Bytes & Strom

Einstieg in die Mikrocontroller Programmierung

Tag der Technik, Landesschule Pforta, 2025

Prof. Dr. Sebastian Zug

Technische Universität Bergakademie Freiberg

Herzlich Willkommen!

Die interaktive Ansicht dieses Kurses ist unter folgendem Link verfügbar. Der Quellcode der Materialien ist unter https://github.com/liaScript/ArduinoEinstieg/blob/master/Parcel_monitor.md zu finden.

Kennenlernen

Wer bin ich und was macht man so an der TUBAF?

Wer sind Sie? Was erwarten Sie vom heutigen Tutorial?

Einführung

Was heißt das eigentlich "Eingebettetes System"?

                          {{1-2}}

... ein elektronischer Rechner ..., der in einen technischen Kontext eingebunden ist. Dabei übernimmt der (Kleinst-)Rechner entweder Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelfunktionen ... weitestgehend unsichtbar für den Benutzer .. [nach Wikipedia "Eingebettete Systeme"].

PC / Laptop	Eingebettetes System
ist für viele Dinge verwendbar	Macht eine Sache
hat Bildschirm, Tastatur	Hat oft nur Sensoren und Aktoren, ist unsichtbar
wird von Menschen bedient	Arbeitet automatisch im Hintergrund

Wie programmiere ich einen Mikrocontroller?

                          {{2-3}}

Compiler wird eine Software genannt, die einen in einer Programmiersprache geschrieben Quellcode so übersetzt, dass sie von Maschinen verstanden werden können.

Was ist das Arduino Projekt?

                             {{3}}

Arduino ist eine aus Soft- und Hardware bestehende Physical-Computing-Plattform. Beide Komponenten sind im Sinne von Open Source quelloffen. Die Hardware besteht aus einem einfachen E/A-Board mit einem Mikrocontroller und analogen und digitalen Ein- und Ausgängen.

https://www.arduino.cc/

Arduino Programmierung

Arduino nutzt eine C/C++ Semantik für die Programmierung, die folgende Grundelemente bedient

Alle Anweisungen enden mit einem ;
Variabeln sind typbehaftet (int, char, float, etc.)
wichtige Schlüsselwörter sind for, if, while, etc.
Kommentare werden durch // eingeleitet

Aufbau eines Arduino-Programmes

Jedes Arduinoprogramm umfasst 2 grundlegende Funktionen setup() und loop(). Funktionen strukturieren den Code in einzelne Abschnitte, die durch ihren Namen aufgerufen werden können.

```cpp arduino.cpp const int ledPin = LED_BUILTIN; // Pin 13 für UNO Boards // Pin 25 für MegaAVR Boards

void setup() { pinMode(ledPin, OUTPUT); }

void loop() { digitalWrite(ledPin, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(ledPin, LOW); delay(1000);
}

@AVR8js.sketch

### Zeit für echte Hardware!

<!-- class="reference" -->
> **Aufgabe 0:** *Laden Sie das obige Programm auf Ihren Arduino hoch und lassen Sie die LED blinken!*

**Was Sie jetzt machen:**

1. **Arduino anschließen** - USB-Kabel mit dem Computer verbinden
2. **Arduino IDE öffnen** - Das ist unser "Werkzeugkasten"
3. **Programm übertragen** - Vom Computer zum Mikrocontroller
4. **LED blinken sehen** - Euer erstes echtes Embedded System!

> **ACHTUNG:** Sie müssen noch die speziellen Pakete für unser Board installieren! 

![](images/Install_MegaAVR_Boards.png)

> **Challenge für die Schnellen:** *Könnt ihr die Blinkgeschwindigkeit ändern, ohne in den Code zu schauen? Experimentieren Sie mit den delay()-Werten!*

### Hürden, Probleme, Hinweise

**1. Aktivieren Sie die Ausgaben beim Compilieren und Hochladen**

**2. Die typischen "ersten Hürden" (und wie ihr sie meistert):**

| Problem                 | Lösung                          |
| ----------------------- | ------------------------------- |
| "Arduino nicht erkannt" | Anderes USB-Kabel probieren     |
| "Port nicht gefunden"   | Tools → Port → richtigen wählen |
| "Upload failed"         | Reset-Knopf am Arduino drücken  |
| "LED blinkt nicht"      | Code nochmal hochladen          |

**3. Hände weg von der Maus!**

| Tastenkombination | Bedeutung                            |
| ----------------- | ------------------------------------ |
| Strg-R            | Kompilieren (Ve**R**ify)             |
| Strg-U            | Flashend (**U**pload)                |
| Strg-T            | Code korrekt einrücken               |
| Strg-Shift-M      | Seriellen Monitor öffnen             |
| Strg-L            | Cursor auf Zeile laut Eingabe setzen |

## C++ Basiskonstrukte

> `Hello World` funktioniert schon mal, aber es fehlt uns ein besseres Sprachverständnis, um reale Probleme zu lösen.

Um die Abläufe besser zu verstehen möchte irgendwie in den Rechner schauen können :-)

Die Serielle Schnittstelle (häufig auch als UART) bezeichnet ermöglicht das
Versenden und den Empfang von Textnachrichten. Damit können Sie zum Beispiel
Messwerte ausgeben oder das Erreichen bestimmter Programmpositionen anzeigen.

Die folgenden Beispiele vermitteln grundlegende Programmierkonstrukte in C++.
Diese können in der Simulation ausgeführt werden.  

<div>
  <span id="simulation-time"></span>
</div>
```cpp       arduino.cpp
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Hello World");
}

void loop() {
}

@AVR8js.sketch

Challenge: Geben Sie den Zustand der LED über die Serielle Schnittstelle aus

Schleifen

Was müssen wir tuen, um die Zahlen von 1 bis 10 auf dem Terminal anzuzeigen?

```cpp arduino.cpp void setup() { Serial.begin(9600); int counter = 0; for (int i = 0; i < 10; i++){ Serial.println(counter); counter = counter + 1; } }

void loop() { }

@AVR8js.sketch

<!-- class="reference" -->
> **Aufgabe 2:** Welche "Einsparmöglichkeiten" sehen Sie als erfahrener Programmierer in dem Beispiel? Wie kann der Code, mit der gleichen Ausgabe kürzer gestaltet werden?

### Verzweigungen

                              {{0-1}}
*******************************************************************************

Verzweigungen folgen dem Muster

```c
if (Bedingung) {
  // Anweisungen
}
else{               
  // Anweisungen       
}

wobei der else Abschnitt optional ist.

```cpp arduino.cpp void setup() { Serial.begin(9600); float value = 5.234; Serial.print(value); if (value > 10){ Serial.println(" - Der Wert ist größer als 10!"); }else{ Serial.println(" - Der Wert ist kleiner als 10!"); } }

void loop() { }

@AVR8js.sketch

*******************************************************************************

                              {{1-2}}
*******************************************************************************

Bedingungen werden dabei wie folgt formuliert:

<div>
  <span id="simulation-time"></span>
</div>
```c      ardunino.cpp
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  int a = 2;
  if (a == 2) {Serial.println("a ist gleich zwei!");}
  if (a <= 5) {Serial.println("a ist kleiner oder gleich fünf!");}
  if (a != 3) {Serial.println("a ist ungleich drei!");}
  char b = 'g';
  if (b == 'z') {Serial.println("In b ist ein z gespeichert!");}
  else {Serial.println("In b ist kein z gespeichert!");}
}

void loop() {
}

@AVR8js.sketch

Für die Ausgabe von komplexeren, vorformatierten Ausdrücken können Sie auf einen Befehl aus der C++ Standard-Bibliothek zurückgreifen sprintf

Eine anschauliche Dokumentation findet sich unter: link

Einstiegsübung

Aufgabe 3: Schreiben Sie einen Code, der das SOS Morsesignal über die Led ausgibt!

Welche Anpassungen sind dafür an unserem Beispiel vornehmen?

const int ledPin = LED_BUILTIN;

// the setup function runs once when you press reset or power the board
void setup() {
  // initialize digital pin ledPin as an output.
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);                  // wait for a second
  digitalWrite(ledPin, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);                  // wait for a second
}

Praxisbeispiel - Der Paket-Monitor 📦

Die Mission: Euer brandneues Smartphone ist unterwegs! Aber was passiert mit dem Paket während der Reise? Wird es sanft transportiert oder wild herumgeschleudert?

Stellt euch vor:

📱 Euer 800€ Smartphone reist durch halb Europa
🚚 LKW, Flugzeug, Lieferwagen - überall wird es bewegt
📦 Aber wie wird es bewegt? Sanft oder ruppig?
🕵️ Wir werden zu Paket-Detektiven!

Echte Probleme, die wir lösen:

Wurde mein Paket fallen gelassen?
War der Transport zu ruppig für fragile Ware?
Kann ich beweisen, dass der Schaden beim Transport entststand?
```
                        {{1}}
```

Das ist kein Science-Fiction - das machen echte Firmen!

Lieferdienstleister nutzen ähnliche Technologien:

Temperatur-Monitoring für Medikamente 🌡️
Schock-Sensoren für teure Elektronik 📱
GPS-Tracking für wertvolle Fracht 🛰️
Feuchtigkeits-Sensoren für empfindliche Waren 💧

Wie spürt Arduino Bewegung? - Der IMU-Sensor

                          {{0-1}}

IMU = Inertial Measurement Unit - Das ist Arduinos "Gleichgewichtssinn"!

Unser Arduino UNO R4 WiFi hat einen eingebauten "Supersinn":

Wer findet den Sensor, der mit einem Koordinatensystem gekennzeichnet ist?

                          {{1-2}}

Das Geheimnis: Winzig kleine schwingende Strukturen!

Der LSM6DS3 in unserem Arduino ist ein MEMS-Sensor (Micro-Electro-Mechanical System):

    Feste Elektrode    Bewegliche Masse    Feste Elektrode
         |                    |                    |
    +---------+          +---------+          +---------+
    |    |    |    ~~~   |  MASSE  |   ~~~    |    |    |
    +---------+          +---------+          +---------+
         |                    |                    |
    Kapazität C1         Trägeheitsmoment     Kapazität C2

So funktioniert's:

Mikro-Wippe: Eine winzige Masse (nur wenige Mikrometer!) hängt an flexiblen Federn
Beschleunigung → Masse bewegt sich → Kapazität ändert sich
Elektronik misst die Kapazitätsänderung → digitaler Wert

https://www.st.com/en/mems-and-sensors/lsm6ds3tr-c.html

                          {{1-2}}

Der LSM6DS3 Sensor jeweils in 3 Achsen messen:

Was misst er?	Einheit	Wofür?
Beschleunigung	g (Erdbeschleunigung)	Stöße, Fallen, Schütteln
Rotation	°/s (Grad pro Sekunde)	Drehen, Kippen, Rollen

Man bezeichnet solche Sensoren auch als 6-DOF IMU (6 Degrees of Freedom).

Anwendungbeispiel

Wie gießen wir das Ganze jetzt in Code?

#include <Arduino_LSM6DS3.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  IMU.begin();
}

void loop() {
  float x, y, z;

  if (IMU.accelerationAvailable()) {
    IMU.readAcceleration(x, y, z);

    Serial.print(x);
    Serial.print('\t');
    Serial.print(y);
    Serial.print('\t');
    Serial.println(z);
  }
}

Warum brauchen wir die Abfrage IMU.accelerationAvailable()?

Paket-Lage - Wo ist "oben"?

                          {{0-1}}

Die Herausforderung: Liegt das Paket richtig herum oder steht es auf dem Kopf? Das ist wichtig für fragile Ware!

Das Geheimnis: Die Erdanziehung als Kompass!

"Die Erdanziehung ist unser kostenloser Orientierungssensor!"

Beschreibung	X-Achse	Y-Achse	Z-Achse
Richtig herum	$\approx 0.0g$	$\approx 0.0g$	$\approx +1.0g$
Verkehrt herum	$\approx 0.0g$	$\approx 0.0g$	$\approx -1.0g$
Rechte Seite unten	$\approx +1.0g$	$\approx 0.0g$	$\approx 0.0g$
Linke Seite unten	$\approx -1.0g$	$\approx 0.0g$	$\approx 0.0g$
Vorderseite unten	$\approx 0.0g$	$\approx +1.0g$	$\approx 0.0g$
Rückseite unten	$\approx 0.0g$	$\approx -1.0g$	$\approx 0.0g$

                          {{1-2}}

Warum 0.7g statt 1.0g als Schwellwert?

Szenario	Z-Achse Messung	Grund
Perfekte Welt	$Z = 1.000g$ (exakt)	Theoretischer Idealfall
Reale Welt	$Z = 0.95g \pm 0.05g$	Rauschen + Ungenauigkeit
Schräg	$Z = 0.8g$	Arduino nicht perfekt horizontal

                          {{2-3}}

Praktischer Lage-Detektor:

#include <Arduino_LSM6DS3.h>

// Globale Konstanten für Schwellwerte
const float ORIENTATION_THRESHOLD = 0.7;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  IMU.begin();
  Serial.println("Paket-Lage-Detektor gestartet!");
}

void loop() {
  float x, y, z;
  String lage;
  
  if (IMU.accelerationAvailable()) {
    IMU.readAcceleration(x, y, z);
    // Achtung: Beachte den Unterschied zwischen abs() und fabs()!
    // abs() ist für Integer, fabs() für float/double
    if ((fabs(z) > fabs(x)) && (fabs(z) > fabs(y))) {
      // Z-Achse dominiert
      if (z > ORIENTATION_THRESHOLD) {
        lage = "NORMAL (richtig herum)";
      } else if (z < -ORIENTATION_THRESHOLD) {
        lage = "KOPFÜBER (verkehrt herum!)";
      }
    }
    Serial.print("Lage: ");
    Serial.print(lage);
    Serial.print(" | X:");
    Serial.print(x, 2);
    Serial.print(" Y:");
    Serial.print(y, 2);
    Serial.print(" Z:");
    Serial.println(z, 2);
  }
  
  delay(1000);
}

Aufgabe 4: Erweitern Sie den Code, um auch die seitliche Lage zu erkennen!

Schock-Erkennung - Wurde mein Paket misshandelt? 💥

Das Drama: Euer iPhone-Paket wird gerade aus dem LKW geladen... RUMMS! Hat der Zusteller es fallen gelassen? Zeit für Paket-Forensik!

                          {{0-1}}

Warum reicht die Lage-Erkennung nicht aus?

Bisher konnten wir nur erkennen, wie das Paket liegt. Aber was ist mit dynamischen Ereignissen?

Ereignis	Was passiert	Problem
Sanfter Transport	Konstante 1g nach unten	✅ Lage-Detektor funktioniert
LKW-Fahrt	Leichte Schwankungen 1-1.5g	✅ Noch im normalen Bereich
Sturz/Schlag 💥	Kurzer Peak >3g	❌ Lage-Detektor übersieht es!

                          {{1-2}}

Das "Blind Spot"-Problem: Warum einzelne Achsen nicht reichen

Schock-Szenario	X-Achse	Y-Achse	Z-Achse	Einzelachsen-Alarm?	Realität
Frontal	3.5g	0.2g	0.1g	✅ X-Achse alarmiert	Erkannt
Seitlich	0.1g	3.2g	0.3g	✅ Y-Achse alarmiert	Erkannt
Schräg	1.8g	1.9g	1.7g	❌ Keine Achse > 2.0g	ÜBERSEHEN!

Das Problem: Schräge Stöße verteilen sich auf alle Achsen. Keine einzelne Achse überschreitet den Schwellwert, aber die Gesamtbelastung ist hoch.

                          {{2-3}}

Die Lösung: 3D-Vektor-Magnitude

"Die Vektorlänge ist wie ein '360°-Radar' für Erschütterungen - nichts entgeht ihm!"

Praktischer Schock-Detektor:

#include <Arduino_LSM6DS3.h>

// Globale Konstanten
const float ORIENTATION_THRESHOLD = 0.7;   // Lageerkennung
const float SHOCK_THRESHOLD = 2.5;         // Schockerkennung ab 2.5g

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  IMU.begin();
  Serial.println("Paket-Monitor mit Schock-Erkennung gestartet!");
}

void loop() {
  float x, y, z, magnitude;

  if (IMU.accelerationAvailable()) {
    IMU.readAcceleration(x, y, z);
    
    magnitude = sqrt(x*x + y*y + z*z);
    
    if (magnitude > SHOCK_THRESHOLD) {
      Serial.print("⚠️  SCHOCK erkannt! Stärke: "); 
      Serial.print(magnitude, 2);
      Serial.println("g");
    }
  }
}

Aufgabe 5: Fügen Sie eine Zählvariable hinzu, die die Anzahl der Schocks speichert und die maximale Schockstärke ermittelt.

                          {{4-5}}

Test-Szenarien für euren Paket-Monitor:

Experiment	Erwartete Magnitude	Was passiert
Ruhig liegen	≈ 1.0g	Keine Schocks
Sanft bewegen	1.0-1.5g	Keine Schocks
Auf Tisch klopfen	2-4g	⚠️ Leichter Schock
Fallen lassen (10cm)	4-8g	⚠️⚠️ Starker Schock
Heftig schütteln	3-6g	⚠️⚠️⚠️ Mehrere Schocks

Challenge: Testet verschiedene "Transport-Szenarien" und sammelt Schock-Daten!

Real-World Vergleich:

📦 Normaler Paketversand: 1-2 Schocks pro Transport
📱 Fragile Elektronik: Schon 1 Schock über 3g kann kritisch sein
🏥 Medikamenten-Transport: Maximaler Schwellwert oft nur 1.5g

Und jetzt alles zusammen

Aufgabe 6: Verknüpfen Sie die Lage- und Schock-Erkennung zu einem umfassenden Paket-Monitor!

Nutzen Sie dafür auch gern die Kommunikationsmöglichkeiten des Arduinos, um Daten zu übertragen.

https://docs.arduino.cc/libraries/thingspeak/

Zusammenfassung - Von Zero zu Hero! 🚀

Herzlichen Glückwunsch! Sie sind jetzt echte Arduino-Entwickler und Paket-Detektive!

                          {{0-1}}

Was wir heute erreicht haben:

🔧 Von den Grundlagen...

✅ Arduino-Programmierung - setup(), loop(), Variablen, Schleifen
✅ Hardware verstehen - LED blinken, Serielle Kommunikation
✅ C++ Basics - if/else, Funktionen, Datentypen
✅ Debugging-Skills - Probleme lösen, Code debuggen

📊 ...zu echten IoT-Anwendungen!

✅ IMU-Sensoren - 6-DOF, MEMS-Technologie verstehen
✅ Lage-Erkennung - Erdanziehung als Positions-Sensor nutzen
✅ Schock-Detection - 3D-Vektormathematik in der Praxis
✅ Real-World Problem - Paket-Überwachung implementiert

                          {{1-2}}

Was würde man die Aufgabe nach einem Informatikstudium angehen?

Systematisch planen - Anforderungen analysieren, Konzepte entwerfen
Modular programmieren - Funktionen, Klassen, Bibliotheken nutzen
Testen & Validieren - Unit-Tests, Simulationen, Praxistests
Dokumentieren - Code kommentieren, Anleitungen schreiben

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Wie spürt Arduino Bewegung? - Der IMU-Sensor

Anwendungbeispiel

Paket-Lage - Wo ist "oben"?

Schock-Erkennung - Wurde mein Paket misshandelt? 💥

Und jetzt alles zusammen

Zusammenfassung - Von Zero zu Hero! 🚀

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