Arduino: Ultraschall Entfernungsmessung

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul:	Praxismodul I
Lektion 11:	Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester

Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen

Fragestellungen

In dieser Lektion wird der Ultraschallsensor HC-SR04 angesteuert und seine Messwerte analysiert.

Eingeführte Begriffe und Konzepte

Diese Lektion befasst sich mit der Vorstellung und Ansteuerung des Ultraschallsensors HC-SR04.

Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen

Nutzung der dititalen IO-Pins

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

können die Funktion eines Ultraschallsensors erläutern.
können Sie die Vor- und Nachteile der Entfernungsmessung mit Ultraschall erläutern.
können Sie einen Ultraschallsensors ansteuern.
können Sie die Messdaten charakterisieren und auf dem LCD-Display anzeigen.

Lernzielkontrolle

Welche Frequenzen kann das menschliche Ohr wahrnehmen?
Ist Ultraschall (US) hörbar?
Welche Frequenz hat US?
Welche Geschwindigkeit hat US bei Raumtemperatur (20 °C)?
Von welchen Faktoren hängt die US-Geschwindigkeit noch ab?
Nennen Sie die Formel für die Entfernungsmessung mit Ultraschall.
Nennen Sie Vor- und Nachteile von US-Sensoren.
Nennen Sie 10 Anwendungsgebiete für US-Sensoren.
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurde jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Tutorials

Vorbereitung

Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.

Recherchieren Sie die Funktion des Ultraschallsensors HC-SR04.
Setzen Sie das Beispiel Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen um.
Setzen Sie das Beispiel Ein LCD Display per Arduino ansteuern um.
Zeigen Sie die Messwerte im LCD-Display an.
Planen Sie die Software via PAP.
Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_10.pdf

Versuchsdurchführung

Aufgabe 11.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf

Aufgabe 11.2: Ultraschall Entfernungsmessung

Mit den Ultraschallsensor HC-SR04 und einem Arduino Mikrocontroller soll eine Entfernung gemessen und mit dem Seriellen Monitor angezeigt werden.

Nützliche Befehle: pinMode, digitalWrite, delay, pulseIn

Arbeitsergebnisse in SVN: messeUltraschallEntfernung.ino

Tutorial: Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen

Aufgabe 11.3: Sensordaten auf LCD ausgeben

Mit den Ultraschallsensor soll die Entfernung ausgelesen und auf dem LCD angezeigt werden:

als Messwert in cm
als Balkenanzeige (vgl. Abb. 1)

Nützliche Befehle: #include, init, backlight, setCursor, print

Arbeitsergebnisse in SVN: zeigeUltraschallEntfernung.ino

Aufgabe 11.4: Charakterisieren Sie die Ultraschall Messwerte

Analysieren Sie die Funktion Ihres Ultraschallsensors anhand Ihrer Messwerte.
Beantworten Sie die Fragen fachlich fundiert anhand Ihrer Messdaten:
1. Welchen Messbereich hat der Sensor?
2. Welche Werteauflösung hat der Sensor?
3. Welche max. Abtastrate hat der Sensor?
4. In welchem Bereich ist der Sensor am empfindlichsten?
5. Mit welcher Unsicherheit (1 σ) lässt sich eine glatte Fläche bestimmen?

Arbeitsergebnisse in SVN: UltraschallSensorcharakterisierung.pdf

Aufgabe 11.5: Nachhaltige Doku

Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.

Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?
Wurde nachhaltig dokumentiert?
Haben die Programme einen Header?
Wurden der Quelltext umfangreich kommentiert?
Wurden die PAPs erstellt und abgelegt? Passen die PAPs 100% zum Programm?

Arbeitsergebnis in SVN: SVN Log

Datenblatt

Ultraschall Messmodul HC-SR04

http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/electronics.php
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/HC-SR04-cct.pdf

Videos

Video 1: DE BitBastelei #327 - Abstandsmessung per Ultraschall: HC-SR04 mit Arduino

Datenblätter

Literatur

Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen: mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)
Waller, H.: Arduino Blog. URL: https://hartmut-waller.info/arduinoblog/

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