Rasperry Pi - Nicht kategorisiert Franzis Verlag - Kostenlose Bedienungsanleitung

BEDIENUNGSANLEITUNG Rasperry Pi Franzis Verlag

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Alle in diesem Buch vorgestellten Schaltungen und Programme wurden mit der größtmöglichen Sorgfalt entwickelt, geprüft und getestet. Trotzdem können Fehler im Buch und in der Software nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag und Autor haften in Fällen des Vorsatzes oder der groben Fahrlässigkeit nach den gesetzlichen Bestimmungen. Im Übrigen haften Verlag und Autor nur nach dem Produkthaftungsgesetz wegen der Verletzung des Lebens, des Körpers oder der Gesundheit oder wegen der schuldhaften Verletzung wesentlicher Vertragspflichten. Der Schadensersatzanspruch für die Verletzung wesentlicher Vertragspflichten ist auf den vertragstypischen, vorhersehbaren Schaden begrenzt, soweit nicht ein Fall der zwingenden Haftung nach dem Produkthaftungsgesetz gegeben ist.

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Bei jeder anderen Nutzung oder Veränderung des Produktes sind allein Sie für die Einhaltung der geltenden Regeln verantwortlich. Bauen Sie die Schaltungen deshalb genau so auf, wie es in der Anleitung beschrieben wird. Das Produkt darf nur zusammen mit dieser Anleitung weitergegeben werden.

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Produktmanagement: Dr. Markus Stäuble

Satz: DTP-Satz A. Kugge, München

EINFÜHRUNG

Das vorliegende Lernpaket führt in das weite und hochaktuelle Gebiet der modernen Sensortechnik ein. Die generellen Grundlagen der Elektronik und Elektrotechnik werden nur so weit behandelt, wie es für den Aufbau der Schaltungen und Experimente unbedingt notwendig ist. Eine weiterführende Behandlung dieser Grundlagen ist zum Beispiel in den Franzis-Lernpaketen „Elektronik“, „Elektronik mit ICs“ sowie „Elektrotechnik“ zu finden.

Neben der Einführung in die Arbeits- und Funktionsweise der Sensoren selbst wird insbesondere auch auf die Messwerterfassung und -verarbeitung mit digitalen Prozessoren eingegangen. Im Vordergrund steht dabei der bekannte Raspberry Pi. Dieses System erfreut sich großer Beliebtheit und hat einen großen Anwenderkreis gefunden.

Der Raspberry Pi ist kostengünstig erhältlich und zeichnet sich durch einfache Anwendbarkeit aus. Er eignet sich daher bestens als Einsteigersystem für die digitale Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten.

In diesem Lernpaket soll aber nicht nur die einfache Anwendung der Sensoren erläutert werden, es sollen auch praktisch nutzbare kleine Geräte entstehen. Dazu gehören ein präzises Computerthermometer sowie die zeitaufgelöste Erfassung von Helligkeitswerten.

INHALT

1 Das Aufbausystm.e....1C
2 Die Stromversorgung....14
3 Die lektronischen Bau demente....16

3.1 Drahtbrücken....16
3.2 Widerstände....17
3.3 LEDs 19
3.4 Der erste Strom kreis 20
3.5 Kondensatoren 21
3.6 Das Potenziomi 24

4 Die Sensore 26

4.1 Der NTC – ein Temperaturfühler 26
4.2 Der Fototransis 27
4.3 Magnetfelder elektronisch erfassen: der Hall-Sensor 28
4.4 Der Tilt-Ser....30
4.5 Der Feuchteser 31
4.6 Die Lennpakets 32
4.7 Der Timer-IC .NE555 34
4.8 Der Analog-Digital-Konve 36
4.9 Der digitale Temperatur 37

5 Grundlagen der Sensortechnik 40

5.1 Querempfindlichkeiten 41
5.2 Temperaturabhängige Kond ensatoren 42

6 Raspberry Pi: Motherboard mit I/O-Funk tionalität 44

6.1 Installation des Betriebssystems mit N00BS 45
6.2 Raspi-Config....46
6.3 Die Komndozeile 47
6.4 Das Linux-Dateisyste 47
6.5 Die wiegsten Linux-Befehle 48
6.6 Der Desktop des Raspberry Pi 49

7 Python 5C

7.1 Python wird gestartet 50
7.2 Das erste Beispielpro gramm 51
7.3 Für grafi sche Ausgaben: Tk 53

7.4 Die GPIO-Pins 55
7.5 Portzugriffe via Python.... 57
7.6 Alle Ports okay? – Das Lauflidtschafft Klarheit! 61
7.7 Wie hrsell ist der Raspberry Pi? 64

8 Messwert erfassung dein Raspberry Pi 6€

8.1 Fensterorientierte graffesProgrammausgabe 67
8.2 Dem Einbruch keine Chance: einfacher Alarmmelder 69
8.3 Für Minlisten: einfache Temperaturmessung 72
8.4 Kapazitätssch wankungen 75

9 Einfach e Schaltsensoren 80

9.1 Der It-Sensor und seine Anwendungen....80
9.2 Einfache, aber wirkungsvolle Alarmanlage....81

10 Digitd e Temperatursensoren 84

10.1 Der DS1820 am Raspberry Pi....85
10.2 DS18(S)20 auslase....86
10.3 Temperaturdaten ausgeben 88
10.4 Ausgabe in einem Grafi kfenster 89

11 Grafi sä e Darstellungen mit Matdot lib....92

11.1 Ein Temperaturplotter 94

12 Feuchtigkeit....98

12.1 Das Hygrometer: unentbehrlich für ein gutes Raumklima 99

13 Präzise Erfassung analoger Messwerte 104

13.1 Der SPI-Bus....104
13.2 Der ADC-Wandler MCP3002....105
13.3 Inbetriebnahme des MCP3002 107
13.4 GrafhscDatenausgabe 109
13.5 Präzises Computer-Digitalvoltme....110

14 Temperaturmessung mit ADC....114

14.1 NTC-Thermometer 116
14.2 Hardware- und Softwarekalibrierung....118

15 Optische Sensoren.... 120

15.1 Elektronisch sehen: der Fototransistori....121
15.2 Test des Fototransistors....121
15.3 Aus Dunkel wird Hell: die Notbeleuchtung 123
15.4 Nicht nur für Fotografen wichtig: das Fotometeil...... 124

15.5 Roboter lernen sehen: Ob jektdetektion .....127
15.6 Nützlich beim Einparken: optische Abstandsmessung 130

16 Magnet sensore 132

16.1 Hall-Sensor oder Reed-Relais? 132
16.2 Ein digitales Magnetometer 133
16.3 Magnetische Waage 136

17 Ansteuerung der vierstelligen Sieben-Segment-Anzeige mit dem Pi....138

17.1 Die vierstige Sieben-Segment-Anzeige 138
17.2 Das 4x7-Sement-LED-Display....139
17.3 Anschluss des Displays an den Raspberry Pi....141
17.4 Ansteuerung der 4x7-Segment-LED-Anzeige....144
17.5 Schnelligkeit und Echtzeit 148
17.6 Digitaluhr.... 149
17.7 Digitales Thermome 150
17.8 Das Digitalthermometer als Stand-alone-Gerät 153

18 Energie sparen mit dem Pi-Server.... 156
18.1 Raspberry Pi mit Handy-Solarlader 157
19 Wenn es nicht gleich klappt: Fehlersuche 158
20 Literatur und Internetlinks 159

1 DAS AUFBAUSYSTEM

Die folgende Abbildung zeigt das Grundelement aller Schaltungen: das Steckboard. Es besteht aus einer Kunststoffplatte mit eingebauten Metallfedern.

Abbildung 1.1: Lötfreies Steckboard

Das Hauptsteckfeld besteht aus zwei Reihen mit jeweils 23 Metallfedern. Die Metallfedern haben jeweils fünf Löcher für die Aufnahme von Bauteildrähten. Bauteileanschlüsse, die in eines dieser fünf Aufnahmelöcher gesteckt werden, sind leitend miteinander verbunden (siehe die schwarzen Linien in der Abbildung).

Daneben gibt es zwei Busschienen, die über die gesamte Länge des Steckboards miteinander verbunden sind. Sie dienen normalerweise als

Stromversorgungsschienen, können aber auch für allgemeine Zwecke verwendet werden.

Derartige Steckboards werden in der Elektronikindustrie auch zur Schaltungsentwicklung eingesetzt. Bei sachgerechtem Gebrauch erreichen sie eine hohe Lebensdauer.

Achtung

Dünne Anschlussdrähte können beim Einstecken leicht umbiegen! Die Bauelementdrähte müssen immer genau senkrecht in die Löcher des Steckboards eing esetzt werden.

10+

Abbildung 1.2: Bauelemente einsetzen

Insbesondere wenn die Steckboards noch neu sind, kann das Einstecken der Drähte einigen Kraftaufwand erfordern. Dann ist es günstig, eine stärkere Pinzette oder eine Flachzange zu benutzen. Ideal ist es, wenn die Spitze des Werkzeugs mit Gummischlauch oder Klebeband überzogen wird, da dann die Bauteile geschont werden und das Werkzeug einen besseren Griff hat.

Tipp: Löcher des Stechboards weiten

In einigen Fällenkann es günstig sein, die Kontok tfedern mit einer Stecknadel etwas zu weiten. Allerdings sollte man dabei bedachtsam vorgehen, da eine zu starke Aufweitung zu Kontaktproblemen führenkann.

Um elektrische Verbindungen zwischen dem Raspberry Pi und dem Steckboard herzustellen, verwendet man sogenannte Jumper-Kabel, die in mehreren Versionen erhältlich sind. Für den Raspberry Pi ist der sogenannte Male-Female-Typ erforderlich. Diese Kabel weisen am einen Ende Buchsen, am anderen Ende dagegen Steckstifte auf. Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für ein solches Kabel

Abbildung 1.3: Jumper-Kabel

Die Buchsen passen exakt auf die Pins des Raspberry Pi, die Steckstifte dageg en können sehr gut in das Steckboard gesteckt werden.

Die einzelnen Adern dieser Jumper-Kabel können bei Bedarf leicht vonei nanderg etrennt werden. Dadurch sind sie sehr fl exibel einsetzbar.

2 DIE STROM- VERSORGUNG

Elektronische Schaltungen müssen mit Spannung versorgt werden. Im vorliegenden Lernpaket soll hierfür überwiegend die Spannungsversorgung eines Raspberry Pi zum Einsatz kommen.

Die folgende Abbildung zeigt, wie dazu die beiden Busschienen des Steckboards mit dem Raspberry Pi verbunden werden müssen. Beim Aufbau von Schaltungen mit dem Raspberry Pi sollte man mit größter Sorgfalt vorgehen.

Schaltungsfehler können schnell zur Zerstörung des Controllerchips auf dem Raspberry Pi führen, und dies würde bedeuten, dass der gesamte Raspberry Pi wertlos wird, da sich Reparaturen kaum lohnen.

Konventionsgemäß verwendet man für positive Spannungen ein rotes, für negative ein schwarzes oder blaues Kabel. Es ist sinnvoll, sich gleich von Beginn an an diese Farbgebung zu halten. Am besten trennt man also zwei Leitungen an mit den entsprechenden Farben vom Jumperkabelband ab und baut damit die Stromversorgung auf.

Wichtig:

Besonders die hier verwendete Spannung von 5 V darf keinesfalls mit anderen Pins auf der Steckerleiste in Verbindung kommen. Die Eingänge des Controllers dürfen nur mit maximal 3,3 V angesteuert werden. Kommen sie mit 5 V in Berührung, werden sie überlastet. Dies kann wiederum zur Zerstörung des gesamten Raspberry Pi führen

Der Raspberry Pi selbst wird über die Mikro-USB-Buchse (in der Abbildung mit „Power“ bezeichnet) mit Strom versorgt. Als Netzteil eignet sich praktisch jedes moderne Handy-Ladegerät mit Mikro-USB-Buchse. Diese Ladegeräte können auch einzeln in vielen Variationen gekauft werden. Man sollte jedoch darauf achten, dass das Gerät in der Lage ist, mindestens einen Strom von 2 Ampere zu liefern. Zwar kommen ältere

Versionen des Raspberry Pi auch mit geringeren Leistungen aus, ab Version 3 werden allerdings tatsächlich die vollen 2 Ampere benötigt.

X 1 5 10 15 20 A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X 10 15 20 Y GPIO Video-Out Audio OK PUR FDX LNK LOM USB 2x Raspberry Pi Model B (R2) http://www.racbbmys.org Power HDMI CSI (CAMERA) STARTER

Abbildung 2.1:

Versorgung des

Steckboards mit 5 V

3 DIE ELEKTRO- NISCHEN BAU- ELEMENTE

Bevor man mit dem Experimentieren beginnt, sollte man sich mit den einzelnen Bauelementen vertraut machen und ihre korrekte Funktion überprüfen. Die für einige Komponenten gezeigten Testschaltungen können auch später verwendet werden, um einzelne Bauelemente zu testen, sollte Unklarheit über ihre Funktionsfähigkeit bestehen.

Im Folgenden werden lediglich die wichtigsten Funktionen und Eigenschaften der einzelnen Standardbauelemente kurz beschrieben. Weitere Details zu Funktionsweise und Anwendung fi nden sich in späteren Kapiteln, in denen näher auf jedes einzelne Sensorelement eingegangen wird.

3.1 | Drahtbrücken

Zur Verbindung der Bauelemente benötigt man sogenannte Drahtbrücken. Hierfür werden vom beiliegenden Schaltdraht Stücke entsprechender Längen abgeschnitten. Danach sind die Enden von der Isolation zu befreien. Dies geht am einfachsten mit einem Seitenschneider. Notfalls kann man aber auch ein scharfes Messer benutzen. Dabei rollt man das Drahtstück unter der Messerklinge, bis die Isolation, nicht aber der Draht, durchtrennt ist. Dann kann man die Isolation einfach abziehen.

Abbildung 3.1: Abisolieren von Drähten mit einem Messer

Drahtbrücken werden im Schaltbild als einfache Linien dargestellt. Wichtig zu beachten ist, dass sich kreuzende Linien nur elektrisch verbunden sind, wenn ein zusätzlicher Punkt sie markiert.

Abbildung 3.2: Leitungskreuzungen

3.2 | Widerstände

Widerstände sind die einfachsten Bauelemente der Elektronik. Sie sind ungepolt und recht robust. Die Widerstandswerte werden durch Farbringe codiert. Für Widerstände mit 5 % Toleranz werden vier Farbringe verwendet. Drei geben den Widerstandswert an, der vierte für die Toleranz von 5 % ist goldfarben. Für Exemplare mit 1 % Toleranz sind fünf Farbringe erforderlich, hier gibt der braune fünfte Ring die Toleranz von 1 % an. Der fünfte Ring für die Toleranz wird in der Tabelle nicht mit aufgeführt. Den Ring für die Toleranzangabe erkennt man daran, dass er etwas breiter ist als die anderen. Diesem Lernpaket liegen folgende zwölf Widerstandswerte (entweder jeweils mit 5 % oder mit 1 % Toleranz) bei:

Anzahl	Wert	Farbring kombination für 5 % Toleranz	Farbring kombination für 1 % Toleranz
8 150 Ohm Braun-Grün-Braun Braun-Grün-Schwarz-Schwarz
4	1 kUhm	Braun-Schwarz-Rot	Braun-Schwarz-Schwarz-Braun
2 10 kOhm Braun-Schwarz-Orange			Braun-Schwarz-Schwarz-Rot
2	100 kOhm	Braun-Schwarz-Gelb	Braun-Schwarz-Schwarz-Orange

21 MOhm Braun-Schwarz-Grün Braun-Schwarz-Schwarz-Gelb

3

Abbildung 3.3: Widerstände

Es empfi ehlt sich, die Anschlussdrähte der Widerstände mit einem Seitenschneider etwas zu kürzen. Dann sollte man sie so biegen, wie in obiger Abbildung gezeigt, d. h., die Drähte werden so umgebogen, dass beim Einstecken drei Löcher unter dem Widerstand frei bleiben. Bei Bedarf können die Drahtenden etwas zusammen- oder auseinandergebogen werden, sodass im Steckboard nur zwei oder aber vier Löcher unter dem Widerstand frei bleiben. Zu stark oder zu oft sollten die Drähte aber nicht gebogen werden, da sie sonst brechen könnten.

Abbildung 3.4: Schaltbild eines Widerstands

1 R1 1kΩ

Abbildung 3.5: Widerstand in einem Steckboard

X 1 5 10 15 20 A B C D E F G H J J 1 5 10 15 20 Y

3.3 | LEDs

Der allererste Hinweis ist wichtig, da seine Nichtbeachtung leid er immer wieder zur unbeabsichtigten Zerstörung von LEDs führt:

Wichtig:

Licht emittierende Dioden (LEDs oder Leuchtdioden) dürfen niemals direkt an die Stromversorgung angeschlossen werden.

Bei de md iie kten Anschluss a n5 V ist immer mindestens e in Widersstand von 150 Ohm vorzuschalten, damit der Diodenstrom auf einen zulässig en Wert begrenzt wird!

Die Kathode der LED ist durch eine Abfladung am Kunststoffgehäuse gekennzeichnet. Außerdem ist meist der Anschlussdraht für die Kathode etwas kürzer. Beide Merkmale sind allerdings nicht immer sehr zuverlässig oder eindeutig. Falls eine Schaltung nicht korrekt funktioniert, ist es immer eine gute Idee, die Polung der LEDs zu prüfen.

Bei den kleinen LEDs im 3-mm-Gehäuse sollte man die Anschlussdrähte nicht zu stark verbiegen, da sie mechanisch nicht so belastbar sind wie die großen 5-mm-LEDs.

Die beiden Bauteile mit denglasklaren Gehäusen werden im nächsten Kapitel als weiße LED bzw. als Fototransistor identifiziert.

Abbildung 3.6: Leuchtdioden

3

Abbildung 3.7: Schaltbild einer LED

LED1

Abbildung 3.8: Auf- baubild einer LED

3.4 | Der erste Stromkreis

Mit einem Widerstand und einer LED kann man die erste Schaltung aufbauen. Der positive Pol der Spannungsversorgung wird über die obere Busschiene mit einem 1-kOhm-Widerstand (Kiloohm) (Farbcode: Braun-Schwarz-Rot) verbunden. Danach folgt die LED (auf die Polung achten!), die dann über die untere Busschiene mit dem Minuspol der Spannung verbunden wird. Ist alles richtig gesteckt, kann der Raspberry Pi über ein Mikro-USB-Kabel mit Spannung versorgt werden. Die LED sollte nun leuchten.

Jetzt können nacheinander alle LEDs überprüft werden. Auch der Foto-transistor kann bereits als solcher erkannt werden – im Gegensatz zur weißen LED strahlt er kein Licht aus, egal, wie herum er gepolt ist.

Die folgende Abbildung zeigt anhand eines Aufbaubilds, wie zwei LEDs auch parallel betrieben werden können.

Danach folgt das zugehörige Schaltbild. In einem Schaltbild wird der Aufbau lediglich in einer etwas abstrakteren Form wiedergegeben

+ 5 V X 1 5 10 15 20 A B C D E F G H I J Y GND

Abbildung 3.9: Paralleler Betrieb von zwei LEDs

1k LED 1k LED -

3.5 | Kondensatoren

Kondensatoren sind ebenfalls recht robuste Bauelemente. Die einfachen Kondensatoren sind ungepolt. Vorsicht ist aber bei den Elektrolytkonden-

Abbildung 3.10: Schaltbild zum vorhergehenden Aufbau

3

satoren („Elkos“) geboten. Hier ist unbedingt auf die richtige Polung zu achten, da sie bei einer Verpolung zerstört werden können. Die Elkos tragen daher immer eine entsprechende Kennzeichnung. Im Paket sind die folgenden Werte enthalten:

Anzahl Wert Beschriftung

1	10 nF	103 oder 10 n
	100 nF 104 oder 100	n
	10 mF, 16 V	10 oder 10 F
1	100 mF, 16 V	100 oder 100 F

104Z 100n 25V ΩZ 10Ω

Abbildung 3.11: Kondensatoren

Abbildung 3.12: Schaltbild des Kondensators

2 1 C1 100nF

Abbildung 3.13: Kondensator im Aufbaubild

Abbildung 3.14: Elkos

C1 1μF

Abbildung 3.15: Schaltbild eines Elkos

Abbildung .316: Elko im Aufbaubild

3

3.6 | Das Potenziometer

Das Potenziometer (oder kurz „Poti“) ist ein einstellbarer Widerstand. Es besteht aus einer Widerstandsbahn mit zwei Anschlüssen auf denen mittels eines Schleifkontakts verschiedene Widerstände stufenlos eingestellt werden können. Dieser Schleifer darf nicht direkt mit einer Spannung verbunden werden, da bei Einstellung sehr kleiner Widerstandswerte hohe Ströme fließen könnten die die dünne Widerstandsschicht des Potis zerstören würden.

Abbildung 3.17: Potenziometer

2 1 3

Abbildung 3.18: Schaltbild zum Potenziometer

Abbildung 3.19: Potenziometer im Aufbaubild

TURN ON YOUR CREATIVITY

FRANZIS RASPBERRY PI MAKER KIT SENSOREN

Was für den Menschen die Sinne sind, das sind die Sensoren für den Raspberry Pi. Ob Roboter, Alarmanlage oder Messgerät, ohne die Einbindung von analogen oder digitalen Sensoren kommen Sie in Ihren Projekten nicht weit. Wie Sie Sensoren richtig an den Raspberry Pi anschließen und programmieren, erfahren Sie in diesem Lernpaket: Bei den 63 enthaltenen Bauteilen sind auch gleich sechs Sensoren dabei. Mit dem herunterladbaren Quellcode und den Schaltplänen können Sie die beschriebenen Projekte sofort selbst aufbauen.

PROJEKTE:

• Alarmmelder
  • Temperaturmessung
  • Temperaturplotter
• Hygrometer
  • Computer-Digitalvoltmeter
• Notbeleuchtung
• Fotometer
• Objektdetektion
  • Optische Abstandsmessung
• Magnetometer
  • Magnetische Waage
  • Digital-Uhr
  • Digitales Thermometer

Feuchtesensor 10nF Anapierg R 3 ModelRat 2 6 Repturn P 25-5 Power HDMI Audio ETECENT

Dokumentation der Projekte mit übersichtlichen Aufbaubildern

Elektronische Zusammenhänge werden mit ausführlicher Beschreibung und Diagrammen erklärt.

Zusätzlich erforderlich: Raspberry Pi mit 40 GPIO-Pins