Gewusst wie: Arduino-Klon fuer ca. 10 Euro

Im Folgenden will ich beschreiben, wie ich einen Arduino-Klon zum Preis von unter zehn Euro gebaut habe. Das Original kostet rund 26 Euro und ist damit deutlich teurer. Will man beispielsweise seinen Arduino fest verbauen lohnt es sich daher einen Nachbau zu erstellen. So viel sei an dieser Stelle allerdings angemerkt: Qualitativ kommt der Nachbau noch lange nicht an das Original heran – allerdings verrichtet er seinen Job genauso zuverlaessig und darauf kommt es ja schlussendlich an.

Vorab mal ein Bild von meinem Nachbau, dass man sich darunter auch etwas vorstellen kann. Damit faellt es euch bestimmt leichter zu entscheiden, ob ihr damit was anfangen koennt.

View at Picasa Programmierbar und funktionsfaehig – mein erster Arduino Klon.07-Aug-2011 12:03, Htc HTC Desire, 4.31mm

Die Planung

Gut, beginnen wir also mit der Planung unseres Arduino-Klons. Da es sich beim Arduino Uno um Open Source handelt, kann der Originalschaltplan im Internet nachgelesen werden. An diesem kann man sich gut orientieren, was wir im Folgenden auch machen werden.

Um den Nachbau nicht allzu teuer werden zu lassen, verzichten wir auf den Einbau des USB-Aufsatzes. Damit der Arduino-Klon trotzdem programmierbar bleibt, richten wir eine Schnittstelle ein. Ueber diese Schnittstelle koennen wir den Arduino-Klon neu programmieren. Dazu benoetigen wir allerdings ein sogenanntes FTDI Basic Breakout Board – 5V, welches von Sparkfun produziert wird. Der Vorteil davon ist, dass der Arduino-Klon keine Bauteile fuer die USB-Verbindung braucht und dadurch billiger wird. Das Breakout Board hingegen wird nur einmal benoetigt – auch wenn mehrere der Arduino-Klone erstellt werden.

Weiterhin benoetigen wir selbstverstaendlich die Einzelteile:

• 1x ATMEGA 328P mit Optiboot (*), erhaeltlich beispielsweise hier
• 1x FTDI Basic Breakout – 5V, erhaeltich beispielsweise hier
• 1x Spannungsgleichrichter 7805; Reichelt ID: µA 7805
• 2x 10uF Elkos (in meinem Layout: 2.5mm Beinabstand)
• 3x 100nF Keramik-Kondensatoren (in meinem Layout: 2.5mm Beinabstand)
• 2x 22pF Keramik-Kondensatoren (in meinem Layout: 2.5mm Beinabstand)
• 1x Power-Jack
• 1x Kurzhubtaster
• 1x 10k Widerstand
• 1x DIP 28 Sockel
• 1x 16 MHz Crystal
• 2x 8er-Pin-Header weiblich
• 1x 6er-Pin-Header weiblich
• 1x 5er-Pin-Header weiblich
• 1x 6er-Pin-Header maennlich
• 2x LEDs 5mm, moeglichst die Variante waehlen, die wenig Strom verbraucht
• 2x passenden Vorwiderstand fuer die LEDs
• 1x Epoxyd Platine, einfach beschichtet, ohne Fotolack (**); Reichelt-ID: EPCU 160X100
• Natriumpersulfat zum Aetzen der Platine (***); Reichelt ID: ÄTZMITTEL 600G

(*) theoretisch sind auch ATMEGA 328P ohne aufgespieltes Optiboot denkbar, allerdings muss der Bootloader dann selbst aufgespielt werden.
(**) ich benutze zum Erstellen der Platine immer die Direkt-Toner-Methode und brauche deswegen Platinen ohne Fotolack. Solltet ihr eine andere Methode benutzen, kann die benoetigte Platine hier abweichen.
(***) Natriumpersulfat wird ebenfalls in der Direkt-Toner-Methode verwendet. Bei anderen Verfahren kann auch das Aetzmittel abweichen.

Im Anschluss daran gilt es eine Platine zu entwerfen. Ich benutze Eagle von Cadsoft. Es gilt nun zunaechst schematisch darzustellen, wie die Schaltung auszusehen hat.
Dies habe ich in folgender Darstellung umgesetzt. Vergleicht man das mit dem oben genannten Originalschaltplan des Unos, so finden sich groesse Uebereinstimmungen. Dies ist gewollt so, da wir uns ja auch am Original orientieren wollen.

Schaltplan des Arduino-Klons View at Picasa Schaltplan des Arduino-Klons

Vielleicht diskutieren wir an der Stelle einige Eckpunkte des Schaltplans. Die Kondensatoren C1 und C2 sind zwingend notwendig, da sie fuer den externen Quarz gebaucht werden. Nicht unbedingt notwendig hingegen sind die Kondensatoren C4, C5, C6 und C7. Allerdings dienen sie dazu den 7805er bei grossen Lastwechseln zu stabilisieren. Deswegen sollten sie verbaut werden. Mehr dazu findet sich auch im Datenblatt zum 7805-Baustein. Der Kondensator C3 dient dem Auto-Reset des Arduino-Klons. Wird er nicht verbaut, so muss bei jedem Ueberschreiben des Mikroprozessors manuell der Reset-Knopf gedrueckt werden. Da das wohl nervig werden duerfte, sollte auch er verbaut werden. Der Rest des Schaltplans sollte soweit verstaendlich sein. Falls nicht koennt ihr mich gerne in den Kommentaren fragen. ;)

Anschliessend gilt es ein geeignetes Platinenlayout zu finden. Meine Version davon sieht so aus:

View at Picasa

Wichtig dabei ist, dass die Positionen der Pin-Leisten nicht mit denen des Uno uebereinstimmen, d.h. insbesondere koennen keine Shields benutzt werden. Solltet ihr auf Shields angewiesen sein bzw. euren Arduino dafuer konzipieren, dann muesst ihr die Pin-Leisten entsprechend anders positionieren. Denkt dann auch daran, dass die Kondensatoren dann flach gelegt werden sollten und auch die Pins relativ hoch sein muessen. In meinem Entwurf ist all das nicht vorgesehen. Meine Version zielt darauf ab moeglichst kompakt zu sein, deswegen habe ich auch die manuell zu erstellenden Verbindungen (dargestellt in rot) in Kauf genommen. Wenn es bei euch nicht auf die Groesse des Arduino-Klons ankommt, dann laesst sich sicherlich auch eine Variante finden, in der keine Verbindungen von Hand gemacht werden muessen, sondern alle auf der Platine selbst Platz finden. Hier sind der Kreativitaet keine Grenzen gesetzt.

Die Umsetzung

Nachdem das Konzept steht, kann die Platine geaetzt werden. Wer das noch nie gemacht hat, den verweise ich gerne auf die Direkt-Toner-Methode, da diese bei mir bisher relativ zuverlaessig und gut funktioniert hat.
Nachdem die Platinen fertig geaetzt worden sind, koennen sie bestueckt werden. Ohne Bauteile sehen sie dann in etwa so aus:

View at Picasa 06-Aug-2011 15:34, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa 06-Aug-2011 15:35, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa 06-Aug-2011 17:25, Htc HTC Desire, 4.31mm
View at Picasa 06-Aug-2011 17:25, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa 06-Aug-2011 20:41, Htc HTC Desire, 4.31mm

Vor dem Bestuecken sollte die Platine sehr genau unter die Lupe genommen werden. Es duerfen keine Verbindungen existieren, die nicht so vorgesehen waren um einen Kurzschluss und damit die Beschaedigung der Bauteile zu verhindern. Deswegen empfiehlt es sich sehr genau hinzusehen und gegebenenfalls auch mit einem Kontaktpruefer nachzupruefen. Dazu eignet sich normalerweise jedes einigermassen moderne Multimeter.

Wichtig bei meinem Entwurf ist, dass die rot markierten Verbindungen per Kabel gemacht werden muessen. Ansonsten kann man nicht viel falsch machen beim Bestuecken. Es gilt darauf zu achten, dass die Elkos richtig herum eingebaut werden, da sie sich sonst mit einem lauten Knall verabschieden. Dies sollte verhindert werden! Also bitte auch die Polaritaet achten.

Das Ergebnis

Ist das Teil fertig erstellt, dann sieht es in etwa so aus:

View at Picasa 08-Aug-2011 12:11, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa 08-Aug-2011 12:11, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa 08-Aug-2011 12:11, Htc HTC Desire, 4.31mm
View at Picasa 08-Aug-2011 12:11, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa Programmierbar und funktionsfaehig – mein erster Arduino Klon.07-Aug-2011 12:03, Htc HTC Desire, 4.31mm	View at Picasa 08-Aug-2011 12:45, Htc HTC Desire, 4.31mm
View at Picasa 08-Aug-2011 12:45, Htc HTC Desire, 4.31mm

Wie ich finde, macht das Teil doch einen ganz ordentlichen Eindruck. Derzeit fehlt ihm noch der Power-Jack-Anschluss sowie drei Kondensatoren C4, C5 und C3, die ich nicht mehr vorraetig hatte. Deswegen funktioniert momentan der Auto-Reset auch noch nicht und die Stromstabilisierung koennte bei hohen Lasten noch zu schwingen beginnen. Ansonsten jedoch klappt alles und der Arduino kann mittels dem FTDI-Breakout-Board bespielt werden. Dabei solltet ihr noch darauf achten, dass ihr beim Bespielen des Arduino-Klons abgesehen von der USB-Stromverbindung keine weitere Stromverbindung angesteckt habt. Im schlimmsten Fall koenntet ihr euch damit den ATMEGA, euer FTDI-Breakout-Board oder euren USB-Anschluss zerschiessen. Alles drei muss nicht sein.

So, damit beende ich den Artikel hier und wuensche euch viel Spass beim Basteln. Gerne koennt ihr mir Fragen stellen oder eure Arduino-Klons in den Kommentaren praesentieren. Wuerde mich freuen zu sehen was bei euch so herausgekommen ist.