Arduino-Projekte: Praktische Schaltungen für Ihr Gewerbe (2024)

Lorenz Steinke

Das Herzstück jeder Arduino-Platine ist ein sogenannter Mikrocontroller. Hierbei handelt es sich um einen Chip, der speziell für die Steuerung von technischen Geräten entwickelt wurde. Er ist ein enger Verwandter des Mikroprozessors, verfügt aber zusätzlich über einige Ein- und Ausgabeanschlüsse. Diese sind als Löt- oder Steckkontakte an den Platinenrand ausgeführt. Über diese Kontakte können Sie mit dem Arduino andere Baugruppen oder technische Geräte ansteuern und überwachen.

Der Arduino ist somit kein kompletter Minicomputer, wie etwa der bekannte Raspberry PI. Dadurch ist der Arduino aber auch deutlich günstiger, sodass Sie viele Schaltungen bereits mit Materialkosten von unter zehn Euro realisieren können.

Über seine Anschlüsse kann der Arduino beispielsweise Licht- oder Bewegungssensoren auswerten und in Abhängigkeit von deren Messwerten andere Geräte starten, einpegeln oder wieder ausschalten.

Misst etwa ein angeschlossener Temperaturfühler „0 Grad Celsius“ im Raum, schickt der Arduino – bei entsprechender Programmierung – ein Startsignal an die angeschlossene Infrarot-Heizung. Bemerkt der Ultraschall-Sensor des autonomen Transportroboters ein Hindernis in Laufrichtung, gibt der Arduino einen Ausweichbefehl an die Roboter-Beine.

Über Schaltrelais und sogenannte Schütze kann der Arduino grundsätzlich sogar Netzanschlüsse auf 230- oder 400-Volt-Ebene schalten – anschließen sollte eine solche Schaltung aber natürlich nur eine Elektrofachkraft.

Selbst Mehrfach- und bedingte Abfragen sind per Arduino-Logik machbar, etwa für die Gebäudesteuerung. Diese öffnet nur dann ein Oberlicht, wenn die gemessene Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit zu hoch sind, aber der Regensensor zeitgleich keinen Regen meldet.

Praktisch: Die Schaltanschlüsse des Arduino-Boards können Sie per Lötkontakt oder über standardisierte Verbinder (sogenannte Dupont-Stecker) mit anderen Geräten verbinden. Sie können damit sehr schnell Prototyp-Schaltungen aufbauen und ebenso schnell auch wieder umstecken. Dafür gibt es sogar spezielle Prototyp-Steckbretter (sogenannte Breadboards). So können Sie Ihre Schaltungen ausgiebig testen, bevor Sie diese in die Fertigung geben oder sich Platinen dafür ätzen lassen.

Sie programmieren Ihre Arduino-Projekte mit der kostenlos bereitgestellten Programmierumgebung Arduino Software (IDE) für Windows, MacOS oder Linux: Sie übertragen einfach das selbst geschriebene oder aus dem Internet heruntergeladene Arduino-Programm mittels USB-Anschluss auf den Arduino – schon nimmt die Schaltung ihre Arbeit auf.

Den Arduino individuell zu programmieren, gelingt mit einer funktionsreduzierten Variante von C++, die einige wesentliche Elemente aus C aufgreift. Die kostenlose Arduino-Programmieroberfläche ist bewusst einfach und einsteigerfreundlich gehalten. Seit Ende 2022 ist sie auch in Version 2.0 für 64-Bit-Betriebssysteme freigegeben. Die Neuerung enthält zahlreiche Detailverbesserungen und auch einen neuen Compiler, der Ihre Programme (Sketches) schneller in Maschinensprache umwandelt sowie eine überarbeitete Suchfunktion.

Business-Projekte mit Arduino

Einige besonders praktische Businessprojekte haben wir hier für Sie zusammengestellt, von einsteigerfreundlich bis anspruchsvoll:

• Digitale Uhr (Einsteiger)

• Türschloss mit Fingerabdrucksensor (Einsteiger)

• Abstandswarner für Förderfahrzeuge (Einsteiger)

• Grünanlagen bewässern per Arduino (Fortgeschrittene)

• Betriebsgebäude automatisieren per KNX (Fortgeschrittene)

• LiDAR für Schaufensterbeleuchtung oder Präsentationen (Fortgeschrittene)

• CNC-Fräse mit Arduino-Steuerung (Experten-Niveau)

• Sonnenausrichtung für Photovoltaik-Anlage (Experten-Niveau)

• 3D-Drucker selber bauen (Experten-Niveau)

Ein weiteres Beispiel ist die illuminierte Schaufensterdekoration, die ihre Helligkeit ans Umgebungslicht anpasst; aber nur dann ihr Licht aktiviert, wenn auch Personen vor dem Schaufenster stehen. Auch Anwendungen für das Internet of Things (IoT) sind dank entsprechender Arduino-Kommunikationsmodule für GSM und WiFi (WLAN) möglich.

Der Arduino als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) für Industriemaschinen

Speziell für den industriellen Einsatz finden Sie im Handel die Steuerungsmodule der Controllino-Baureihe. Diese basieren auf denselben Mikrocontrollern wie die Arduino-Bords, werden aber in geschlossenen Gehäusen speziell für die Hutschienenmontage im Schaltschrank ausgeliefert. Alle nach außen geführten Pins sind kurzschlusssicher ausgeführt und laut Herstellerangaben (Stand: März 2023) bis 8.000 Volt ESD-abgesichert. Die verschiedenen Controllino-Boards verfügen intern über eigene Spannungsteiler und können daher direkt 12- oder 24-Volt-Systeme ansteuern.

Der Arduino als praktisches Ausbildungswerkzeug

Der Arduino ist nicht nur ideal für das Prototyping, oder um sehr einfach und schnell Steuerungen und Regler für Ihr Business zu bauen. Er ist auch ein wertvolles Hilfsmittel für Aus- und Fortbildungen.

Sie möchten beispielsweise Ihren Auszubildenden oder Trainees die Grundlagen der Regelungstechnik aufzeigen, ihnen das Programmieren von Schaltungen praktisch vermitteln oder bei sich selbst und Ihren Mitarbeiter:innen Wissenslücken schließen?

Mit einem der vielen Arduino-Starterpakete aus dem Fachhandel bekommen Sie alles, was Sie für den praktischen Unterricht benötigen. Tipp: Wenn Sie oder Ihre Auszubildenden häufiger mit dem Arduino arbeiten, sollten Sie einen Lötkolben für die feste Verdrahtung und ein einfaches Multimeter zum Durchtesten der Schaltungen erwerben.

Viele fertige Sketches für den Arduino finden Sie im Internet-Forum des Herstellers unter forum.arduino.cc oder auf Plattformen wie Github.com.

Tipp: Wenn Ihre Auszubildenden noch nie programmiert haben, können Sie Ihnen den Einstieg mit der Programmier-Oberfläche Ardublock erleichtern. Diese installieren Sie einfach über Ihre Arduino-IDE. Ardublock stellt Prozeduren, Schleifen und bedingte Anweisungen als grafische Objekte dar, die Sie mit der Maus zusammenklicken. Das funktioniert ähnlich wie bei den an Schulen beliebten Programmiersprachen Snap! und Scratch.

Die nachfolgenden Kapitel mit Arduino-Projekten sind nach Schwierigkeitsgrad geordnet. Mit den ersten drei Schaltungen sammeln Sie oder Ihre Auszubildenden grundlegende Praxiserfahrungen, falls Sie bisher noch gar nicht mit dem Arduino gearbeitet haben.

Digitale Uhr (Einsteiger)

Ein Arduino als Digitaluhr ist ein beliebtes Einsteigerprojekt für Ihre Auszubildenden. Damit lernen sie die Grundlagen der Arduino-Welt kennen. Hierfür benötigen Sie neben dem eigentlichen Arduino noch ein „Real-Time-Clock-Modul“ mit einem hochgenauen Quarz zum Takten Ihrer Uhr sowie eine Siebensegment-Anzeige oder ein I2C-Display, um die Uhrzeit dann auch anzuzeigen.

Außerdem ist ein kleines USB-Netzteil praktisch, damit Ihre Schaltung auch dann weiterläuft, wenn Sie sie nach dem Programmieren von der USB-Stromversorgung Ihres Computers trennen. Tipp: Über die bei vielen Arduinos verbaute Buchse für 5,5mm/2,1mm-Hohlstecker können Sie auch viele andere Netzteile mit zwischen 7 Volt und 12 Volt Gleichspannung anschließen.

Wie für jedes Arduino-Projekt brauchen Sie natürlich noch ein paar Kabel mit Dupont-Steckern sowie ein Breadboard, auf dem Sie Ihre Schaltung aufbauen. Entsprechende Schaltpläne finden Sie in einschlägigen Foren oder mithilfe der Google-Suche.

Unser Tipp hierzu: Viele Komponenten für den Arduino gibt es bereits als fertige Steck-Module oder als sogenannte Shields, die pinkompatibel zum Arduino Uno sind. Das bedeutet: Sie stecken solche Shields einfach oben auf Ihren Arduino auf und schon sind alle Pins von Arduino und Shield verbunden. So müssen Sie diese Erweiterungskomponenten nicht verkabeln.

Im Handel finden Sie beispielsweise für Ihre Uhr einen passenden Display-Shield unter dem Namen „Display LCD-Kit“. Dieser hat sogar zusätzliche Taster an Bord, die Sie zum Programmieren und Stellen der Uhr nutzen können.

Dann müssen Sie in Ihrer IDE nur noch die entsprechenden Libraries (Funktionsbibliotheken) für die Ansteuerung der Arduino-Komponenten installieren. In diesem Fall sind dies „RTClib“ für den Quarz-Baustein und eine Display-Library für das von Ihnen gewählte Anzeigemodul. Für eine TM1637-Siebensegment-Anzeige brauchen Sie beispielsweise die gleichnamige Library „TM1637“. Sie finden beide Libraries über die Bibliotheksverwaltung der IDE, die Sie über das Sketch-Menü aufrufen.

Auch fertige Arduino-Sketeches für eine Digital-Uhr finden Sie im Internet. Diese öffnen Sie einfach in Ihrer IDE und übertragen sie dann per USB-Kabel auf Ihren Arduino. Der Mikrocontroller startet sofort jedes an den Arduino übertragene Programm und führt es solange in Dauerschleife aus, wie sie den Arduino mit Strom versorgen.

Türschloss mit Fingerabdrucksensor (Einsteiger)

Mit einem Arduino, einem Fingerabdrucksensor und einem Automatikschloss können Sie sehr einfach Werkstatt- und Lagerräume, Hallentore oder Schlüsselschränke sichern.

Passende Fingerabdrucksensoren für den Arduino finden Sie im Zubehörhandel. Suchen Sie nach Begriffen wie „Optical Fingerprint Reader Sensor Module“ oder „Capacitive Fingerprint Sensor“. Servomotoren zum Bewegen von Riegeln sowie Magnetschlösser mit 5 Volt Versorgungsspannung gibt es dort ebenfalls.

Kleine Verbraucher wie Magnetschlösser und Servos können Sie direkt über den Arduino mit Strom versorgen und schalten. Für größere Schlösser oder motorische Türschließer brauchen Sie hingegen ein Schaltrelais oder ein Schütz. Der Arduino schaltet dann über einen seiner Digitalausgänge das zugehörige Relais. Auch hier gilt: Arbeiten auf Netzspannungsebene sollte nur eine Elektrofachkraft ausführen.

Praktisch: Viele Hallentore können Sie per Arduino ansteuern. In der Regel verfügen Torsteuerungen mit Endlagenerkennung über mindestens einen potenzialfreien Schaltausgang, den Sie per Relais schließen und öffnen, um das Tor auf- oder abwärts fahren zu lassen. Die benötigten Schaltzeiten entnehmen Sie der jeweiligen Bedienungsanleitung. Tipp: Falls das Tor beim Schalten anhält, die Richtung wechselt oder gar nicht reagiert, müssen Sie wahrscheinlich die Dauer des Schaltsignals anpassen.

Übrigens: Für den Arduino gibt es auch RFID-Funkschlüsselanhänger als Alternative zum Fingerabdrucksensor. Oder Sie schalten das Schloss per Funk mittels „Near Field Communication” (NFC). Dann können Sie Ihr Smartphone mit aktivierter NFC-Funktion als Schlüssel verwenden.

Entsprechende Bauanleitungen gibt es für dieses Projekt im Internet. Eine beliebte Arduino-Library für Funkschlüsselempfänger heißt „MFRC522“. Für verschiedene Typen von Fingerabdrucksensoren empfiehlt sich die „Adafruit Fingerprint Sensor Library“. Die NFC-Bibliothek finden Sie mit dem Stichwort „PN532“. Falls Sie einen Servomotor anstelle eines Magnetschlosses oder Schließkontaktes verwenden, benötigen Sie außerdem noch eine „Servo“-Bibliothek.

Grünanlagen bewässern per Arduino (Fortgeschrittene)

Sie möchten die Grünanlagen vor Ihrem Firmengebäude regelmäßig automatisch bewässern? Auf Webseiten wie arduino-garten.de finden Sie nützliche Arduino-Projekte für diesen Zweck. Per Automatik-Steuerung können Sie aber auch Ihre Pflanzen im Büro mit Licht und Wasser versorgen – beispielsweise, wenn Sie mal auf Dienstreise oder im Urlaub sind.

Sensoren messen dabei sowohl den Wassergehalt im Substrat als auch die vorhandene Lichtstärke. Ist beides zu niedrig, schaltet Ihr Arduino-Projekt bedarfsgerecht die Bewässerung oder das Licht an. So ein Projekt lässt sich sowohl für eine einzelne Pflanze als auch für mehrere Töpfe gleichzeitig umsetzen.

Betriebsgebäude automatisieren per KNX (Fortgeschrittene)

Im sogenannten Smart Building, dem intelligenten Gebäude, funktionieren mittlerweile viele Sensoren und Aktoren über den einheitlichen Datenstandard KNX. Plattformen wie das KNiXuino-Forum im Internet liefern Ihnen Tipps und Tutorials, wie Sie die KNX-Welt mit Ihrem Arduino verknüpfen und welche Hardware, Libraries und Programme Sie dafür benötigen.

Haben Sie Ihr Arduino-Projekt erst einmal umgesetzt, können Sie viele Ihrer Gebäudefunktionen automatisieren – von der Überwachung mit Kameras bis zur Licht-, Heizungs- und Lüftungssteuerung.

Sogar digitale Stromzähler, sogenannte Smartmeter, können Sie mit einem Arduino und einem Infrarot-Lesekopf automatisiert auslesen. Das ist praktisch, um beispielsweise Ihren aktuellen Stromverbrauch abzufragen oder größere Verbraucher dann zu aktivieren, wenn Ihre PV-Anlage gerade viel Energie einspeist.

LiDAR für Schaufensterbeleuchtung oder Präsentationen (Fortgeschrittene)

In vielen modernen Autos sind sie bereits verbaut: LiDAR-Sensoren, die ähnlich einem Radar oder einem Sonar permanent den Abstand zu allen Objekten in der Umgebung ausmessen. Die Abkürzung LiDAR steht für „Light Detection and Ranging“ und beschreibt eine rotierende Laserlichtquelle, deren Reflexionen von einem Empfänger gemessen und in Entfernungen umgerechnet werden. Ein solcher LiDAR-Laser hat die Schutzklasse 1 und kann daher unter üblichen Bedingungen ohne Schutzbrille betrieben werden.

Auch für den Arduino gibt es inzwischen kompakte LiDAR-Sensoren wie etwa den RPLIDAR A1 von Slamtec. Mit einem solchen Sensor können Sie einen praktischen Annäherungssensor für Ihre Schaufenster oder für Präsentationssysteme auf Messen bauen. Der Arduino erkennt, wenn sich Personen nähern und schaltet beispielsweise das Licht ein oder startet eine Präsentation.

Auf Videoplattformen wie YouTube finden Sie zahlreiche Videoanleitungen, wie Sie selber einen LiDAR-Sensor mit Ihrem Arduino kombinieren. Über Ihr IoT können Sie den Arduino mit anderen Systemen intelligent verbinden und sogar digitale Telegramme an andere Geräte senden, wenn Personen in der Nähe sind. Das funktioniert beispielsweise per WLAN, Bluetooth oder Mobilfunk. Für all diese Kommunikationsstandards finden Sie passende Arduino-Shields im Handel.

Ganz gleich, wo Sie sich aufhalten: Mit Narrowband-IoT und LTE-M gelingt Maschinenkommunikation auch unter schwierigen Bedingungen. Und das bei besonders geringem Stromverbrauch und somit langen Akkulaufzeiten.

• Narrowband-IoT sorgt für beste M2M-Netzabdeckung
• Über LTE-M lassen sich auch Sprachdaten übertragen
• Auch in Kellern oder entlegenen Gebieten einsetzbar

Sie suchen besonders anspruchsvolle Arduino-Projekte, die schon deutlich mehr Erfahrung voraussetzen? Oder Sie möchten die Auszubildenden mit einer komplexen Aufgabe fordern? Auch dafür gibt es die passenden Ideen in der Arduino-Welt.

CNC-Fräse mit Arduino-Steuerung (Experten-Niveau)

Moderne CNC-Fräsen mit 3D- oder 4D-Ansteuerung kommen in immer mehr Betrieben zum Einsatz. Hierfür bietet der Fachhandel fertige Steuerungssätze, beispielsweise Sinumerik von Siemens oder Systeme von Okuma und Famic. Auch der Arduino-Hersteller selbst hat mit Portenta Machine Control mittlerweile eine Maschinensteuerung nach Industriestandard im Programm.

Daneben gibt es auch viele CNC-Selbstbauprojekte mit Arduino-Boards als Steuerzentrale. Eine solche Bauanleitung finden Sie beispielsweise im CNC-Blog unter precifast.de.

Sehr beliebt für den Selbstbau ist die Software GRBL. Sie ist aus einem Open Source Projekt hervorgegangen, kann G-Code verarbeiten und diesen direkt in Steuerbefehle für die CNC-Endstufen übersetzen. Sie finden GRBL im Programmierforum Github.com.

Sonnenausrichtung für Photovoltaik-Anlage (Experten-Niveau)

Viele Unternehmen nutzen die Kraft der Sonne, sparen dadurch Energiekosten und wirtschaften zugleich nachhaltiger. Bei Photovoltaik-Anlagen für Flachdächer, wie sie beispielsweise auf vielen Gewerbehallen vorkommen, können Sie die Energieausbeute mit einer motorischen Nachführung der Solarpaneele noch einmal erheblich steigern. Denn damit haben Ihre Module immer den perfekten Neigungsgrad zur Sonne.

Dabei haben Sie zwei Möglichkeiten, wie Sie die Paneele im Tagesverlauf auf die Sonne ausrichten. Sie können beispielsweise in Ihrem Arduino eine Tabelle abspeichern, die für jeden Tag und jede Stunde des Jahres die relative Position der Sonne an Ihrem Standort kennt.

Oder Sie schließen an den Arduino ein kleines bewegliches Minisolarpanel an, das Sie so lange rotieren lassen, bis es die aktuell beste Lichtausbeute gefunden hat. Diese ideale Stellung zur Sonne übermitteln Sie dann an die Stellmotoren Ihrer großen Solarpaneele.

Größere Stellmotoren können Sie beispielsweise über einen Frequenzumrichter in Bewegung setzen, den Sie wiederum mit Ihrem Arduino ansteuern.

3D-Drucker selber bauen (Experten-Niveau)

3D-Druck in der Industrie ist auf dem Vormarsch. Auch kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) profitieren zunehmend von den Möglichkeiten der neuen Technologie: so zum Beispoiel von der einfachen Herstellung von Prototypen; und von der Möglichkeit, auch Formen mit Hinterschneidungen zu konstruieren, die per Spritzguss nicht machbar sind.

Viele Hersteller verbauen in ihren 3D-Druckern Arduinos als Gerätesteuerung. Auch für Selbstbauprojekte für KMU ist der kleine Platinen-Mikrocontroller die ideale Basis.

Im Internet gibt es viele Anleitungen zum Selbstbau von eigenen 3D-Druckern. Mit einem solchen selbstkonstruierten 3D-Drucker können Sie dann Ihre individuellen 3D-Druck-Projekte realisieren.

Sie wollen beispielsweise einen 3D-Drucker für Überformate haben, den Sie im Handel nicht finden? Oder Sie benötigen für den mobilen Einsatz auf der Baustelle oder bei Ihren Kund:innen vor Ort einen 3D-Drucker, der Ihnen eine SMS sendet, sobald er mit seinem jeweiligen Druckauftrag fertig ist? Mit einem Arduino mit GSM-Modul ist das kein Problem.

In unserem aktuellen Whitepaper zum Thema „Smart Factory” erfahren Sie unter anderem, wie die intelligente Fabrik von morgen arbeitet, welche Rolle 5G dabei spielt und wie Sie Ihre Wettbewerbsfähigkeit durch mehr Effizienz und vernetzte Produktion auf ein neues Level heben können.

• Aktuelle Studien
• Beispiele zur Daten-Monetarisierung
• Infos zu Campus-Netzen

Den Arduino gibt es in unterschiedlichen Größen und Ausstattungen. Die laut Hersteller meistverkaufte und beliebteste Standardausführung ist der Arduino Uno. Damit können Sie die meisten Arduino-Projekte problemlos realisieren.

Brauchen Sie hingegen mehr Programmspeicher oder mehr Aus- und Eingänge zum Ansteuern, sind Sie mit dem größeren Bruder des Uno gut bedient, dem Arduino Mega. Die Platine ist um die Hälfte größer und hat 54 digitale Ein-/Ausgabepins. Für besonders kompakte Steuerungen ist der Arduino Nano die passende Wahl: Er ist nur 45 mal 18 Millimeter groß und passt damit auch in kleinste Bauräume.

Sie möchten per WLAN, Bluetooth oder Ethernet mit anderen Geräten kommunizieren? Auch dafür gibt es passende Arduino-Modelle wie den Uno WiFi und den Uno Ethernet. Außerdem finden Sie im Handel Shields zum Nachrüsten beispielsweise von Funk- oder Mobilfunk-Verbindungen für Ihren Arduino Uno.

Der ESP 32 als Arduino-Alternative

Alternativ können Sie für viele Projekte anstelle des beliebten Arduino auch den etwas leistungsfähigeren ESP32-Mikrocontroller verwenden. Der ESP32 gehört zwar nicht zur Arduino-Familie. Sie können ihn aber genauso über die Arduino-IDE programmieren und finden im Handel sogar ESP32-Platinen im bewährten Uno-Format, die WLAN, Bluetooth und Ethernet direkt an Bord haben.

Allerdings müssen Sie für den ESP32 Ihre Arduino-Sketches etwas anpassen und auch andere Libraries speziell für ESP32-Controller einbinden. Außerdem brauchen Sie je nach Betriebssystem noch passende Treiber für den Seriellen Port, die Sie unter dem Stichwort „CH340/341 Chip“ im Internet finden.

• Der Arduino ist ein preisgünstiger und vielseitiger Mikrocontroller.

• Sein reichhaltiges Zubehör macht den Arduino auch für viele Anwendungen in der Industrie interessant.

• Die Einsteiger-Pakete sind ideal, um beispielsweise Auszubildende und Trainees mit der Mikrocontroller-Technik vertraut zu machen.

• Der Controllino ist eine speicherprogrammierbare Steuerung auf Arduino-Basis für den Einsatz in Industriemaschinen.

• Den Arduino gibt es in verschiedenen Bauformen, passend für viele gewerbliche Anwendungen, beispielsweise mit integriertem Mobilfunkmodul und Bluetooth für die Gerätevernetzung oder mit schnellem 32-Bit-Mikrocontroller.

Lorenz Steinke