The Arduino Uno is an open-source microcontroller development system encompassing hardware, an Integrated Development Environment (IDE), and a vast number of libraries. It is supported by an enormous community of programmers, electronic engineers, enthusiasts, and academics. The libraries in particular really smooth Arduino programming and reduce programming time. What’s more, the libraries greatly facilitate testing your programs since most come fully tested and working.
The Raspberry Pi 4 can be used in many applications such as audio and video media devices. It also works in industrial controllers, robotics, games, and in many domestic and commercial applications. The Raspberry Pi 4 also offers Wi-Fi and Bluetooth capability which makes it great for remote and Internet-based control and monitoring applications.
This book is about using both the Raspberry Pi 4 and the Arduino Uno in PID-based automatic control applications. The book starts with basic theory of the control systems and feedback control. Working and tested projects are given for controlling real-life systems using PID controllers. The open-loop step time response, tuning the PID parameters, and the closed-loop time response of the developed systems are discussed together with the block diagrams, circuit diagrams, PID controller algorithms, and the full program listings for both the Raspberry Pi and the Arduino Uno.
The projects given in the book aim to teach the theory and applications of PID controllers and can be modified easily as desired for other applications. The projects given for the Raspberry Pi 4 should work with all other models of Raspberry Pi family.
The book covers the following topics:
Open-loop and closed-loop control systems
Analog and digital sensors
Transfer functions and continuous-time systems
First-order and second-order system time responses
Discrete-time digital systems
Continuous-time PID controllers
Discrete-time PID controllers
ON-OFF temperature control with Raspberry Pi and Arduino Uno
PID-based temperature control with Raspberry Pi and Arduino Uno
PID-based DC motor control with Raspberry Pi and Arduino Uno
PID-based water level control with Raspberry Pi and Arduino Uno
PID-based LED-LDR brightness control with Raspberry Pi and Arduino Uno
Program, build, and master over 50 projects with MicroPython and the RP2040 microprocessor The Raspberry Pi Pico is a high-performance microcontroller module designed especially for physical computing. Microcontrollers differ from single-board computers, like the Raspberry Pi 4, in not having an operating system. The Raspberry Pi Pico can be programmed to run a single task very efficiently within real-time control and monitoring applications requiring speed. The ‘Pico’ as we call it, is based on the fast, efficient, and low-cost dual-core ARM Cortex-M0+ RP2040 microcontroller chip running at up to 133 MHz and sporting 264 KB of SRAM, and 2 MB of Flash memory. Besides its large memory, the Pico has even more attractive features including a vast number of GPIO pins, and popular interface modules like ADC, SPI, I²C, UART, and PWM. To cap it all, the chip offers fast and accurate timing modules, a hardware debug interface, and an internal temperature sensor. The Raspberry Pi Pico is easily programmed using popular high-level languages such as MicroPython and or C/C++. This book is an introduction to using the Raspberry Pi Pico microcontroller in conjunction with the MicroPython programming language. The Thonny development environment (IDE) is used in all the projects described. There are over 50 working and tested projects in the book, covering the following topics: Installing the MicroPython on Raspberry Pi Pico using a Raspberry Pi or a PC Timer interrupts and external interrupts Analogue-to-digital converter (ADC) projects Using the internal temperature sensor and external temperature sensor chips Datalogging projects PWM, UART, I²C, and SPI projects Using Wi-Fi and apps to communicate with smartphones Using Bluetooth and apps to communicate with smartphones Digital-to-analogue converter (DAC) projects All projects given in the book have been fully tested and are working. Only basic programming and electronics experience is required to follow the projects. Brief descriptions, block diagrams, detailed circuit diagrams, and full MicroPython program listings are given for all projects described. Readers can find the program listings on the Elektor web page created to support the book.
Dieses Bundle enthält das Red Pitaya STEMlab 125-14 PRO Gen 2 Starter Kit und das neue Buch "Experimenting with Red Pitaya STEMlab Gen 2".
Das Red Pitaya STEMlab 125-14 PRO Gen 2 Starter Kit ist eine leistungsstarke und flexible Plattform für Signalverarbeitung, Datenerfassung und elektronische Messanwendungen. Dieses Kit wurde für Ingenieure, Entwickler, Forscher und Dozenten konzipiert und bietet alles, was für den Einstieg in die Entwicklung fortschrittlicher Mess- und Steuerungssysteme erforderlich ist.
Das Herzstück des Kits ist das STEMlab 125-14 PRO Gen 2-Board, eine verbesserte und ultraleichte Entwicklungsplatine. Angetrieben vom Xilinx Zynq-7010 SoC mit 512 MB RAM kombiniert es die Programmierbarkeit eines FPGAs mit der Rechenleistung eines ARM-Prozessors, um leistungsstarke Messtechnik und kundenspezifische Signalverarbeitungslösungen zu ermöglichen.
Das Board bietet eine 14-Bit-ADC- und DAC-Auflösung, eine Abtastrate von 125 MS/s, einen Eingangsbereich von ±20 V und eine Bandbreite von bis zu 60 MHz. Dank seines verbesserten rauscharmen analogen Frontends, der USB-C-Konnektivität und des kompakten Designs eignet es sich für anspruchsvolle Anwendungen wie HF-Entwicklung, Radarsysteme, Photonikforschung, Software-Defined Radio (SDR) und industrielle Automatisierung.
Das Starter Kit enthält alles notwendige Zubehör für den sofortigen Einsatz: eine microSD-Karte mit vorinstalliertem Betriebssystem, ein Netzteil, ein Ethernet-Kabel für den Fernzugriff, zwei 100-MHz-Oszilloskop-Messspitzen sowie SMA-zu-BNC-Adapter für flexible Signalanschlüsse.
Das Red Pitaya STEMlab 125-14 PRO Gen 2 Starter Kit ist eine hervorragende Plattform für Rapid Prototyping, FPGA-Entwicklung, Messtechnik und fortgeschrittene Elektronikversuche.
Features
14-Bit-ADC- und DAC-Auflösung
Abtastrate: 125 MS/s
Eingangsspannungsbereich: ±20 V
Bandbreite: Bis zu 60 MHz
Xilinx Zynq-7010 SoC (FPGA + ARM-Prozessor)
512 MB RAM
Rauscharme analoge Front- und Backends
Anwendungen
HF-Entwicklung und -Test
Radar- und drahtlose Systeme
Software Defined Radio (SDR)
Photonik und optische Forschung
Industrielle Automatisierungs- und Steuerungssysteme
Signalanalyse und -instrumentierung
Schnelles Prototyping elektronischer Bauteile Messsysteme
Technische Daten
Prozessor
Dual-Core ARM Cortex-A9
FPGA
AMD Xilinx Zynq-7010 SoC
RAM
512 MB (4 Gb)
Speicher
microSD-Karte (bis zu 32 GB)
Betriebssystem
Linux-basiertes Red Pitaya OS
ADC-Auflösung
14 Bit
DAC Auflösung
14 Bit
Bandbreite
60 MHz (DC)
Abtastrate
125 MS/s
Analoge Eingangskanäle
2
Analoge Ausgangskanäle
2
Eingangsspannungsbereich
±1 V (LV) / ±20 V (HV)
Eingangsimpedanz
1 MΩ / 10 pF
Ausgangsspannungsbereich
±1 V
Ethernet
1x Gigabit Ethernet (RJ45)
USB
2x USB-C 2.0 (für Stromversorgung und Konsole)
Digitale Ein-/Ausgänge
16x GPIO (3,3 V)
Kommunikationsschnittstellen
I²C, SPI, UART, CAN
Stromversorgung
5 V/3 A über USB-C
Abmessungen
106,8 x 60,0 x 17,9 mm
Lieferumfang
1x Red Pitaya STEMlab 125-14 PRO Gen 2 Board
2x 100-MHz-Oszilloskop-Tastköpfe
2x SMA-zu-BNC-Adapter
1x microSD-Karte mit vorinstalliertem Betriebssystem
1x USB-C-Netzteil
1x Ethernet-Kabel
Downloads
Documentation
Schematics
Buch: Experimenting with Red Pitaya STEMlab Gen 2
Mit diesem neuen Buch geht Red Pitaya über ein vielseitiges Board hinaus – es wird zu einem leistungsstarken Laborinstrument für präzise Messungen, Analysen und Steuerungen.
Von den Grundlagen der Entwicklung elektronischer Projekte über Überwachung, Regelung und Design bis hin zu Tests führt Sie dieses Buch Schritt für Schritt durch alles, was Sie wissen müssen, um das volle Potenzial der Red Pitaya-Hardware und -Software auszuschöpfen.
Das Buch stellt Echtzeitprojekte auf FPGA-Basis vor, die auf einem PC mit der Vivado-Umgebung entwickelt und anschließend zur Ausführung und zum Testen auf die Red Pitaya übertragen werden.
Sie lernen mehr über gesteigerte Leistung, erweiterte I/O-Möglichkeiten, verbesserte FPGA-Funktionen sowie fortschrittliche Konnektivitätsoptionen, die neue Möglichkeiten für präzise Messungen, Überwachung und Steuerung in Ihren Embedded-Anwendungen eröffnen.
Im Buch entdecken Sie:
Einen tiefgehenden Einblick in die Red Pitaya-Architektur und das Hardware-Design
Elektronische Experimente mit Red Pitaya für Mess- und Überwachungsanwendungen
Praxisnahe Projekte mit der Programmiersprache Python
Praktische Anleitungen zur FPGA-Programmierung mit Red Pitaya
Red Pitaya FPGA-Projekte mit Verilog HDL in der Vivado IDE
Die praxisorientierte Entwicklung elektronischer Projekte inklusive Messung und Tests
Schritt-für-Schritt-Beispiele, die Theorie und reale Umsetzung miteinander verbinden
Ganz gleich, ob Sie eigene elektronische Schaltungen entwerfen, Werkzeuge zur Signalanalyse entwickeln oder Echtzeit-Steuerungs- und Überwachungssysteme erstellen – dieses Buch vermittelt Ihnen das nötige Wissen und die Sicherheit, um die Red Pitaya-Plattform vollständig zu verstehen und individuell anzupassen.
Projects with Arduino, ESPHome, Home Assistant, and Raspberry Pi & Co.
This e-book contains various example projects, beginning with an introduction to electronics. It also explains how to install Home Assistant on a Raspberry Pi, how to use indoor climate sensors for temperature and humidity, how to implement the MQTT protocol and other interfaces, and how to use ESPHome to integrate sensors and actuators into Home Assistant. Numerous video tutorials complement the book.
Fundamentals of electrical engineering
The book begins with an introduction to electrical engineering. You will learn the basics of voltage, current, resistors, diodes and transistors.
Arduino and microcontrollers
A complete section is dedicated to the Arduino Uno. You will get to know the structure, write your first programs and work on practical examples.
Home Assistant and automation
You will learn how to set up Home Assistant on a Raspberry Pi and how to use automations, scenes and devices. In addition, Zigbee, MQTT and ESP-NOW – important technologies for home automation – will be discussed.
ESP8266, ESP32 and ESP32-CAM
The popular ESP microcontrollers are covered in detail. A theoretical introduction is followed by practical projects that show you how to get the most out of these devices.
Sensors and actuators
The book explains the functionality and application of numerous sensors such as temperature and humidity sensors, motion detectors and RFID readers. For actuators, stepper motors, e-ink displays, servo motors and much more are covered. There are practical application examples for all devices.
ESPHome
This chapter shows you how to integrate sensors and actuators into Home Assistant without any programming effort. You will be guided step by step through the setup with ESPHome.
LEDs and lighting technology
In this chapter, you will learn about different types of LEDs and how they can be used. The basics of lighting technology are also explained.
Node-RED
A whole chapter is dedicated to Node-RED. You will learn the basics of this powerful tool and be guided step by step through its setup and use.
Integrated Circuits (ICs)
In electronics, there are numerous ICs that make our lives easier. You will get to know the most important ones and apply your knowledge in practical projects.
Professional programming
Advanced topics such as the correct use of buttons, the use of interrupts and the use of an NTP server for time synchronisation are covered in detail in this chapter.
Downloads
GitHub
Vom Messwert zur stabilen Entscheidung
Wie wird aus einem einfachen Mikrocontroller ein intelligentes System, das Sensorwerte erfasst, verarbeitet und sinnvoll darauf reagiert? Dieses Buch zeigt es Ihnen Schritt für Schritt – verständlich, praxisnah und ohne unnötige Vorkenntnisse.
Sie beginnen mit den Grundlagen der digitalen und analogen Ein- und Ausgänge. Anschließend lernen Sie, wie Sensorwerte gelesen, geglättet und zuverlässig bewertet werden. Anschauliche Beispiele erklären, warum einzelne Messwerte oft täuschen können und wie Mittelwertbildung, Hysterese und einfache Entscheidungsregeln für stabile Ergebnisse sorgen. Nach und nach erweitern Sie Ihre Projekte um Displays, I²C-Kommunikation und mehrere vernetzte Mikrocontroller. So entstehen verteilte Systeme, in denen Raspberry Pi Pico und ATtiny-Controller Daten austauschen und gemeinsam Aufgaben übernehmen.
Im fortgeschrittenen Teil erhalten Sie einen leicht verständlichen Einstieg in Merkmalsbildung, Datenvorverarbeitung, hybride Entscheidungsmodelle und TinyML-nahe Anwendungen. Dabei verbinden Sie klassische Regelungstechnik mit modernen datenbasierten Methoden.
Alle Projekte werden von ausführlich kommentierten Programmen in C und MicroPython begleitet. Das Buch richtet sich an Einsteiger, Maker, Studierende und alle, die Embedded-Systeme von Grund auf verstehen möchten.
Am Ende können Sie eigene Systeme entwickeln, die nicht nur messen, sondern Informationen auswerten, zuverlässige Entscheidungen treffen und gezielt reagieren.
Open-Source-Code mit Arduino IDE und PlatformIO
Autonomes Fahren: GPS, Accelerometer, Gyroskop
PS3-Controller
Mikrocontroller wie der Arduino und Einplatinenrechner wie der Raspberry Pi haben sich zu beliebten Komponenten entwickelt. Dritter im Bunde ist der ESP32 der Firma Espressif. Mikrocontroller dieser Baureihe zeichnen sich durch eine Vielzahl implementierter Funktionen aus, die bei einem Arduino konventioneller Prägung mit einem Atmel-AVR-Mikrocontroller erst mit weiterer Hardware möglich sind. Prominentes Beispiel sind hier die WiFi- und Bluetooth-Funktionalitäten. Gegenüber einem Raspberry Pi zeichnen sie sich durch einen deutlich geringeren Preis aus.
Allgemeine Informationen für die Realisierung eines Roboterauto-Projekts mit dem ESP32 sind leicht zu finden. Dabei handelt es sich aber oft nur um Ausführungen zu einem Teilaspekt, ohne inhaltliche oder funktionale Abstimmung. So ist nicht nur die Beschaffung der benötigten Informationen mühselig und zeitaufwändig, sie kann auch außerordentlich fehlerträchtig sein.
Ansatzpunkt dieses Buches ist, diese Lücke zu schließen. Es geht auf verschiedene Möglichkeiten eines Chassis ein, vermittelt nötige Kenntnisse und führt schrittweise von einer einfachen Motorsteuerung zu einem komplexen sensor- und sprachgesteuerten Roboterauto. Hacks rund um GPS und eine PlayStation 3 runden die Sache ab.
Inhalt
Bei der Reihenfolge der Kapitel wurde versucht – beginnend bei der Darstellung von grundlegenden Informationen – über die Lösung einfacher Aufgaben zu etwas anspruchsvolleren Techniken zu führen.
Der Mikrocontroller ESP32
Die Software erstellen
Die Stromversorgung
Rund um die Hardware
Das Chassis
Der Gleichstrommotor
Kabellose Steuerung über WiFi
Mit Sensoren Hindernisse erkennen
Eine eigene Roboterauto-App
Servo und Lichtsensor
GPS
Accelerometer / Gyroskop
PS3-Controller
Roboterauto-App
Hinweis zur Software
Die Dateien haben das Suffix (.cpp). Grund ist die Entwicklung mit PlatformIO. Mit Copy & Paste sollten sie auch in der Arduino-IDE verwendet werden können.
Pfiffige Lösungen mit Arduino Pro Mini und ATmega328-Boards
Mit einem einfachen Arduino Pro Mini Board und ein paar weiteren Bauteilen lassen sich heute für wenig Geld Projekte realisieren, die vor 20 oder 30 Jahren noch undenkbar waren oder ein kleines Vermögen gekostet hätten. Von einfachen LED-Effekten bis zur Ladestation – die den Akku auf Herz und Nieren prüft – ist in diesem Buch vieles dabei.
Als Mikrocontroller dient bei allen beschriebenen Projekten der ATmega328, der mit seinen 20 Ein- und Ausgangsleitungen unzählige Möglichkeiten zum Messen, Schalten und Steuern bietet. Mit einem 7-Segment-Display und ein paar Widerständen lässt sich daraus z. B. ein Voltmeter bauen oder mittels NTC ein Thermometer. Die Arduino-Plattform bietet dabei die perfekte Entwicklungsumgebung zum Programmieren der Boards.
Neben den ganz konkreten Projekten soll das Buch aber auch das nötige Wissen vermitteln, um eigene Ideen zu realisieren. Wie misst man was? Welches ist der geeignete Transistor, um verschiedene Verbraucher zu schalten? Wann ist man mit einem IC besser bedient, oder wie schaltet man Netzspannung? Auch batteriebetriebene Projekte mit LilyPad sind ausführlich thematisiert. Ebenso vielerlei Motoren, vom einfachen Gleichstrommotor bis zum Schrittmotor.
Sensoren sind ein weiteres spannendes Thema. Nur zwei Beispiele: Mit einem winzigen Bauteil lässt sich tatsächlich messen, dass der Luftdruck am Fußboden höher ist als auf Tischhöhe. Mit einem simplen Infrarot-Empfänger kann man ausgedienten Fernbedienungen ein zweites Leben schenken und die Wohnung damit steuern.
Dieses Bundle enthält die beliebte Elektor Sanduhr für Raspberry Pi Pico und das neue Elektor Laserkopf-Upgrade und bietet damit noch mehr Möglichkeiten zur Zeitanzeige. Sie können die aktuelle Uhrzeit nicht nur in Sand "gravieren", sondern sie jetzt auch alternativ auf eine im Dunkeln leuchtende Folie schreiben oder grüne Zeichnungen erstellen.
Inhalt des Bundles
Elektor Sanduhr für Raspberry Pi Pico (Einzelpreis: 50 €)
Elektor Laserkopf-Upgrade für Sanduhr (Einzelpreis: 35 €)
Elektor Sanduhr für Raspberry Pi Pico (Raspberry Pi-basierter Eyecatcher)
Eine handelsübliche Sanduhr zeigt nur, wie die Zeit verrinnt. Dagegen zeigt diese Raspberry Pi Pico-gesteuerte Sanduhr die genaue Uhrzeit an, indem die vier Ziffern für Stunde und Minute in die Sandschicht "eingraviert" werden. Nach einer einstellbaren Verzögerung wird der Sand durch zwei Vibrationsmotoren flachgedrückt und der Zyklus beginnt von vorne.
Das Herzstück der Sanduhr sind zwei Servomotoren, die über einen Pantographenmechanismus einen Schreibstift antreiben. Ein dritter Servomotor hebt den Stift auf und ab. Der Sandbehälter ist mit zwei Vibrationsmotoren ausgestattet, um den Sand zu glätten. Der elektronische Teil der Sanduhr besteht aus einem Raspberry Pi Pico und einer RTC/Treiberplatine mit Echtzeituhr, plus Treiberschaltungen für die Servomotoren.
Eine ausführliche Bauanleitung steht zum Download bereit.
Features
Abmessungen: 135 x 110 x 80 mm
Bauzeit: ca. 1,5 bis 2 Stunden
Lieferumfang
3x vorgeschnittene Acrylplatten mit allen mechanischen Teilen
3x Mini-Servomotoren
2x Vibrationsmotoren
1x Raspberry Pi Pico
1x RTC/Treiberplatine mit montierten Teilen
Muttern, Bolzen, Abstandshalter und Drähte für die Baugruppe
Feinkörniger weißer Sand
Elektor Laserkopf-Upgrade für Sanduhr
Der neue Elektor-Laserkopf verwandelt die Elektor Sanduhr in eine Uhr, die die Zeit auf eine im Dunkeln leuchtende Folie statt auf Sand schreibt. Neben der Anzeige der Zeit können damit auch flüchtige Zeichnungen erstellt werden. Der 5-mW-Laserpointer mit einer Wellenlänge von 405 nm erzeugt leuchtend grüne Zeichnungen auf der im Dunkeln leuchtenden Folie. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, verwenden Sie das Kit in einem schwach beleuchteten Raum. Achtung: Schauen Sie niemals direkt in den Laserstrahl!
Der Bausatz enthält alle notwendigen Komponenten, es ist jedoch das Anlöten von drei Drähten erforderlich.
Hinweis: Dieses Kit ist auch mit der originalen Arduino-basierten Sanduhr aus dem Jahr 2017 kompatibel. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Elektor 1-2/2017 und Elektor 1-2/2018.
With Examples for Arduino UNO, Raspberry Pi Pico and ESP32
Programming small electronic systems has never been more accessible. Tasks that once demanded expensive tools, specialized hardware, and deep electrical engineering expertise can now be tackled with low-cost development boards and approachable software. At the centre of this shift is the Arduino environment, which provides a unified and familiar way to program a wide range of microcontroller platforms—from classic AVR boards like the Arduino UNO to modern ARM-based boards such as the Raspberry Pi Pico, and powerful Wi-Fi-enabled devices like the ESP32.
This book introduces embedded programming through the core idea that defines all microcontrollers: reading inputs, processing information, and controlling outputs in a predictable loop. The Arduino environment abstracts much of the hardware complexity, allowing you to focus on behaviour rather than implementation details. With just a few lines of code, you can blink LEDs, read sensors, control motors, and communicate with other devices.
While the Arduino UNO, Raspberry Pi Pico, and ESP32 boards differ greatly in performance and features, they share the same fundamental building blocks: digital and analog I/O, timers, serial communication, PWM, interrupts, and power management. Learning these concepts within the Arduino framework builds skills that transfer easily across platforms and scale toward more advanced applications.
By exploring multiple boards while maintaining a consistent programming approach, this book helps you progress from simple experiments to confidently produce well-structured designs—showing that embedded development can be both practical and enjoyable.
Design IoT Projects with Raspberry Pi, Arduino and ESP32 The Internet of Things (IoT) is becoming a major application area for embedded systems. As a result, more and more people are becoming interested in learning about embedded design and programming. Technical colleges and universities are moving away from legacy 8 and 16-bit microcontrollers and are introducing 32-bit embedded microcontrollers to their curriculums. Many IoT applications demand precision, high processing power, and low power consumption. Produced by IBM, Node-RED is an open-source visual editor for wiring the Internet of Things. Node-RED comes with a large number of nodes to handle a multitude of tasks. The required nodes are selected and joined together to perform a particular task. Node-RED is based on flow type programming where nodes are configured and joined together to form an application program. There are nodes for performing complex tasks, including web access, Twitter, E-mail, HTTP, Bluetooth, MQTT, controlling GPIO ports, etc. One particularly nice aspect of Node-RED is that the programmer does not need to learn how to write complex programs. For example, an email can be sent by simply joining nodes together and writing only a few lines of code. The aim of this book is to teach how Node-RED can be used in projects. The main hardware platform used with most of the projects in this book is Raspberry Pi 4. Chapters are included to show how Node-RED can be also be used with Arduino Uno, ESP32 DevKitC, and the ESP8266 NodeMCU microcontroller development boards.
A Project-Based Introduction to Microcontrollers and Drone Control
A Practical Introduction to Embedded Systems with the ESP32
This book is intended for readers who are new to embedded systems and looking for a structured, example-driven way to begin. If you’ve explored general-purpose electronics or Arduino-based resources but found them too broad or lacking in practical application, this guide offers a more focused alternative.
With a small, affordable set of components – such as LEDs, sensors, an OLED screen and a motion sensor – you’ll build and work with the same hardware setup throughout the book. This allows you to focus on learning and experimenting without constant reconfiguration.
Topics include:
Understanding and programming the ESP32 microcontroller
Using the Arduino IDE to write and deploy code
Exploring cyber-physical systems, culminating in basic drone control
No prior experience with Arduino or embedded development is required. Each section includes hands-on examples and mini-projects designed to reinforce core concepts and encourage deeper exploration. By the end, you’ll be equipped not only to reproduce the book’s examples, but also to extend them toward your own ideas and applications.
Whether your interest is in learning embedded programming, building interactive systems, or exploring educational drone control, this book provides a clear and practical path to getting started.
