Versuchsleitfaden: Messtechnik und digitale Signalverarbeitung

Abb. 1: Systematischer Sensorfehler des Sharp IR

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Status:	in Bearbeitung

Einleitung

Ein Arduino ist ein Mikrocontroller. Mit ihm lassen sich einfach Sensordaten im PC zu verarbeiten und Aktoren in Echtzeit anzusteuern. Die Programmierung geschieht in diesem Praktikumstermin über MATLAB/Simulink. Im Praktikum wird daher in 4 Schritten vorgegangen:

1. Einführung in MATLAB/Simulink,
2. Einführung in den die Programmierung des Arduino mit MATLAB/Simulink,
3. Nutzung des Arduino zur Messwerterfassung und
4. digitale Signalverarbeitung.

Wichtig: Einige Dokumente, Datenblätter und Webinare sind ggf. auf Englisch. Wenn jemand mit der Fremdsprache nicht zurecht kommen sollte, empfehlt es sich frühzeitig eine/n Partner/in zu suchen und die Unterlagen gemeinsam zu erarbeiten.

Im Praktikum arbeiten Sie mit einem Arduino Uno R3.

Im Labor steht Ihnen die nachfolgende Sogtware zur Verfügung:

• MATLAB®/Simulink R2026b
• Simulink Support Package for Arduino Hardware

Lernziele

Nach Durchführung dieses Praktikums

• können Sie mit MATLAB/Simulink umgehen.
• können Sie einen Arduino mit MATLAB/Simulink programmieren.
• können Sie Sensordaten einlesen, analysieren und verarbeiten.
• können Sie eine Sensorkennlinien kalibrieren.

Bewertung

Punkteverteilung beim Pflichtversuch V2

#	Aufgabe	Punkte
1	Inbetriebnahme und Diskussion eines Ultraschall-Abstandssensors	2
2	Charakterisierung, Analyse und Filterung der Ultraschall Messwerte	2
3	Inbetriebnahme und Diskussion eines IR-Abstandssensors	2
4	Charakterisierung, Analyse und Filterung und Kalibrierung der IR Messwerte	2
5	Inbetriebnahme und Diskussion einer Waage	1
6	Charakterisierung, Analyse und Filterung und Kalibrierung Kalibrierung der Waage	1

Hinweise:

• Sobald Hardware beschädigt oder zerstört wird, gibt es 0 Punkte für den Praktikumstermin.
• Lassen Sie sich die Schaltung vor Inbetriebnahme abnehmen.
• Sie können die Aufgaben in beliebiger Reihenfolge lösen. Bitte nehmen Sie sich einen Sensor nach dem nächsten vor und legen Sie die Sensoren nach Verwendung wieder zurück.
• Besprechen Sie alle Lösungen vor Praktikumsschluss mit Prof. Schneider.

Voraussetzungen

Dieser Praktikumsversuch setzt nachfolgende Kenntnisse voraus

• die Grundlagen der Elektrotechnik
  • R-L-C Grundschaltungen [3, S. 404 ff.]
  • Spannungsteiler [2, S. 139 ff.]
  • Wheatstone’sche Brückenschaltung [2, S. 143 ff.]
  • Operationsverstärkerschaltungen [2, S. 164 ff.]
• Abstandssensoren Sharp GP2Y0A41SK0F [5]
• Ultraschallsensor HC-SR04
• DMS Wägezelle mit Messverstärker HX711AD
• sicherer Umgang mit der Software MATLAB^®/Simulink,
• sicherer Umgang mit der Versionsverwaltung SVN und
• sicherer Umgang mit Oszilloskop, Netzteil, Steckbrett, Steckbrücken, Bauteilen und Multimeter.

Praktikumsordnung

• Jeder Praktikumstermin ist vor Beginn unter Hinzunahme geeigneter Literatur gründlich und vollständig vorzubereiten.
• Bearbeiten Sie alle Lernzielkontrollfragen wissenschaftlich/technisch tiefgründig. Sichern Sie diese spätestens einen Tag vor Ihrem Praktikum in SVN.
• Teilnehmer*innen, die zugewiesene Praktikumstermine nicht wahrnehmen kännen, haben dies frühzeitig mitzuteilen und einen schriftliche Begründung (i. A. eine Arbeitsunfähigkeitsbescheinigung) vorzulegen. Sie müssen auf spätere Termine, ggf. in einem späteren Semester, verwiesen werden.
• Bei selbst verschuldetem Spät- oder Nichterscheinen kann Ihnen das Praktikum nicht anerkannt werden. Unentschuldigtes Fernbleiben führt zum Ausschluss vom Praktikum.
• Legen Sie pro Termin einen Arbeitsordner in SVN an (z. B. Versuch_1, Versuch_2,...).
• Beachten Sie beim Arbeiten mit SVN die Grundregeln.
• Arbeiten Sie nachhaltig in SVN mit Header, Kommentaren und ggf. technischen Dokumentationen.
• Beide Teammitglieder müssen Lösungsanteile in SVN sichern. Dies übt das kollaborierte Arbeiten mit einer Versionsverwaltung.
• Die Praktikums- bzw. Teamarbeit unterliegt den allgemeinen Regeln des wissenschaftlichen Arbeitens und erfordert die Integrität der (Team-) Mitglieder untereinander sowie deren Ehrlichkeit und Fairness im gegenseitigen Umgang. Besonders hervorzuheben ist der Schutz des geistigen Eigentums. Die Wieder- und Weiterverwendung der Erkenntnisse Dritter ist statthaft, sofern direkt oder indirekt auf die verwandten

Quellen verwiesen wird. Eine vorsätzliche Zuwiderhandlung führt zum Ausschluss des Teams und somit zum Nicht-Bestehen des Praktikums.

• Für die Teilnahme am Praktikum benötigen Sie die Sicherheitseinweisung das Labor L3.1-E02-180.
• Die Verwendung von USB-Sticks ist im Labor untersagt.
• Sichern Sie Ihre Praktikumsergebnisse (Foto, Screenshots, Messwerte, usw.) während des Praktikums in SVN.

Ablauf des Praktikums

Bereiten Sie sich anhand des Versuchsleitfadens, von Datenblättern und der Literatur umfassend auf die Versuche vor.

• Beantworten Sie technisch tiefgründig die Verständnisfragen.
• Bauen Sie die Schaltungen auf Ihrem Breadboard auf.
• Führen Sie den Versuch mit MATLAB®/Simulink durch.
• Dokumentieren Sie Ihre Versuchsdurchführung und Ergebnisse wissenschaftlich in einem Dokument.
• Ordnen Sie Ihre Simulink-Modelle und beschriften Sie diese mit Header, Autoren, Funktion und hilfreichen Kommentaren. Beschriften Sie Signalleitungen.
• Bevorzugen Sie Simulink-Blöcke einer eingebetteten m-Function, da diese echtzeitfähig sind.
• Legen Sie Ihr Versuchsprotokoll (*.pdf) und die Simulink-Modelle (*.slx) spätestens am Vortag des Praktikumstermins in SVN1 zur Bewertung ab.
• Wenden Sie sich bei Fragen frühzeitig an Prof. Schneider (Tel. -804).
• Prüfen Sie Ihre Technik vor dem Termin, legen Sie die Ausweise bereit und willigen Sie in die Prüfungsbestimmungen ein.

Hinweis: Alle Versuche wurden neu erstellt. Sollten Sie Fragen haben oder Fehler finden, wenden Sie sich schnellstmöglich an Prof. Schneider, damit Unklarheiten während der Vorbereitung beseitigt werden können.

Kommen Sie pünktlich zum Versuch in das Labor. Der Terminplan auf der Lernplattform gibt die entsprechenden Termine vor.

• Wählen Sie als Zweierteam einen Rechnerarbeitsplatz aus.
• Nutzen Sie ausschließlich die Rechner im Labor.
• Loggen Sie sich als .\hshl-user mit Kennwort1 auf den Rechnern an.
• Machen Sie mit SVN Checkout eine Kopie des SVN Servers auf Ihr Gruppenarbeitsverzeichnes. Der lokale Ordner lautet D:\SVN\RCP\MTR1_1 für die Gruppe MTR1.1. Arbeiten Sie ausschließlich in diesem Ordner.
• Prof. Schneider kommt herum und prüft Ihre Vorbereitung mit einem mündlichen Antestat.
• Führen Sie am Praktikumstermin die Aufgaben in beliebiger Reihenfolge durch, dokumentieren Sie Ihre Ergebnisse wissenschaftlich und präsentieren Sie Ihre Lösungen Prof. Schneider.
• Vor Inbetriebnahme muss jede Schaltung abgenommen werden.
• Jeder Versuchsteil wird bewertet.
• Sichern Sie Ihre Ergebnisse mit SVN Commit auf dem SVN Server. Nur gesicherte Ergebnisse werden bewertet.
• Fahren Sie den Rechner nach dem Praktikum herunter und hinterlassen Sie das Praktikum ordentlich für die nächste Gruppe.

Vorbereitung

MATLAB/Simulink

Voraussetzung für die Lösung der Aufgaben mit dem Arduino ist ein sicherer Umgang mit MATLAB^®/Simulink.

Bearbeiten Sie als Vorbereitung die Selbstlernkurse

• Einführung in Simulink und
• Arduino mit Simulink.

Lernzielkontrollfragen

Welche Leistungsmerkmale hat ein Arduino Board? 2. Welche Kommunikationsschnittstellen hat ein Arduino Uno? 3. Wie funktioniert die Kommunikation des Arduino Uno mit mit MATLAB®/Simulink? 4. Wie ist das Arduino Board best?uckt? 5. Welche I/O Schnittstellen hat der Arduino? 6. Wie k?onnen die Ein- und Ausg?ange (max.) belastet werden? 7. Was muss dringend beachtet werden, um die Hardware vor Besch?adigung zu sch?utzen? 8. Wie programmiert man den Arduino? 9. Welches ist die maximale Taktrate des Arduino (fundamental sample time)? 10. Wie lautet derWork ow f?ur die Programmierung des Arduino mit MATLAB®/Simulink? 11. Wie funktioniert die einzelnen Sensoren (Taster, US, IR, Gyro, LDR, PTC, DHT11) technisch? Wie schlie�t man sie an? Wie sehen die Spannungspegel aus und wieso? 12. Unter welchen Bedingungen leuchtet Ihre verwendete LED? Wie sieht die U-I-Kennlinie aus? Bestimmen Sie den Arbeitspunkt von Vorwiderstand und LED.

Aufgabe 1: Ultraschall-Distanzmessung

Lernzielkontrollfragen

Wie funktioniert der Ultraschallsensor (SRF04) technisch? 2. Welche Leistungsmerkmale hat er? 3. Wie schlie�en Sie einen Ultraschallsensor (SRF04) an den Arduino an? 4. Wie regen Sie den Ultraschallsender an (Trig)? 5. Wie sieht das Messsignal aus (Echo)? 6. Wie verarbeitet man die Signale des Ultraschallsensors Echo zu einer Distanz?

2 Do

Ampelschaltung

Aufgabe 2: Optische Distanzmessung

Tabelle 2: Notwendige Bauteile

Überschrift	Überschrift	Überschrift
Beispiel	Beispiel	Beispiel
Beispiel	Beispiel	Beispiel
Beispiel	Beispiel	Beispiel

1. Schließen Sie einen Infrarotsensors ¨uber das Breadboard den Arduinoan.
2. Lesen Sie die Messwerte mit Simulink ein.
3. Visualisieren Sie die Messwerte mit Simulink (Scope).
4. Analysieren Sie die Messwerte. Welcher systematische Fehler tritt beim Infrarotsensor auf?
5. Eliminieren Sie den Fehler mit Simulink.
6. Die Kennlinie des Infrarotsensors ist nichtlinear. Hinterlegen Sie diese Kennlinie in Simulink, so dass in Control Desk der exakte Messwert in cm angezeigt wird.
7. Diskutieren Sie das Ergebnis mit ihrem Professor.

Lernzielkontrollfragen

1. Wie funktioniert der IR-Sensor (Sharp GP2-0430K) technisch? Wie funktioniert der Prim?arsensor? 2. Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor? 16 3. Wie schlie�en Sie einen Infrarotsensors ?uber das Breadboard an den Arduino an. 4. Welcher systematische Fehler tritt beim Infrarotsensor auf? Stellen Sie einen Bezug zum Datenblatt her. 5. Welches Filterverfahren ist optimal zur Eliminierung des Sensorfehlers? 6. Wie verarbeiten Sie die analogen Signale des Infrarotsensors digital zur Entfernung?

Anhang

• [Regeln_für_Simulink-Modelle|Regeln für Simulink-Modelle]

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