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Franzis Raspberry Pi Handbuch

Maker kit elektronik
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Inhaltszusammenfassung für Franzis Raspberry Pi

  • Seite 1 TURN ON YOUR CREATIVITY RASPBERRY PI ELEKTRONIK...
  • Seite 3 Franzis Raspberry Pi Maker Kit Elektronik...
  • Seite 4 Der Verlag folgt bei den Produktbezeichnungen im Wesentlichen den Schreibweisen der Hersteller. Produktmanagement: Dr. Markus Stäuble Autor/Author: Burkhard Kainka Art & Design: www.ideehoch2.de Satz: DTP-Satz A. Kugge, München © 2016 Franzis Verlag GmbH, Richard-Reitzner-Allee 2, 85540 Haar...
  • Seite 5 Signalquelle, zum Frequenzzähler oder zu einem Oszilloskop – alles, was man in der Elektronik braucht. Wie soll das gehen, der Raspberry Pi hat ja nicht einmal einen AD-Wandler, könnte ein Einwand lauten. Aber mit wenigen Bauteilen und zwei GPIOs lässt sich ein einfacher AD-Wandler realisieren und für zahlreiche Experimente nutzen.

  • Seite 7: Inhaltsverzeichnis

    INHALT 1 Vorbereitungen ........................10 Bauteile ........................10 Verbindungsleitungen ....................16 Ausblick ........................19 LED an 3,3 V ......................23 2 GPIO-Ausgänge ........................28 Python ........................28 Eine GPIO-Ausgabe ....................32 Blinkprogramme ...................... 37 Grafi sche Programmierung mit Tkinter ............... Gegentaktblinker mit Tkinter ................. LED-Experimente .....................43 Transistor-Schalter ....................
  • Seite 8 Kapazitätsmessung ....................102 RC-Messung im Fenster ..................Beleuchtungsmessung mit einer LED ..............107 7 Spannungs messung ......................110 Der AD-Wandler ....................... Verbesserte Genauigkeit..................113 Spannungsanzeige im Fenster................116 Messung der Diodenspannung ................118 Messung der Stromverstärkung ................120 LED-Messungen mit einstellbarer Spannung ........... 123 8 Ein Oszilloskop ........................

  • Seite 10: Vorbereitungen

    VORBEREITUNGEN Für dieses Lernpaket wurde der Raspberry Pi 2 verwendet. Gegenüber dem Vorgängermodell verfügt das System über mehr Speicher und mehr Anschlüsse sowie einen Prozessor mit vier Kernen. Die Installation des Betriebssystems, die Anbindung an das Internet und Ähnliches sollen hier nicht das Thema sein.
  • Seite 11 © 2 Elkos 100 μF © 2 NPN-Transistoren BC547B LEDs Bei einer LED muss grundsätzlich die Polung beachtet werden. Der Mi- nusanschluss heißt Kathode und liegt am kürzeren Anschlussdraht. Der Plusanschluss ist die Anode. Im Inneren der LED erkennt man einen kelchartigen Halter für den LED-Kristall, der an der Kathode liegt.
  • Seite 12 1 | Vorbereitungen Abb. 1.2: Ein Widerstand Widerstände mit einer Toleranz von +/–5  % gibt es in den Werten der E24-Reihe, wobei jede Dekade 24 Werte mit gleichmäßigem Abstand zum Nachbarwert enthält. Tabelle 1.1: Wider- Der Farbcode wird ausgehend von dem Ring gelesen, der näher am Rand standswerte nach des Widerstands liegt.
  • Seite 13 1.1 | Bauteile Farbe Ring 1 Ring 2 Ring 3 Ring 4 1. Ziffer 2. Ziffer Multiplikator Toleranz Schwarz Braun 1 % 2 % Orange 1000 Gelb 10000 Grün 100000 0,5 % Blau 1000000 Violett 10000000 Grau Weiß Gold 5 % Silber 0,01 10 % Tabelle 1.2: Der Ein Widerstand mit den Farbringen Braun, Schwarz, Rot und Gold hat den Widerstandsfarb-...
  • Seite 14 1 | Vorbereitungen Spannung viel Ladung. Die Kapazität eines Kondensators wird in Farad (F) gemessen. Die hier verwendeten Kondensatoren haben Kapazitäten zwischen 10 nF und 100 nF. Das Isoliermaterial (Dielektrikum) vergrößert die Kapazität gegenüber Luftisolation. Die keramischen Scheibenkondensatoren verwenden ein spezielles Keramikmaterial, mit dem man große Kapazitäten bei kleiner Bauform erreicht.
  • Seite 15 1.1 | Bauteile Abb. 1.4: Der Elektrolyt- kondensator Transistoren Transistoren sind Bauelemente zur Verstärkung kleiner Ströme. Die ver- wendeten bipolaren Transistoren unterscheiden sich in der Polarität. Das Lernpaket enthält zwei NPN-Transistoren BC547B. Abb. 1.5: Transistoren Die Anschlüsse des Transistors heißen Emitter (E), Basis (B) und Kol- lektor (C).

  • Seite 16: Verbindungsleitungen

    1 | Vorbereitungen 1.2 | Verbindungsleitungen Der Raspberry Pi 2 besitzt eine 40-polige Steckerleiste mit allen wich- tigen Anschlüssen für eigene Experimente. Das Vorgängermodell hatte nur 26 Anschlüsse. Abb. 1.6 zeigt alle GND-Anschlüsse (G, Ground, Mas- se), alle Anschlüsse für die Betriebsspannung und alle GPIO-Anschlüsse (General Purpose Input Output, digitale Portanschlüsse), soweit sie tat-...
  • Seite 17 1.2 | Verbindungsleitungen Abb. 1.7: Ver- bindungen zum Experimentier- board Abb. 1.8: Der Raspberry Pi 2 im Gehäuse...
  • Seite 18 1 | Vorbereitungen Wenn man ein geschlossenes Gehäuse verwendet, wird der Raspberry so weit abgesichert, dass man ihn kaum noch versehentlich zerstören kann. Der gefährliche 5-V-Anschluss bleibt unter Verschluss, und Kurzschlüsse auf der Raspberry-Platine bleiben weitgehend ausgeschlossen. Das Steckboard besitzt an seiner Unterseite eine doppelseitige Klebefo- lie.

  • Seite 19: Ausblick

    1.3 | Ausblick schließlich erhält man damit ein kompaktes und gut handhabbares Experimentiersystem. 1.3 | Ausblick Computer und ihre Schnittstellen, das ist ein über die Jahre wechseln- des Thema. Der Homecomputer C64 aus den 1980er-Jahren hatte an seinem Userport frei zugängliche Anschlüsse für beliebige Zwecke. Man konnte damit leicht experimentieren.
  • Seite 20 1 | Vorbereitungen Die grundsätzliche Verwendung der einzelnen Anschlüsse wurde für die- ses Lernpaket so festgelegt, dass sich verschiedene Teile immer wieder nutzen lassen und auch in gemeinsamen Experimenten zum Einsatz kommen können. Als kleine Vorschau und zur Motivation für die kom- menden Versuche soll hier ein typischer Aufbau eines vielseitigen Mess- systems gezeigt werden.
  • Seite 21 1.3 | Ausblick Abb. 1.11: Ein Schalt- Die Liste der möglichen Experimente allein mit diesem Aufbau ist lang: bild kombinierter Experimente © LEDs schalten, Blinker, Wechselblinker © Helligkeitssteuerung über den PWM-Ausgang © Frequenzmessung interner und externer Signalquellen © Untersuchung der Eigenschaften der Ein- und Ausgänge ©...
  • Seite 22 1 | Vorbereitungen Abb. 1. 12: Fünf Pro- Mehrere Programme im zeitgleichen Einsatz ermöglichen es, den Vorgän- gramme im Einsatz gen in einer Schaltung auf den Grund zu gehen, wie man es sonst nur in einem gut ausgestatteten Elektroniklabor kann. Ein besonderes Highlight ist das einfache Oszilloskop, mit dem man den zeitlichen Verlauf einer Spannung sichtbar machen kann.
  • Seite 23 1.4 | LED an 3,3 V Man braucht kein eigenes Netzteil und keine Batterie für die Versuche. Die Stromversorgung bringt der Raspberry Pi bereits mit, wahlweise 3,3 V oder 5  V. Aber man muss vorsichtig sein! Eine direkte Verbindung des 5-V-Pins mit einem GPIO reicht, und schon ist der Raspberry hin! Deshalb soll hier nur mit 3,3 V gearbeitet werden.
  • Seite 24 1 | Vorbereitungen te. Der Strom ist nicht größer als 1 bis 2 mA, die LED verträgt 20 mA. Die LED könnte also viel heller sein, aber man sieht schon, dass es reicht. Zu hell ist sogar eher unangenehm, weil man beim Experimentieren geblen- det wird.

  • Seite 25: Led An 3,3 V

    1.4 | LED an 3,3 V Abb. 1.16: Ein Test Nur zum Spaß soll jetzt die LED einmal umgedreht werden. Falsch her- mit umgedrehter um eingebaut geht nichts! Die LED ist nämlich wie jede andere Diode ein elektrisches Ventil. Strom fl ießt nur in einer Richtung hindurch, in der anderen Richtung verhält sich eine Diode wie ein Isolator.
  • Seite 26 1 | Vorbereitungen Abb. 1.18: Experi- Einen Versuch ist es wert: Zwei LEDs in Reihe schalten. Das Ergebnis lau- menteller Aufbau mit zwei LEDs tet auch hier wieder: Geht nicht! Offensichtlich reicht die Spannung 3,3 V nicht für zwei LEDs. Warum das so ist, soll in den folgenden Kapiteln noch genauer untersucht werden.
  • Seite 27 1.4 | LED an 3,3 V Abb. 1.20: Rot und Wenn schon die Reihenschaltung nicht funktioniert, dann vielleicht eine Grün parallel Parallelschaltung? Sie funktioniert teilweise, aber nicht richtig gut. Es hängt von den Farben der LEDs ab. Eine gelbe und eine rote LED las- sen sich gerade noch zusammen betreiben, Rot und Grün ist kaum noch möglich.

  • Seite 28: Gpio-Ausgänge

    GPIO-AUSGÄNGE Elektronische Schaltungen haben Ein- und Ausgänge. Das gilt auch für jeden Mikrocontroller und für einen Computer wie den Raspberry Pi. Über einen Eingang holt sich das System Informationen von der Außenwelt. Über einen Ausgang kann es umgekehrt Informationen ausgeben, also zum Beispiel eine LED ein- oder ausschalten.
  • Seite 29 Abb. 2.1: Python-Start Alternativ kann man Python auch über eine Kommandozeile aufrufen, das Programm heißt idle. Abb. 2.2: Aufruf in der Kommandozeile...
  • Seite 30 2 | GPIO-Ausgänge In beiden Fällen startet die Python Shell mit einer Startmeldung und dem Prompt >>>. Ein erster Test zeigt, wie Python Anweisungen direkt, also ohne eine eigene Programmdatei, ausführt. Mit print 4+4 erhält man direkt das gesuchte Ergebnis, nämlich 8. Abb.
  • Seite 31 2.1 | Python Abb. 2.4: Vorberei- tung für ein eigenes Programm Abb. 2.5: Der Quelltext Mit Run/Run Module kann das eigene Programm gestartet werden. Python verlangt aber zunächst, dass es gespeichert wird. Dazu muss man einen Dateinamen vergeben, z. B. Print1. Die Datei heißt dann Print1.py.

  • Seite 32: Eine Gpio-Ausgabe

    2 | GPIO-Ausgänge Abb. 2.6: Aufforde- rung zum Speichern Dann startet das Programm und lässt die Ergebnisse in der Python Shell erscheinen. 2.2 | Eine GPIO-Ausgabe Nun soll ein Programm geschrieben werden, das den Port 4 einschaltet. Eine zweite LED mit Vorwiderstand wird an Port 17 angeschlossen, damit später ein Wechselblinker daraus werden kann.
  • Seite 33 2.2 | Eine GPIO-Ausgabe Abb. 2.7: Zwei LEDs an zwei Ausgängen Abb. 2.8: Der Ver- suchsaufbau für zwei Ausgänge Wer die Schaltung aufbaut, könnte sich wundern, dass die grüne LED an GPIO 4 schon vor dem Start eines Programms schwach leuchtet. Die- ser Pin hat eine Zusatzfunktion (GPCLK0), die in diesem Lernpaket nicht verwendet wird.
  • Seite 34 2 | GPIO-Ausgänge genden Kapitel geklärt. Dieser interne Widerstand lässt einen schwachen Strom durch die LED fl ießen. Er wird aber abgeschaltet, sobald eigene Software den Port verwendet. Dann ist die LED entweder an oder aus. An die GPIO-Ports kommt man nur mit einer speziellen Bibliothek mit dem Namen RPi.GPIO.
  • Seite 35 2.2 | Eine GPIO-Ausgabe Abb. 2.10: Eine Fehlermeldung Zugang verweigert! Linux ist sehr streng mit diesen Dingen. Da darf nicht einfach jeder ungefragt an alles heran. Es geht um die Sicherheit, um Zugriffsrechte und solche Sachen. Aber es gibt einen Ausweg. Man muss sich nur selbst zum Superuser ernennen und das Programm mit sudo aufrufen: sudo idle...
  • Seite 36 2 | GPIO-Ausgänge Abb. 2.12: Eine Warnmeldung Also hat das Programm nun eine Zeile mehr. Damit ist alles klar für die Portausgabe. Port 4 wird eingeschaltet und kann eine LED treiben. Abb. 2.13: Das erweiterte Programm In der Python Shell erscheint nur noch der Hinweis auf den Neustart des Programms, aber keine Fehlermeldung oder Warnung mehr.

  • Seite 37: Grafi Sche Programmierung Mit Tkinter

    Kinderspiel. AUS DEM INHALT / EXAMPLES OF THE CONTENTS: In addition to serving as a fully-fledged PC, the Raspberry Pi is also perfectly suited as a programmable control center for Grafische Programmierung mit Tkinter/ electronics projects. With only a few components and the...

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