke das USB-Kabel mit dem Stecker vom Typ B (das sind die älteren, ziemlich dicken, quadratischen Stecker) in den Arduino und das andere Ende (USB Typ A: länglich) entweder in einen USB-Port eines eingeschalteten Computers oder in ein USB-Handyladegerät, das du in eine Steckdose stecken kannst. Wenn du dir nicht sicher bist, schaue schon mal in Abschnitt Was ist wo beim Arduino Uno?: Dort findest du weitere Infos zu den Anschlüssen und wie du den Arduino in Betrieb nimmst.
Auf dem Arduino leuchtet eine kleine grüne LED neben dem Wort ON (englisch für »eingeschaltet«), die dir anzeigt, dass der Arduino korrekt mit Spannung versorgt ist. Zudem blinkt vermutlich eine gelbe LED, die mit L beschriftet ist.
Außerdem soll natürlich deine eingesteckte eigene LED leuchten.
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Wenn die grüne LED auf dem Arduino nicht leuchtet, prüfe, ob der PC eingeschaltet ist und das USB-Kabel fest eingesteckt ist. Wenn du den Arduino mit einem Computer verbindest, wird dir dort eventuell angezeigt, dass ein neues Gerät angeschlossen wurde. Du hörst eventuell auch einen Ton. Das kannst du ignorieren, und sollte sich ein Fenster öffnen, das dich auffordert, einen Treiber zu installieren, klicke dort auf Abbrechen.
Wenn deine eigene LED nicht leuchtet, hast du vielleicht die beiden Kabelfarben der LED vertauscht (siehe dazu auch, was im nächsten Kasten steht). Es kann auch sein, dass dir beim Ancrimpen der Stifte ein Fehler unterlaufen ist und deshalb kein Kontakt zwischen Kabel und Stift besteht. Dann kannst du es auch erst einmal ohne Crimpstift probieren und ein blankes, abisoliertes Ende der Drähte in die Buchsen auf dem Arduino stecken.
Beim Anschließen von LEDs musst du auf die Polung achten. Das bedeutet, dass es nicht egal ist, welches Beinchen du an den Pluspol (hier: 5 V) und den Minuspol (wird auch als GND bezeichnet) einer Batterie oder anderen Spannungsquelle anschließt. Unsere speziellen LEDs mit dem eingebauten Vorwiderstand sind höchstwahrscheinlich mit zwei farbigen Kabeln versehen. Üblicherweise wird Rot als Farbe für Plus und Schwarz oder Braun für Minus benutzt. Vielleicht sind die Kabel bei dir aber nicht bunt oder vertauscht. Dann schaue dir die LED ganz genau an und du kannst erkennen, welcher Anschluss wozu gehören muss:
Am unteren Rand weist die LED einen Kragen oder Rand auf, der an einer Seite abgeflacht ist (der Pfeil im Bild zeigt darauf). Wenn du genau ins Innere schaust, siehst du auch, dass sich auf dieser Seite ein Kelch befindet, der größer ist als der andere Teil. Hättest du eine LED ohne Anschlusskabel, würdest du sehen, dass das Drahtbein an der abgeflachten Seite kürzer ist als das andere Beinchen. Bei der abgeflachten Seite handelt es sich um die sogenannte Kathode – ein technischer Ausdruck für den Minuspol. Der andere Anschluss nennt sich Anode und kommt an den Pluspol.
Wieso leuchtet deine LED?
Der Arduino bietet einen Pin, an denen immer eine Spannung von 5 V anliegt, sobald du ihn von deinem Computer oder über ein Netzteil versorgst. Zusätzlich gibt es gleich daneben auch noch einen für 3,3 V, der mit 3.3V beschriftet ist. Bei diesen beiden Pins handelt es sich gewissermaßen um die Pluspole zweier Spannungsquellen, die du dir wie eine Batterie vorstellen kannst.
Fragst du dich, warum da 3.3 mit einem Punkt zwischen den Zahlen steht und nicht 3,3 mit einem Komma? Das liegt daran, dass die Bewohner in den USA (und auch in einigen anderen Ländern, wie beispielsweise England) als Trennzeichen für Dezimalzahlen den Punkt und nicht wie wir ein Komma benutzen. Angesichts dessen, dass der Arduino in Italien entwickelt wurde, eigentlich etwas merkwürdig.
Manchmal wird sogar das Dezimaltrennzeichen ganz weggelassen und stattdessen der Buchstabe für die Maßeinheit benutzt. Es könnte dort also auch 3V3 stehen (V ist das Einheitszeichen für die Spannung).
Wie bei einer Batterie brauchst du auch noch einen Minuspol, um eine Taschenlampenglühlampe, eine LED, einen Motor oder etwas Ähnliches betreiben zu können. Der Strom muss vom Pluspol durch dein Bauteil zum Minuspol fließen. Elektroniker nennen den Minuspol meistens ground, was aus dem Englischen kommt und Masse bedeutet. Abgekürzt wird dies mit GND und auf dem Arduino Uno gibt es gleich mehrere solcher Pins, die alle miteinander verbunden sind, sodass es egal ist, welchen du benutzt.
Du musst immer genau darauf achten, ob du ein Bauteil an 3,3 V oder an 5 V anschließt, weil es ansonsten beschädigt werden kann oder einfach nicht funktioniert. Du darfst auch nicht beliebige »Verbraucher« an die Spannungsversorgung des Arduinos anschließen, da sonst der ganze Arduino zerstört werden kann.
Auch wenn es nicht so aussehen mag und eine die ganze Zeit leuchtende LED nicht wirklich spannend ist, so hast du mit der kleinen Übung schon viel Erfahrung gesammelt.
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