Der Arduino UNO insbesondere in der Revision 3 und seine Eigenschaften muss nicht vorgestellt werden. Auch diese Webseite bietet einige Informationen und nutzt ihn für Projekte der TG. Dank seines OpenSource-Designs fand er zahllose „Zwillinge“, was die Verbreitung der Mikrocontroller-Technik und der Stimulation von praktischer Erfahrung und Kompetenz in diesem Bereich gefördert hat. Die Übernahme des grundlegenden Designs und der Betriebsspannung für das Nachfolgemodell UNO R4 lässt sich gut begründen (Übernahme des Shieldformats, scheinbar einfache und gefahrlose Übernahme / Anpassung von Unterrichtsmaterialien etc.).
Unter den Überschriften
- „Schneller, stärker, drahtloser: Der Vergleich von Arduino UNO R4 WiFi und R3“ im Draeger-it.blog.
- „Der neue Einsteiger-Arduino mit geheimer Superkraft“ auf Golem.de
- „Leistungssprung: Arduino UNO R4 jetzt mit 32-Bit-MCU“ auf der Elektronikpraxis.de
- „Arduino >>Uno R4<< mit oder ohne Wi-Fi“ auf Elektroniknet.de
stellen diverse Webseiten die neuen Boardvarianten des Arduino UNO R4 vor. Knapp und mit etwas Diskussion werden die neuen Fähigkeiten ins Rampenlicht gerückt. Für tiefergehende Informationen ein Blick auf die zur Einführung der Boards bereitgestellten Webseiten auf Arduino.cc
Die Hardwarebeschreibung des Arduino UNO R4 lässt die neue 12×8-LED-Matrix ebenso wie das ESP32-S3-Mini-N8-Modul als auffälligen Unterschied zur Vorgängervariante erkennen. Das ESP32-Modul holt WiFi und Bluetooth auf das Board. Die LED-Matrix ergänzt die mit PIN13 assoziierte LED. Das Format der LED-Matrix entspricht dem aus der Biologie bekannten Format der Mikrotiterplatten. Ebenfalls vorhanden ist eine Echtzeituhr, deren Betrieb nur noch auf den Anschluss einer Spannungsquelle wartet. Chemische und biologische Reaktionen besitzen typische Zeitprofile, deren Erfassung nun mit noch geringerem Zusatzaufwand möglich wird. Die mit 14 Bit nun deutlich höhere Auflösung der Analogeingänge sowie die Integration eine Operationsverstärkers versprechen einen wesentlich besseren Zugang auch zu geringen Potenzialen.
Die an die Technik-Garage ausgelieferten Exemplare des UNO R4 verfügten über eine Kunststoffschale, die mechanisch mit einer einfachen Klick-Verbindung unter der Platine befestigt war. Im Kurskontext ein sinnvoller Schutz gegen Kurzschlüsse.
Über die neuen „inneren Werte“ mit höherer Taktung, mehr Speicher etc informieren die oben verlinkten Webseiten sowie das auf der Arduino-Webseite verfügbare Datenblatt. Ein Detail fällt nicht sofort auf, ist jedoch in der Übungs- und Experimentierpraxis bedeutend. Die maximale Strombelastbarkeit der Digitalpins wurde mehr als halbiert. Vorsicht ist somit bei der unüberlegten Übernahme von Beispielschaltungen geboten. Standardaufbauten können schnell zum Tod der Eingänge führen, obwohl diese doch weiterhin mit einer Spannung von 5 V belastet werden dürfen.
Experiment zur Demonstration der Problematik
Material:
- LED 5 mm rot
- LED 5 mm blau
- Widerstände 220 Ω
- Widerstände 330 Ω
- Widerstände 1 kΩ
- Diverse Steckbrücken
- Steckbrett
- Spannungsversorgungsmodul für das Steckbrett
- Voltmeter
- Amperemeter
Bestimmung des maximal fließenden Stroms in einem für den UNO R3 typischen Beispiel. Ein UNO soll eine LED mittels digitalem, auf „Output“ konfiguriertem Modus blinken lassen. (Entspricht dem Blink-Tutorial auf Arduino.cc). Da wir das neue Board nicht unmittelbar zerstören wollen, dient das Spannungsversorgungsmodul in seiner 5 V-Konfiguration als Ersatz für die 5 V des Digitalausgangs.
Der Aufbau wurde entnommen und angepasst aus dem Versuch zur „Aufnahme der Diodenkennlinie“ aus der Webseite Leifiphysik.de und mit den Daten der „Kennlinien von Leuchtdioden“ auf der gleichen Webseite. Versuchsergebnisse und Theorie entsprechen einander. Über die LED fällt in Abhängigkeit der verwendeten LED-Farbe und etwas variierend mit Hersteller immer etwa die gleiche Spannung ab. Bei der roten LED sind es zwischen 1,8 und 2,0 V, für die blaue LED sind es etwa 3,3 V. Über den Vorwiderstand der roten LED müssen demzufolge 5,0 V – 2,0 V = 3 V sein. Den fließenden Strom begrenzt die Höhe des Vorwiderstandes. Bei einem Vorwiderstand von 220 Ω lässt sich der durch I = U / R = 3 V / 220 Ω =13,6 mA. Der den Digitalpin des UNO R4 ist jedoch nur ein maximaler Strom von 8 mA zugelassen, also 150% Überlast durch den Aufbau des Blink-Tutorials, wenn eine externe, rote LED verwendet wird.
Überlegungen zum Auflösungsunterschied der Analogeingänge und Folgen für bisherige Sketche
Beim Messen analoger Spannungen mit den Pins A0 bis A5 mit dem UNO R3 ergaben sich – bedingt durch die 10-Bit-Auflösung – der analogen Eingänge stets Integerwerte von 0 für 0V bis 1023 für 5V. Die maximale Auflösung der analogen Eingänge des UNO R4 beträgt 14 Bit. Die Anzahl der Stufen für die Auflösung des Spannungssignals beträgt nun 16384. Daraus folgen Integerzahlen als Äquivalent für die gemessene Spannung von 0 bis 16383.
Ausblick
Für die Verwendung in Kursen ergeben sich durch neue Möglichkeiten der Hardware definitiv neue Aspekte für die Verwendung des UNO. Möglichkeiten mittels Anbindung einer Powerbank über WiFi potenzialfrei messen zu können ergaben sich schon mit dem ESP32. Auch eine Echtzeituhr bildet für sich genommen im Vergleich zu anderen Boards kein ko-Argument, ist sie doch auch dort zum Teil vorhanden. In Kombination mit der für den Arduino UNO und der bereits vorhandenen Infrastruktur von Sensoren und Code ergibt sich eine sehr starke Position für das neue Board. Wer mit diversen ESP32-Modulen und dem Breadboard-Format oder der schier unübersichtlichen Vielfalt der Pinbelegungen gekämpft hat, weiß um die Nachteile dieser sehr guten, schnellen Familie und wird darum die mit dem bekannten Arduino-UNO-Format erzielbaren Lernfortschrittsgewinne zu schätzen wissen.