Powerprojekte mit Arduino und C

Schluss mit dem frustrierenden Ausprobieren von Code-Schnipseln!

Friedrich Plötzeneder, Andreas Plötzeneder

• Verlag: Franzis Verlag
• Jahr: 2013
• ISBN:
  9783645270168
• Thema: Computer Science
• Thema: Hardware

Vielen ist mit Arduino der Einstieg in die Mikrocontrollertechnik gelungen - dieses Buch richtet sich an alle, die "Hello World" hinter sich haben und in die Mikrocontroller-Programmierung mit C einsteigen möchten. Aber auch wer schon mit einem AVR gearbeitet hat, findet hier viele interessante Anregungen - die Programme sind universell geschrieben und laufen z.B. auch auf einem ATmega8. Neue Probleme lösenPowerprojekte bestehen in der Regel aus kleinen Komponenten. Daher werden viele kleine Problemlösungen definiert, erläutert und vollständig in C gelöst. Diese Komponenten kann der Anwender später in eigene Programme einbauen und anpassen. Schluss mit dem frustrierenden Ausprobieren von Code-Schnipseln! Endlich ist systematisches Programmierenmöglich.Hardware für jeden Fall und spannende ProjekteDie im Buch vorgestellte Hardware wurde so ausgewählt und entworfen, dass der Arbeitsaufwand bei einem Nachbau minimal ist. Zu allen Bauelementen und Komponenten finden sich auch die Bezugsquellen. Mit Hilfe der in diesem Buch beschriebenen Beispiele lassen sich auch innovative Lösungen für eigene Projekte entwickeln. Aus dem Buch "Powerprojekte mit Arduino und C" Inhalt: *C-Perfektionskurs*Timer im Normal-, CTC- und PWM-Modus*Endlicher Automat*Serielle Schnittstelle mit printf und scanf im Atmel-Studio*Entprellen von Kontakten mit einem Interruptprogramm*Flankenauswertung*Siebensegmentanzeige im Multiplexbetrieb*Siebensegmentanzeige über Schieberegister ansteuern*12 LEDs mit nur 4 Leitungen ansteuern: Tetraederschaltung*12 Tasten mit 4 Portleitungen einlesen*Matrixfeld mit 4x4 Tasten einlesen*Einlesen eines Drehgebers*Sourcecode eines Terminalprogramms in C# und LabVIEW*Schrittmotorsteuerung - auch mit Mikroschritt*Distanzmessung mit einem Ultraschallsensor*Schwebende Kugel

1Zahlendarstellung

1.1Zehner- oder Dezimalsystem

Das Zahlensystem mit der Basis zehn ist uns aus dem Alltag bekannt. Jede Stelle einer Zahl hat eine bestimmte Wertigkeit, so unterscheiden wir die Einer-, Zehner- und Hunderterstelle.

Abb. 1.1: Links Wertigkeit der Stellen, rechts Dezimalzahl 165

Um Verwechslungen auszuschließen, schreiben wir die Zahl mitunter so: 165_D.

Zahlensysteme, deren Stellen eine Wertigkeit haben, die um Potenzen ansteigen, bezeichnet man als polyadisch. (Eine Uhrzeit mit Stunden, Minuten und Sekunden ist nicht polyadisch.) In der Computertechnik sind neben dem Dezimalsystem noch zweier-(binär), achter-(oktal) und 16er-Systeme (hexadezimal) verbreitet.

1.2Binärsystem

1.2.1Positive Binärzahlen

Im Binärsystem gibt es nur zwei Ziffern mit den Werten Null und Eins. Diese werden üblicherweise mit »0« und »1« dargestellt. Die Wertigkeit der Stellen ist in Zweierpotenzen ansteigend.

Abb. 1.2: Binärzahl 1011_B

Damit wir die Binärzahl 1011 von der Dezimalzahl Eintausendelf unterscheiden können, schreiben wir im Text »1011_B«. In einem C-Programm, das von einem Compiler einen Maschinencode erzeugt, schreibt man »0b1011«. (Die im Buch verwendeten C-Compiler können diese Schreibweise verarbeiten, obwohl sie nicht dem ANSI-Standard für C entspricht.)

Bei einem 8-Bit-Mikrocontroller werden nicht einzelne Bits abgespeichert, sondern 8 Bits als kleinste Einheit. Einen Block von 8 Bit bezeichnet man auch als Byte. Ein Byte, das nur positive Zahlen darstellt, hat als größten Wert 1 * 128 + 1 * 64 + 1 * 32 + 1 * 16 + 1 * 8 + 1 * 4 + 1 * 2 + 1 * 1 = 255.

1.2.2Positive und negative Zahlen im Binärsystem

Der erste Gedanke, eine negative Zahl darzustellen, ist ein Bit für das Vorzeichen zu reservieren. Diese Methode hat aber zwei Nachteile. Der Wert Null kommt als +0 und -0 vor. Noch schwerwiegender ist, dass die arithmetischen Operationen Fallunterscheidungen benötigen. Werden z. B. eine positive und eine negative Zahl addiert, muss statt der Addition eine Subtraktion ausgeführt werden. Diesen Aufwand will man vermeiden. Gesucht ist ein Zahlensystem, das bei einer Addition, unabhängig davon, ob die Zahlen positiv oder negativ sind, den richtigen Wert ermittelt. Gelöst wird das Problem, indem man die negativen und positiven Zahlen im Zweierkomplement darstellt. Eine 4 Bit lange Zahl kann in der Zweierkomplementdarstellung Werte von -8 bis +7 annehmen.

Tabelle 1.1: 4 Bit Binärzahl im Zweierkomplement

Dezimalzahl	Binärzahl in Zweierkomplementdarstellung
7	0111
6	0110
5	0101
4	0100
3	0011
2	0010
1	0001
0	0000
-1	1111
-2	1110
-3	1101
-4	1100
-5	1011
-6	1010
-7	1001
-8	1000

Das Bit-Muster für die positiven Zahlen entspricht unseren Erwartungen. Wie man von einer positiven Zahl zu einer negativen Zahl kommt, ist nicht sofort ersichtlich. Deshalb werden zuerst noch die Rechenregeln und Beispiele für Zahlen im Binärsystem erläutert.

1.2.3Rechnen im Binärsystem

Rechenregel:

0_B + 0_B = 0...