Das Sensor-Buch: Mit Elektronik, Arduino und Raspberry Pi die Welt erfassen

Von Kimmo Karvinen und Tero Karvinen

Sensoren sind überall. Die Welt ist voll von ihnen: Infrarotsensoren in Bewegungsmeldern, CO2-Detektoren für das Haus - und in Ihrem Smartphone finden sich winzige Beschleunigungsmesser, GPS-Module und Kameras. Dank der großen Verbreitung von Mobilgeräten sind Sensoren erstaunlich erschwinglich geworden. Sie können günstige Sensoren und Mikrocontroller-Boards kombinieren, um eigene Devices zu bauen. Dieses umfangreiche und in Farbe illustrierte Buch zeigt Ihnen in einer Reihe von Projekten, wie Sie Sensoren anschließen und auslesen. Sie erfahren, wie Sie die populären Arduino- und Raspberry Pi-Boards einsetzen, um Daten in einfachen, selbst geschriebenen Programmen zu verarbeiten.
Mit diesem Buch schreiben Sie Programme und bauen Geräte für das Messen von: Rotation mit einem Potentiometer, Abstand mit Ultraschall, Annäherung per Infrarot, Helligkeit mit einem Fotowiderstand, Temperatur mit einem Thermometer, Kraft mit einem Drucksensor. Sie werden mit Widerstandssensoren arbeiten, aber auch mit Schaltern, Messwandlern, Potentiometern, Summern, 555-Timern und Spannungsteilern. Es gibt so viele Sinneswahrnehmungen da draußen, die Sie erfassen und verarbeiten können. Wie fangen Sie diese ein?

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: O'Reilly Media
• Erscheinungsdatum: 11. Dez. 2014
• ISBN: 9783955619046

Kimmo Karvinen

Kimmo Karvinen works as a CTO in hardware manufacturer that specializes in integrated AV and security systems. Before that he worked as a marketing communications project leader and as a creative director and partner in advertisement agency. Kimmo's education includes a Masters of Art.

Buchvorschau

Das Sensor-Buch

Tero Karvinen

Kimmo Deutsche Bearbeitung von Thomas Demmig Karvinen

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Welche Sensoren sollten Sie kaufen?

Konventionen in diesem Buch

Code-Download

Website zum Buch

Danksagung

1. Sensoren

Projekt 1: Licht mit einem Fotowiderstand messen

Teile

Zusammenbau

Diskussion: Fotowiderstände

Interaktive Sensor‐Steuerung

Nächste Schritte

2. Einfache Sensoren

Projekt 2: Ein einfacher Schalter

Teile

Zusammenbau

Fehlerbehebung

Eine LED benötigt einen Widerstand

Projekt 3: Die Lautstärke eines Summers steuern

Teile

Zusammenbau

Fehlerbehebung

Projekt 4: Hall-Effekt

Teile

Zusammenbau

Fehlerbehebung

Projekt 5: Glühwürmchen

Integrierte Schaltkreise

555 Timer IC

Eine LED leuchten lassen, wenn es hell ist

Vom Licht zur Dunkelheit

Teile

Zusammenbau

Transistoren

Emitterschaltung

Eine LED dimmen

555  – Sanftes Blinken

Teile

Zusammenbau

Kondensatoren

Glühwürmchen

Teile

Zusammenbau

Fehlerbehebung

Was kommt als Nächstes?

3. Sensoren und Arduino

Projekt 6: Drucktaster und Pull-Up-Widerstände

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Pull-Up-Widerstände und der Arduino

Projekt 7: Infrarot‐Messung zum Erkennen von Objekten

Teile

Zusammenbau

Projekt 8: Rotation (Potentiometer)

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 9: Licht mit einem Fotowiderstand messen

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 10: Druck mit dem FlexiForce messen

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 11: Die Temperatur messen (LM35)

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 12: Abstandsmessung per Ultraschall (HC-SR04)

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Zusammenfassung

4. Sensoren mit dem Raspberry Pi

Projekt 13: Taster

Teile

Zusammenbau

Den Tasten‐Code ausführen

Fehlerbehebung

Hallo Python-Welt

Projekt 14: Eine LED mit Python blinken lassen

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 15: Anpassbarer Infrarotsensor

Teile

Das IR-Sensor‐Projekt zusammenbauen

Den Code ausführen

Spannungsteiler

Analoge Widerstandssensoren

Projekt 16: Mit einem Potentiometer eine Drehung messen

Teile

Zusammenbau

SpiDev installieren

SPI‐Zugriff ohne Root-Rechte

Den Code ausführen

Wiederholtes Lesen

Warum hat ein Potentiometer drei Anschlüsse?

Projekt 17: Fotowiderstand

Teile

Zusammenbau

Den Code laufen lassen

Spielen mit den Ergebnissen

Projekt 18: FlexiForce

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 19: Temperaturmessung (LM35)

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Projekt 20: Ultraschall‐Abstandsmessung

Teile

Zusammenbau

Den Code ausführen

Echtzeit oder schnell?

A. Tipps für die Fehlersuche

B. Einrichten der Arduino-IDE

Ubuntu Linux

Windows 7 und 8

OS X

Hallo Welt

C. Den Raspberry Pi einrichten

Teile

Einrichten

Die SD-Karte vorbereiten

Kabel anschließen und den Installer booten

Raspbian installieren

Konfiguration mit raspi‐config

Zum Desktop booten

Den Raspberry Pi verwenden

Programmierung mit Python

Mächtiges Root

Willkommen an der Befehlszeile

Übernehmen Sie eine Onboard-LED

Hallo GPIO: Eine externe LED anschließen

Teile

Die Schaltung aufbauen

Befehle zum Ansteuern des GPIO

Fehlerbehebung

GPIO ohne Root-Rechte einsetzen

D. Materialliste

Kapitel 1

Kapitel 2

Kapitel 3

Kapitel 4

Index

Colophon

Vorwort

Die Welt um Sie herum besteht aus vielen Dingen. Von den meisten davon bekommen Sie dank eines oder mehrerer Ihrer fünf Sinne etwas mit. Die Sinneswahrnehmung vollzieht sich so schnell und häufig, dass man leicht übersieht, was für ein beeindruckendes System der Mensch eigentlich ist.

Nehmen Sie sich einen Moment Zeit und überlegen Sie, wie viele sensorische Ereignisse Sie schon erlebt haben, seit Sie heute aufgewacht sind. Vermutlich werden Sie gar nicht alle Ereignisse aufzählen können. Sie erfahren Ihre Umgebung nicht nur kontinuierlich mit Ihren Sinnen – die Sinne arbeiten auch noch zusammen, um Ihnen ein Bild der Welt um Sie herum zu vermitteln. So sind die Wahrnehmungen, dass Leute vorbeigehen, die Sonne Ihr Gesicht wärmt oder Sie einen Windhauch am Morgen als kühler empfinden denn am Nachmittag, gute Beispiele für die Arbeit Ihrer Sinne und die Verarbeitung in Ihrem Gehirn. Aber wie kann ein Roboter oder ein Gadget Ähnliches empfinden? Sie wissen vermutlich schon, wie das möglich ist (schließlich haben Sie ein Buch zu dem Thema gekauft): mithilfe von Sensoren.

Durch Sensoren, die Sie in einen Schaltkreis einfügen, erweitern Sie dessen Fähigkeiten genauso, wie Ihre eigenen Sinne Ihr Bewusstsein für die Welt erweitern. Sensoren dienen als Quelle für Informationen zur Umgebung – sie funktionieren ähnlich wie Ihre eigenen Sinne. Aber Sinneseindrücke sind nicht das einzige Thema im Zusammenhang mit Sensoren. Eine Komponente hat nicht notwendigerweise die Fähigkeit, Schlussfolgerungen zu ziehen, wenn ein bestimmtes Ereignis eintrifft. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, draußen sind es -5 °C und Sie wollen spazieren gehen. Was sollten Sie anziehen? Natürlich wissen Sie, dass ein Mantel und Winterkleidung angebracht sind, aber ein Temperatursensor weiß das nicht. Er kann Ihnen natürlich eine Temperaturangabe machen, aber er kann keine Entscheidungen oder Schlussfolgerungen treffen, was Sie tragen sollten – zumindest nicht auf Komponentenebene. Sollen Sensoren etwas ähnlich erfassen wie Ihre Sinne und die Ergebnisse reflektieren, müssen die Messergebnisse noch verarbeitet werden. Aber Sensoren sind ja auch Komponenten, die Sie so mit anderen Elementen verbinden, dass deren Daten immer irgendwie verarbeitet werden – sei es per Hardware oder Software. Und darum geht es in diesem Buch: Wie werden Sensoren angeschlossen und wie verarbeiten Sie ihre Daten?

Im ersten Teil dieses Buches werden Sie erfahren, wie Sie Sensoren mit anderen Komponenten verbinden. Die anschließende Datenverarbeitung ist dabei eher einfach gehalten, denn der Fokus liegt darauf, wie der Sensor ordentlich angeschlossen wird und welche Grundlagen hier wichtig sind. Im zweiten Teil geht es dann darum, wie die Sensordaten verarbeitet werden. Sie erfahren, wie einfach und schnell Programme für den Arduino geschrieben werden, aber auch, wie Sie einen Raspberry Pi verbinden und programmieren, um analoge Sensoren einsetzen zu können.

In diesem Buch stellen wir den Umgang mit einigen der nützlichsten und interessantesten Sensoren vor. Neben den Sensoren und Anwendungen erlernen Sie auch das Erkennen und Reagieren auf:

Klicks und Drehungen eines Potentiometers

Abstandsmessung per Ultraschall

Kollisionserkennung mit einem Infrarotsensor

Licht und Dunkelheit mit einem Fotowiderstand

Temperatur mit einem Thermometer

Welche Sensoren sollten Sie kaufen?

In diesem Buch geht es um eine Reihe von Sensoren und Komponenten (ein paar davon sind in Abbildung **LABEL TBD**.1 zu sehen). Um die Beschaffung einfacher zu gestalten, haben wir in Anhang D eine Einkaufsliste erstellt, in der Sie die Materialien finden, mit denen alle Projekte in diesem Buch umgesetzt werden können.

Abbildung **LABEL TBD**.1 Arduino, Sensoren und Komponenten

Für das Arduino‐Board gibt es eine Reihe bekannter Händler, die auch dazu passende weitere Komponenten verkaufen, zum Beispiel Maker Shed, SparkFun Electronics, Parallax und Adafruit. Alle vier Händler sollten die meisten in diesem Buch genutzten Sensoren führen und als Orginal‐Teile mit hoher Qualität verkaufen. Beginnen Sie mit Ihrer Suche also dort. In Deutschland ist Watterott eine sehr gute Adresse.

Globale Elektronikhändler wie Element14 und RS Components sind auch gute Quellen. Allerdings können ihre Teilelisten den Einsteiger durchaus verwirren. Dort finden sich Komponenten, die sich nur in Pin‐Belegung oder Spannungstoleranzen unterscheiden – für einen Anfänger eine schwierige Wahl. Aber auch hier sind die verkauften Komponenten von guter Qualität und mit entsprechender Dokumentation versorgt. In Deutschland am bekanntesten dürften Reichelt und Conrad sein.

Manche Online‐Shops sind sehr günstig, aber dort finden Sie meist keine offiziellen Arduino‐Boards – die Produkte sind dann »kompatibel«. Die dort verkauften Sensoren unterscheiden sich eventuell leicht in der Pin‐Belegung oder im Aussehen. Aktuell ist DealExtreme einer der beliebtesten Shops in der Szene. Er versendet zwar kostenlos aus Hongkong und Shenzhen, aber die Qualität der Komponenten kann stark schwanken und die Lieferzeiten können lang sein. AliExpress ist ein weiterer beliebter Händler aus Asien.

Bestellen Sie im Ausland, sollten Sie sich mit den Zollregularien vertraut machen. In manchen Ländern gibt es Obergrenzen, bis zu denen die Sendungen beim Zoll nur durchgewunken werden.

Konventionen in diesem Buch

In diesem Buch werden die folgenden typografischen Konventionen verwendet:

KursivBeschreibt neue Begriffe, URLs, E-Mail‐Adressen, Dateinamen und Dateiendungen.NichtproportionalschriftWird für Programmlistings und für Programmelemente in Absätzen verwendet – zum Beispiel Variablen, Funktionsnamen, Datenbanken, Datentypen, Umgebungsvariablen, Anweisungen und Schlüsselwörter.Fette NichtproportionalschriftSteht für Befehle oder anderen Text, der so wie angegeben vom Benutzer übernommen werden soll.Kursive NichtproportionalschriftSteht für Text, der vom Benutzer durch eigene Werte ersetzt werden soll.

Anmerkung

Dieses Symbol verweist auf einen Tipp, einen Vorschlag oder einen allgemeinen Hinweis.

Warnung

Dieses Symbol weist auf eine Warnung oder Vorsichtsmaßnahme hin.

Code-Download

Sie können in diesem Buch verwendeten Code hier downloaden: http://getstarted.botbook.com.

Website zum Buch

Es gibt eine Webseite zum Original‐Buch, auf der bekannte Fehler, Beispiele und zusätzliche Informationen aufgeführt sind. Sie finden sie unter: http://bit.ly/get-start-sensors.

Für Kommentare oder technische Fragen zu diesem Buch schicken Sie eine E-Mail an: [e-mail]

Danksagung

Die Autoren möchten sich bei Hipsu, Marianna, Nina und Valtteri bedanken.

Kapitel 1. Sensoren

Sensoren finden sich überall im Alltag. Die Welt ist voll von ihnen: von passiven Infrarotsensoren in Bewegungsmeldern über CO2-Detektoren in der Klimaanlage, winzigen Beschleunigungssensoren, GPS‐Modulen und Kameras in Ihrem Smartphone und Tablet – überall Sensoren! Die Vielzahl von Sensor‐Anwendungen ist bemerkenswert.

Man kann durchaus davon ausgehen, dass ein »smartes« elektronisches Gerät mit Sensoren vollgepackt ist (Abbildung 1.1). In der Tat sind aufgrund der starken Verbreitung von Smart Devices – insbesondere von Mobiltelefonen – die Preise von Sensoren in erschwingliche Bereiche gefallen. Es ist dabei nicht nur ökonomisch vertretbar, Ihre Projekte mit aufwendigeren Sensoren zu ergänzen,es gibt jetzt einfach auch viel mehr Projekte, die sich sinnvoll umsetzen lassen.

Abbildung 1.1 Diverse Sensoren: Infrarot‐Abstandsmessung, Drehung, Helligkeit, Taster, Temperatur und Entfernung

Sie werden in diesem Buch mithilfe kleiner Projekte Sensoren kennenlernen und Erfahrungen sammeln. Es macht viel mehr Spaß, erst zu bauen und dann die Theorie zu behandeln, aber beides ist gleich wichtig. Vermeiden Sie daher den Drang, nur die Projekte nachzubauen und die theoretischeren Abschnitte einfach zu überspringen.

Der Einstieg in die Arbeit mit Sensoren ist einfach, und es gibt keine Grenzen. Die Arbeit mit Elektronik ist selbst für Genies manchmal eine Herausforderung, sorgt dann aber für Innovationen und Fortschritt. Andererseits kann selbst ein Kind (mit ein wenig Hilfe) Dinge ausprobieren und kennenlernen.

Wenn Sie sich noch nicht so sehr mit Sensoren auskennen, sollten Sie sich dieses Gefühl einprägen. Denn nachdem Sie ein paar Herausforderungen gemeistert und manche Gadgets gebaut haben, werden sich viele der mysteriösen Geheimnisse rund um