Aufbau des Arduino

Arduino ist eine Plattform, die aus einer Hardware- sowie einer Softwarekomponente besteht. Auf einer kleinen Platine wurden verschiedene Komponenten rund um einen Mikrocontroller untergebracht. Dazu zählen analoge sowie digitale Ein- und Ausgänge, Stromanschluss, Spannungsregler zum Bereitstellen der für den Mikrocontroller und anderen Komponenten benötigten Betriebsspannung, Status-LEDs, USB-Schnittstelle zur Programmierung des Mikrocontrollers und ein Resetknopf. Die Anschlüsse des Arduino sind so ausgeführt, dass sie leicht zu beschalten sind. Im Bild oben sehen Sie einen Arduino Uno. Es handelt sich um ein sehr weit verbreitetes Modell der Plattform Arduino. Die einzelnen Komponenten sowie Anschlüsse sind übersichtlich auf der kleinen Platine verteilt, so dass sich der Baustein sehr einfach in eigenen Projekten einsetzen lässt. Mithilfe im Elektronikhandel erhältlicher Verbindungsleitungen lassen sich sehr schnell eigene Schaltungen aufbauen. Im folgenden Bild sehen Sie den gleichen Baustein mit Beschriftungen der einzelnen Komponenten auf der gedruckten Schaltung, damit Sie sich einen Überblick über die einzelnen Komponenten verschaffen können.

Zu den einzelnen Komponenten auf dem Board:

Der Resetknopf dient zum Zurücksetzen der Schaltung. Er hat die gleiche Funktion wie der Resetknopf an einem Computer.
Der USB-Anschluss links im Bild dient dazu, den Arduino mit einem Computer oder Laptop zu verbinden. Über ihn kann im einfachsten Falle die Stromversorgung der Schaltung erfolgen. Außerdem wird ein auf dem Computer geschriebenes Programm für den Mikrocontroller ATMEGA 328 über den USB-Anschluss in den Speicher des Mikrocontrollers auf der Arduino-Platine übertragen. Die entsprechende Software ist frei im Internet erhältlich. Zum Verbinden der Schaltung mit dem Computer wird nur ein standardmäßiges USB-Kabel benötigt.
Unter den USB-Anschluss befindet sich an Spannungsregler, der dazu dient, die intern benötigten Betriebsspannungen für den Mikrocontroller sowie weitere Komponenten bereitzustellen.
Am Stromanschluss kann eine externe Stromversorgung mit einer Spannung zwischen etwa 7 bis 12 Volt, beispielsweise in Form eines Netzteils, angeschlossen werden. Der Anschluss ist für einen so genannten Hohlstecker mit einem Außendurchmesser von 5,5 und einem Innendurchmesser von 2,1 Millimetern vorgesehen. Die externe Spannungsversorgung wird benötigt, wenn keine USB-Verbindung zum Computer vorhanden ist, damit die Schaltung auch ohne Computer in Betrieb genommen werden kann.
Oben an der Platine befinden sich die Anschlüsse für die digitalen Eingänge und Ausgänge des Arduino. An ihnen können digitale Sensoren oder Aktoren angeschlossen werden. Ob die Anschlüsse als Eingänge oder als Ausgänge geschaltet sind, hängt von der Programmierung des Mikrocontrollers ab. Die Anschlüsse mit einem Tilde-Zeichen (~) sind übrigens auch für eine PWM-Modulation geeignet. Doch dies ist zunächst einmal weniger wichtig.
In der Mitte der Platine befindet sich das Herzstück, der Mikrocontroller ATMEGA 328. Hier laufen sozusagen alle Fäden zusammen. Der Baustein ist vergleichbar mit einem Prozessor in einem Computer, da er alle Schaltaufgaben übernimmt. Der Unterschied zu einer CPU im Computer besteht darin, dass der Mikrocontroller bereits Eingänge und Ausgänge zum Anschluss externer Komponenten bereitstellt. Außerdem besitzt er einen eigenen Speicher, der zum Abspeichern des Programmcodes benötigt wird.
Die beiden Quarze auf der Platine werden zum Bereitstellen der Taktfrequenz für den Mikrocontroller sowie des USB-Bausteins benötigt.
Die ISP-Schnittstelle dient wie der USB-Anschluss dazu, den Mikrocontroller in der Schaltung zu programmieren.
Die Status-LEDs zeigen einige Funktionen der Schaltung an wie etwa die Betriebsbereitschaft oder das Senden sowie Empfangen der Daten von einem an die Schaltung angeschlossenen Computer.
Neben den digitalen Eingängen und Ausgängen besitzt der Arduino auch analoge Anschlüsse. Hier können beispielsweise analoge Sensoren mit Ausgangsspannungen zwischen 0 und 5 Volt angeschlossen werden, um analoge Spannungen direkt zu verarbeiten.
Die separate Buchsenleiste links neben den analogen Anschlüssen dient zum Bereitstellen von verschiedenen Spannungen oder Masseanschlüssen. Hier lassen sich beispielsweise externe Verbraucher mit einer nicht zu hohen Versorgungsspannung anschließen.
Der Baustein mit der Bezeichnung CH 340 wird benötigt für die USB-Schnittstelle. Es handelt sich um einen Signalwandler, der beim Verbinden des Arduino mit dem Computer eine virtuelle serielle Schnittstelle bereitstellt (meist COM13 oder COM14).

In diesem Bild finden Sie die einzelnen Komponenten auf einer kleinen Platine namens Arduino Nano. Es handelt sich hierbei um einen sehr kompakt aufgebauten Baustein, der sich sehr gut dafür geeignet, ihn in Steckboards einzusetzen. Der Arduino Nano besitzt keinen Hohlstecker wie der Arduino Uno. Soll eine externe Spannungsversorgung mit einer höheren Spannung als 5 Volt verwendet werden, lässt sich der Stromeingang direkt unter der ISP-Schnittstelle nutzen. Hier kann eine externe Spannungsquelle mit einer Spannung zwischen etwa 7 und 12 Volt angeschlossen werden (beispielsweise eine kleine 9-Volt-Batterie). Auf dem Arduino Nano geht es natürlich wesentlich enger zu als bei einem Arduino Uno. Einige der Komponenten mussten auf die Unterseite der Schaltung wandern (siehe folgende Abbildung).

Der Schnittstellenbaustein für den USB-Anschluss sowie der Spannungsregler befinden sich bei dieser Schaltung auf der Unterseite der gedruckten Schaltung. Der Arduino Nano lässt sich überall dort sehr gut einsetzen, wo nur wenig Platz zur Verfügung steht. Die beiden Anschlussleisten enthalten im Prinzip alle Anschlüsse, die auch der Arduino Uno besitzt. Hier wurden sie allerdings in zwei Reihen zusammengefasst. Die Bausteine sind sehr preisgünstig erhältlich und arbeiten mit den gleichen Mikrocontroller des Typs ATMEGA 328,, die auch im Arduino Uno verwendet werden.