7.8    Testprojekt: Chamäleonkuppel
Das letzte Projekt in diesem Kapitel ist eine Kuppel, die ihre Farbe an die Oberfläche anpasst, auf der sie liegt.
Dazu verwenden wir den Farbsensor und geben die gemessene Farbe mit einer RGB-LED wieder.
Wenn Sie die Elektronik in ein ansprechendes Gehäuse verpacken, wirkt das Gerät sehr eindrucksvoll.

Chamäleonkuppel leuctet in verschiedenen Farben

7.8.1    Lernziele
Im Projekt »Chamäleonkuppel« lernen Sie Folgendes:
 - Ein Gerät bauen, das seine Farbe wie ein Chamäleon an die Umgebunganpasst
 - Beliebige Farben mit einer RGB-LED anzeigen
 - Weißes Rauschen durch gleitende Mittelwerte herausfiltern
 - Eingangswerte mithilfe einer Übergangsfunktion Ausgabewerten zuordnen

7.8.2 RGB-LEDs
Eine RGB-LED (siehe Abb. 7-23) sieht zwar aus wie eine einzelne LED, vereint unter der Haube aber drei LEDs.
Durch die Mischung von Rot, Grün und Blau kann sie jede beliebige Farbe anzeigen.
Das menschliche Auge verfügt nur über Rezeptoren für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau.
Aus diesem Grund werden diese Farben auch bei Fernsehern und anderen Anzeigegeräten benutzt.
Eine Besonderheit (oder ein Fehler) des menschlichen Auges besteht darin, dass es Kombinationen von Frequenzen als eine andere Frequenz wahrnimmt.
Das bedeutet, dass Sie rotes und grünes Licht mischen können, um gelbes Licht zu erzeugen.


Eine RGB-LED verfügt normalerweise über vier Anschlüsse, nämlich einen für jede Grundfarbe (Rot, Grün, Blau) und einen gemeinsamen Kontakt.

Anders als Sie vielleicht erwarten, ist der gemeinsame Kontakt bei vielen RGB-LEDs positiv, also eine sogenannte gemeinsame Anode.
Daher müssen Sie einen Farbanschluss (Rot, Grün, Blau) auf LOW setzen (0 V oder Masse), damit die entsprechende Farbe erscheint.

LEDs mit gemeinsamer Kathode
Bei einer RGB-LED mit gemeinsamer Kathode (negativer gemeinsamer Kontakt) müssen Sie sowohl die Schaltung als auch den Code ändern.
Bei der Schaltung müssen Sie den gemeinsamen Kontakt mit Masse verbinden statt mit +5,0 V.
Im Code müssen Sie auf die Umkehrung der Farbintensität (255-Farbe) in analogWrite( ) verzichten.
Beispielsweise muss es statt analogWrite (redPin, 255-red) dann analogWrite(redPin, red) heißen.

Woran können Sie erkennen, welcher Anschluss zu welcher Farbe gehört und welcher die gemeinsame Anode darstellt?

Die Kontakte einer RGB-LED identifizieren
Die Identität der Anschlüsse können Sie durch Probieren ermitteln.
   Schalten Sie den Arduino ein, indem Sie ihn über USB mit einer Stromquelle verbinden.
Da Sie nur den +5-V- und den Masseanschluss (GND) verwenden, spielt es keine Rolle, welcher Code auf dem Arduino ausgeführt wird.

Wir verwenden hier eine 5,0V LED.
Wenn Sie nur LEDs für geringere Spannungen haben, können Sie für den Farbtest den +3,3V Anschluss verwenden und bei der eigentlichen Schaltung einen Widerstand einbauen.

Schließen Sie am Arduino ein rotes Kabel an +5,0V und ein schwarzes Kabel an Masse an.

Verbinden Sie die beiden Kabel mit zwei beliebigen benachbarten Anschlüssen der RGB-LED.
Probieren Sie nacheinander alle Paare von benachbarten Kontakten aus, bis die LED leuchtet.
Probieren Sie dann einige andere Kombinationen von Kontakten aus, bis Sie es schaffen, das rote, das grüne und das blaue Element der RGB-LED getrennt voneinander zum Leuchten zu bringen.
Dazu muss ein Kontakt ständig mit dem roten +5,0V-Kabel verbunden sein (die gemeinsame Anode), während Sie die anderen drei nacheinander an das schwarze Massekabel anschließen.
Sollten Sie feststellen, dass der Anschluss für die gemeinsame Anode länger ist als die anderen, können Sie diese Tatsache nutzen, um sie später einfacher wiederzufinden.
Anderenfalls markieren Sie den Anschluss der gemeinsamen Anode mit einem Stück Klebeband oder beschriften ihn
(z. B. mit A für Anode, + für positiv oder was immer für Sie die beste Gedächtnisstütze ist).

Falls Sie einen Kontakt immer mit dem schwarzen GND-Kabel verbinden und die anderen nacheinander an das rote +5-V-Kabel anschließen müssen, haben Sie es mit einer LED mit gemeinsamer Kathode zu tun.
Lesen Sie in diesem Fall den Kasten »LEDs mit gemeinsamer Kathode« weiter vorn.
Kennzeichnen Sie die restlichen Anschlüsse mit Bezeichnungen für die zugehörige Farbe (R, G oder B).

7.8.3    Code und Schaltung für RGB-LEDs am Arduino



Abb. 7-24    Anschluss der RGB-LED an den Arduino


// hellorgb.ino - Mischt Farben mit der RGB-LED
// (c) BotBook.com - Karvinen, Karvinen, Valtokari

const int redPin=11;    // 1  Wie viele andere RGB-LEDs ....
const int greenPin=10;
const int bluePin=9;

void setup()
{
pinMode(redPin, OUTPUT);
pinMode(greenPin, OUTPUT);
pinMode(bluePin, OUTPUT);
}void loop()
{
setColor(255, 0, 0);   // 2  Um die RGB-LED aufleuchten ....
delay(1000);

setColor(255, 255, 255);
delay(1000);
}

void setColor(int red, int green, int blue)
{
analogWrite(redPin, 255-red);    // 3  Da der Pin auf LOW gesetzt ...
analogWrite(greenPin, 255-green);
analogWrite(bluePin, 255-blue);
}


Listing 7-10 hellorgb.ino
// 1   Wie viele andere RGB-LEDs hat auch die hier verwendete einen gemeinsamen positiven Anschluss.
Das bedeutet, dass die Datenpins auf LOW oder 0 V gesetzt werden müssen, um die zugehörige Einzel-LED zum Leuchten zu bringen.

// 2    Um die RGB-LED aufleuchten zu lassen, rufen Sie setCol or () mit der gewünschten Farbe auf.
Die Parameter sind die R-, G- und B-Anteile, die jeweils einen Wert von 0 (kein Anteil) bis 255 (Maximum) aufweisen können.

// 3    Da der Pin auf LOW gesetzt werden muss, um die zugehörige Farbe aufleuchten zu lassen, müssen wir hier umgekehrt vorgehen, als man normalerweise denken würde.
Wenn beispielsweise redPi n den Wert HIGH hat (255), dann ist die rote LED ausgeschaltet.
Ist der Pin dagegen LOW (0), dann leuchtet die rote LED mit maximaler Helligkeit.



7.8.4    Gleitender Mittelwert

Mit einem sanften Farbübergang wirkt die Chamäleonkuppel viel besser, als wenn sie willkürlich von einer Farbe zur anderen wechseln würde.
Dies ist jedoch eine der Gefahren bei der Arbeit mit Sensoren:
Es kann vorkommen, dass ein Sensor die Farbe Rot einen Augenblick lang für Grün hält.
Rauschen ist bei jeder Messung ein Problem, und Sensoren bilden dabei keine Ausnahme.
Stellen Sie sich vor, Sie messen die Höhe eines kleinen Baumes.
Um Fehler möglichst auszuschließen, führen Sie mehrere Messungen durch.
Dabei erhalten Sie folgende Werte:
102 cm, 100 cm, 180 cm, 103 cm, 105 cm
Wahrscheinlich werden Sie die 180 cm sofort als Schreibfehler verwerfen.
Zum Glück kann ein Computer das auch.
Die Vorgehensweise, die einem dafür als Erstes einfällt, besteht darin, die Werte in einem Array zu speichern und dann bei jedem Durchlauf den Durchschnittswert der Elemente in dem Array zu berechnen.
Das würde zwar funktionieren, doch würde das sehr viel Code für eine so einfache Aufgabe erfordern:
Sie bräuchten ein Array, einen Zeiger, einen Durchschnitt und einige Berechnungen bei jedem Durchlauf.
Hier kommen uns gleitende Mittelwerte zu Hilfe!
Sie können den Durchschnitt des aktuellen und des vorherigen Werts berechnen, um eine gewisse Glättung zu erreichen.
Um dabei mehr Datenpunkte betrachten zu können, ohne auf eine Tabelle zurückgreifen zu müssen, können Sie einen gewichteten gleitenden Mittelwert verwenden.
Dabei könnten Sie ein Gewicht von 70 % auf den neuen Eingang legen, sodass 30 % auf die älteren Werte entfallen.

input = 0.7*input + 0.3*old
old = input

Da der alte Wert (old) aus den älteren Datenpunkten hervorgeht, brauchen Sie kein Array.



7.8.5    Beliebige Farben mit RGB-LEDs erzeugen    PWM
Um eine ganze Palette von Farben zu erzeugen, müssen Sie Rot, Grün und Blau in verschiedenen Anteilen mischen.
Wenn Sie alle drei Einzel-LEDs auf volle Helligkeit setzen, ergibt sich fast weißes Licht.
Setzen Sie alle auf minimale Helligkeit, bleibt es dunkel.
Eine LED kann nicht richtig gedimmt werden. Wenn Sie die Spannung senken, nimmt die Helligkeit zwar ab, aber irgendwann ist der Punkt erreicht, an dem die LED einfach ausgeht (und zwar deutlich bevor 0 V erreicht sind).
Um dieses Problem zu umgehen, setzt der Arduino eine Pulsbreitenmodulation (PBM = PWM in englisch) ein.
Damit es so aussieht, als würde eine LED mit 10% Helligkeit leuchten, wird die PBM mit einem Tastverhältnis von 10% durchgeführt.
Das heißt, dass der Arduino die LED 10% der Zeit eingeschaltet lässt und 90% der Zeit ausgeschaltet.
Da die LED dabei aber sehr schnell ein- und ausgeschaltet wird (jeder Zyklus dauert nur 2 Millisekunden oder 2000 Mikrosekunden), ist kein Flackern zu erkennen.
Bei einem Tastverhältnis von 10% schaltet der Arduino die LED für 200 Mikrosekunden ein und lässt sie dann 1800 Mikrosekunden lang ausgeschaltet, woraufhin der Zyklus erneut beginnt.
Um diese Einzelheiten müssen Sie sich im Code jedoch nicht kümmern.
Sie tun einfach so, als würden Sie für die verschiedenen Helligkeitsstufen einfach einen entsprechenden Wert für die Spannung (zwischen 0 und 255) anlegen.
Da der gemeinsame Kontakt HIGH ist und die einzelnen LEDs jeweils am hellsten leuchten, wenn der zugehörige Anschluss auf LOW gesetzt wird, erhalten Sie beispielsweise ein strahlendes Rot mit

analogWrite (redPin , 0)

Für alle Helligkeiten zwischen Minimum und Maximum ziehen wir den Wert für die jeweilige Farbe von 255 ab:

analogWrite(redPin, 255-r)

Um ein Gefühl für die Grundfarben zu bekommen, schauen Sie sich Tabelle 7-1 an.
Tab. 7-1    Pinwerte für Farben bei einer RGB-LED

Damit können Sie alle Regenbogenfarben erzeugen. Experimentieren Sie einfach mit der Mischung von Rot, Grün und Blau!


7.8.6 Eingänge in Ausgänge umwandeln
Wenn Eingang und Ausgang unterschiedliche Arten von Werten annehmen, muss der Code eine Konvertierung zwischen diesen Werten vornehmen.
Im einfachsten Fall ist der Ausgang einfach das Produkt aus dem Eingang und einer Zahl.
Die Konvertierung besteht also aus einer Multiplikation.
Beispielsweise hat die Arduino-Funktion analogRead( ) einen Wertebereich von 0 bis 1023, anallogWrite( ) dagegen einen Definitionsbereich von 0 bis 255.
Um zwischen diesen Bereichen umzurechnen, müssen Sie zunächst ermitteln, welchen prozentualen Anteil p des maximalen Eingangswerts der gegebene Eingangswert in darstellt:

p = in/1023

Der entsprechende Ausgangswert beträgt dann p % des maximalen Ausgangswerts:
out = p*255

Die Arduino-Bibliothek bietet sogar eine Hilfsfunktion für diese Berechnung:
out = map(in, 0, 1023, 0, 255)


Tabelle 7-2 zeigt einige Beispiele für solche linearen Konvertierungen.
Tab. 7-2    Lineare Zuordnung vom Eingang zum Ausgang mit map( )

Manche Ausgänge können allerdings nicht gut mit linear ansteigenden Eingängen umgehen.
In solchen Fällen müssen Sie eine Übergangsfunktion anwenden.
Die RGB-LED in diesem Projekt ist ein gutes Beispiel für einen solchen Ausgang.
Die Farbmischung der RGB-LED findet meistens im Bereich niedriger Werte statt.
Nahe der Obergrenze der Ausgangswerte erscheint das Licht weiß, und die einzelnen Farben lassen sich kaum unterscheiden.
Eine Übergangsfunktion ordnet die Eingänge den Ausgängen auf nicht lineare Weise zu.
Für eine RGB-LED eignet sich dafür eine Exponentialfunktion.
Anderenfalls würden die meisten Werte nur helles, weißes Licht statt Mischfarben wie Orange oder Violett hervorrufen.
Als Erstes müssen Sie den Eingang als Prozentwert ausdrücken:

p = in/1023

Berechnen Sie daraus nun einen nicht linearen Ausgang.
Der untere und der obere Grenzwert, 0 und 255, bilden immer noch die Grenzen für den Bereich der möglichen Werte.
Für die Chamäleonkuppel verwenden wir eine Exponentialfunktion als Übergangsfunktion:

out = 255 * p hoch 4

Da der Prozentwert p maximal 1,0 (100 %) beträgt, bleibt die Potenz p hoch 4 stets zwischen 0,0 (0 %) und 1,0 (100 %).
Der Verlauf der Exponentialfunktion hat die klassische »Hockeyschläger-Form«.


Beispielwerte sehen Sie in Tabelle 7-3.
Tab. 7-3    Exponentialfunktion als Übergangsfunktion


Übergangsfunktionen werden auch bei Animationen verwendet.
Wenn sich Objekte bewegen und dann anhalten, wird die Geschwindigkeit anhand einer solchen Funktion erhöht und verringert.


7.8.7 Code für eine Kombination aus RGB-LED und Farbsensor

Quelle:
O'REILLY - Making Things Talk  Seite 197

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ENDE