Kreativität mit Python und Arduino entfesseln: Ein umfassender Leitfaden

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Viktor Zinchenko

Updated on 6.6.2023

Python und Arduino, wenn sie zusammengebracht werden, bilden eine mächtige Kombination zur Gestaltung und Steuerung elektronischer Projekte. Egal ob Sie ein Hobbyist, ein angehender Tüftler oder ein erfahrener Entwickler sind, das Verständnis dafür, wie diese beiden Elemente zusammenwirken, kann neue Perspektiven für Ihre Projekte eröffnen. Dieser Artikel ist ein umfassender Leitfaden, der Ihnen dabei helfen soll, Ihre Kreativität mit Python und Arduino zu entfesseln.

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Die Verbindung zwischen Arduino und Python

Arduino und Python sind wie zwei Seiten einer Medaille. Während Arduino im Bereich der Hardware hervorragende Leistungen erbringt, hat sich Python als eine leicht zu erlernende, vielseitige Programmiersprache etabliert.

Arduino, ein wichtiger Akteur in der Maker-Bewegung, ermöglicht die Erstellung interaktiver Hardwareprojekte. Seine Hardware enthält grundlegende Schaltkreise, die analoge und digitale Eingänge und Ausgänge umfassen. Python hingegen ist eine höhere, universelle Programmiersprache. Sie ist bekannt für ihre Lesbarkeit und Vielseitigkeit. Diese Kombination bringt das Beste aus beiden Welten zusammen - die Hardwaresteuerung von Arduino und die Benutzerfreundlichkeit von Python.

Um das wahre Potenzial von Python und Arduino zu entfesseln, müssen wir das Firmata-Protokoll verstehen. Das Firmata-Protokoll ist ein Protokoll zur Kommunikation zwischen Mikrocontrollern und einer Software auf einem Computer. Dieses Protokoll spielt eine entscheidende Rolle bei der Steuerung von Sensoren und Schaltern von Arduino durch Python.

Das Firmata-Protokoll: Die Brücke zwischen Python und Arduino

Das Firmata-Protokoll ist der unsungene Held, der es der Arduino-Hardware ermöglicht, nahtlos mit Python zu interagieren. Dieses generische Protokoll ermöglicht die Kommunikation mit Mikrocontrollern von jedem Computer, ohne dass spezieller Code auf den Arduino geladen werden muss.

In unserem Kontext verwenden wir Firmata, um Daten zu schreiben und von den analogen und digitalen Eingängen und Ausgängen des Arduino zu lesen. Dadurch können Sie Sensoren, Schalter und verschiedene andere Hardwarekomponenten mit Python steuern. Werfen wir einen Blick auf ein einfaches Beispiel:

from pyfirmata import Arduino, util
 
board = Arduino('COM3')
 
it = util.Iterator(board)
it.start()
 
analog_0 = board.get_pin('a:0:i') # a = analog, 0 = Pin-Nummer, i = Eingang
analog_0.enable_reporting()
 
while True:
    reading = analog_0.read()
    if reading is not None:
        print(reading)

In diesem Skript lesen wir von einem analogen Pin (a:0:i). Wir verwenden pyfirmata, eine Python-Bibliothek, um mit Arduino zu kommunizieren. Sie müssen die Arduino-IDE installiert haben und Ihr Board angeschlossen haben, um dies auszuführen.

Grundverständnis für Grundkreise in Arduino

Ein grundlegender Bestandteil jedes Arduino-Projekts ist das Verständnis von Grundkreisen. Die Schaltkreise verwenden verschiedene Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, LEDs und Sensoren, um Aufgaben auszuführen. Die Pins des Arduino steuern diese Komponenten.

Lassen Sie uns einen einfachen Schaltkreis erkunden, der eine LED und einen Taster verwendet. Wenn der Taster gedrückt wird, leuchtet die LED auf. Hier ist der Arduino-Code:

const int buttonPin = 2;
const int ledPin = 13;

int buttonState = 0;

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

void loop() {
  buttonState = digitalRead(buttonPin);

  if (buttonState == HIGH) {
    digitalWrite(ledPin, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(ledPin, LOW);
  }
}

Und hier ist der entsprechende Python-Code:

from pyfirmata import Arduino, util
 
board = Arduino('COM3')
 
button_pin = board.get_pin('d:2:i')
led_pin = board.get_pin('d:13:o')
 
it = util.Iterator(board)
it.start()
 
button_pin.enable_reporting()
 
while True:
    if button_pin.read() is True:
        led_pin.write(1)
    else:
        led_pin.write(0)

Das Verständnis, wie die Schaltkreise in der Arduino-Hardware funktionieren, ist entscheidend, um Projekte effizient zu entwerfen. Es verschafft Ihnen die Möglichkeit, neue Ideen zu erkunden und sie in die Realität umzusetzen. Der nächste Abschnitt wird Sie durch den Prozess der Einrichtung Ihrer Arduino-Umgebung für die Python-Programmierung führen.

Einrichten der Arduino-IDE für die Python-Programmierung

Um mit Python und Arduino loszulegen, müssen wir zuerst die Arduino-IDE installieren. Die Arduino-IDE ist die Softwareplattform zum Schreiben und Hochladen von Code auf Arduino-Boards. Obwohl sie normalerweise mit C++ verwendet wird, können wir sie auch mit Python und dem Firmata-Protokoll nutzen.

Nach dem Herunterladen und Installieren der Arduino-IDE von der offiziellen Arduino-Website laden Sie das Firmata-Protokoll auf Ihr Arduino-Board hoch. Öffnen Sie dazu die IDE, gehen Sie zu Datei > Beispiele > Firmata > StandardFirmata und laden Sie dann die Skizze auf Ihr Arduino-Board hoch.

Jetzt, da unser Arduino bereit ist, mit Python zu kommunizieren, müssen wir unsere Python-Umgebung einrichten. Für die Interaktion zwischen Python und Arduino verwenden wir die Bibliothek "pyfirmata", die mit folgendem Befehl installiert werden kann:

pip install pyfirmata

Herzlichen Glückwunsch, Ihr Arduino-Board ist jetzt bereit, Befehle von Python entgegenzunehmen!

Erstellen Ihres ersten Python- und Arduino-Projekts

Sie haben die Grundlagen von Schaltkreisen gelernt, das Firmata-Protokoll verstanden, die Arduino IDE installiert und die Firmata auf Ihrem Arduino hochgeladen. Jetzt ist es an der Zeit, Ihr erstes Arduino-Projekt mit Python zu erstellen!

Die Möglichkeiten mit Python und Arduino sind endlos. Sie könnten einen temperaturgesteuerten Ventilator bauen, ein automatisches Bewässerungssystem für Ihre Pflanzen, einen Roboter oder sogar ein Heimsicherheitssystem.

Beginnen wir mit einem einfachen Projekt - einem Python-Skript, das eine LED einschaltet, wenn eine bestimmte Bedingung erfüllt ist.

Stellen Sie sich vor, Sie möchten eine verbundene LED einschalten, sobald die Temperatur einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Mit Python, Arduino, einem Temperatursensor und einer LED wird dieses Projekt zum Kinderspiel. Hier ist der Python-Code, um dies zu erreichen:

from pyfirmata import Arduino, util
import time
 
board = Arduino('COM3')
 
it = util.Iterator(board)
it.start()
 
temp_sensor = board.get_pin('a:0:i')
led_pin = board.get_pin('d:13:o')
 
temp_sensor.enable_reporting()
 
while True:
    temp = temp_sensor.read()
    if temp is not None and temp > 30:   # wenn die Temperatur über 30 liegt
        led_pin.write(1)   # schalte die LED ein
    else:
        led_pin.write(0)   # schalte die LED aus
    time.sleep(1)

Häufig gestellte Fragen

F1: Kann ich Python für Arduino-Projekte verwenden?

Ja, definitiv! Python in Kombination mit Arduino kann ein leistungsfähiges Werkzeug zum Bauen und Steuern von Hardwareprojekten sein. Es bietet eine Alternative zur herkömmlichen Arduino-Programmierung in C++ und ermöglicht es Ihnen, die Einfachheit und Vielseitigkeit von Python zu nutzen.

F2: Was ist die Rolle des Firmata-Protokolls in Python- und Arduino-Projekten?

Das Firmata-Protokoll ist im Wesentlichen eine Verbindung zwischen der Arduino-Hardware und Python. Es ermöglicht der Arduino-Platine, mit Python zu kommunizieren und ermöglicht es Ihnen, die Ein- und Ausgänge der Platine mit Python-Skripten zu steuern und auszulesen.

F3: Kann Python die Arduino IDE ersetzen?

Nein, Python kann die Arduino IDE nicht ersetzen. Die Arduino IDE wird benötigt, um das Firmata-Protokoll auf die Arduino-Platine hochzuladen, damit Python mit Arduino interagieren kann. Sobald das Firmata-Protokoll jedoch hochgeladen ist, können Sie Python-Skripte schreiben, um die Arduino-Hardware zu steuern.