WS2024 - Sensortechnik - Membran Drucksensor
Autor: | Jan Steffens, Lukas Berkemeier |
Studiengang: | Mechatronik |
Modul: | MTR-B-2-5.12, Antriebs- und Sensortechnik |
Semester: | Wintersemester 2024/25 |
Abgabetermin: | 19.01.2025 |
Einführung
In diesem Projekt liegt der Fokus auf dem Aufbau und der Integration eines Membran Drucksensors mit der Bezeichnung FSR402 (Force Sensitive Resistor) mit verschiedenen Hardwarekomponenten und der Programmierung in Simulink. Der FSR402 ist ein Kraftsensitiver Widerstand (KSW), der durch eine Änderung seines Widerstands auf ausgeübten Druck reagiert. Diese Widerstandsänderung wird in eine analoge Spannung umgewandelt, die proportional zur Druckkraft ist. Das Projekt umfasst die Verbindung des Sensors mit anderer Hardware, um ein funktionales System zu erstellen, und die Programmierung in Simulink, um die analoge Spannung zu erfassen und in Kraftwerte zu konvertieren. Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das präzise Kraftmessungen ermöglicht und diese in Echtzeit verarbeitet.
- Thema/Fragestellung: Kraftmessung in Newton mittels eines FSR402 Drucksensor
- Hypothese: Kraft lässt sich mit dem Drucksensor messen.
- Einordnung in den Lehrplan: Das im Modul Sernsortechnik vermittelte Wissen, wird im Rahmen dieses Praxisbeispiels angewendet.
Tabelle 1: Anforderungen | |||||||||||||||||||||||||||
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Projektbeschreibung
Tabelle 2: Materialliste
# | Anzahl | Material |
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1 | 1 | PC mit MATLAB/Simulink R2024b |
2 | 1 | Sensor FSR402 |
3 | 1 | 16x02 I2C LCD Modul |
4 | 1 | Passiver Lautsprecher R12-KT-9 |
5 | 1 | Funduino Arduino UNO R3 |
6 | 1 | USB-Kabel, USB-A Stecker auf USB-B Stecker, 30 cm |
7 | 1 | Platine mit 10 kOhm Potentiometer und LM393 |
8 | 1 | Widerstand 100 Ohm |
9 | 2 | Jumper Kabel, weiblich/weiblich, 20 cm |
10 | 7 | Jumper Kabel, männlich/weiblich, 20 cm |
11 | 3 | Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm |
Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software:
- Arduino Uno R3: Der Arduino Uno R3 ist ein Mikrocontroller, der auf dem ATmega328P-Mikrocontroller basiert. Er besitzt 14 digital Ein- und Ausgänge von denen sechs als PWM Ausgang genutzt werden können und sechs analog Eingänge. Der Arduino Uno kann über USB am Computer über externes Netzteil oder mit einer 9V Blockbatterie inklusive Batterieclip betreiben werden. Die Programmierung findet über die Arduino IDE in C/C++ oder über Matlab/Simulink statt.[3]
- FSR402: Der FSR402 ist ein KSW, der als Drucksensor fungiert. Durch Druckeinwirkung auf den Sensor werden die zwei Membrane des Sensors aneinander gedrückt und dadurch der Widerstand verändert. Je stärker der Druck, desto geringer wird der Widerstand des Sensors.[2]
- Simulink R2024b: Simulink ist ein grafikorientiertes Softwaretool zur Simulation und Analyse von linea- ren und nichtlinearen mathematischen Modellen. Simulink ist als Unterprogramm von Matlab implementiert und greift auf dessen numerischen Lösungsalgorithmen zu.[4]
- LCD-Display: Mit einem LCD-Display kann man Buchstaben und Ziffern in Echtzeit darstellen. Dies ist in vielen Anwendungen nützlich, zum Beispiel, um Messwerte oder auch Menüs darzustellen. Mithilfe des LCD lassen sich aber auch Daten darstellen, wenn kein Computer am Arduino-Mikrocontroller angeschlossen ist. Das LCD Modul mit angelötetem I2C Bus ermöglicht die Verwendung eines LCD Moduls mit einer einfachen Verkabelung. In diesem Fall wird das LCD-Display zur Anzeige der gemessenen Kraft in Newton (N) verwendet. Die vom Arduino verarbeiteten Daten werden auf dem Display angezeigt.[5][6]
- Steckbrett: Das Steckbrett ermöglicht das unkomplizierte Einstecken und Verbinden von elektronischen Komponenten ohne die Notwendigkeit von Löten. Die auf dem Steckbrett aufgebaute Schaltung kann flexibel verändert und angepasst werden.
- Jumperkabel: Jumperkabel sind flexible Kabel, die verwendet werden, um Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten herzustellen. Sie ermöglichen es, Signale und Strom zwischen dem Arduino, dem Drucksensor, dem Display und anderen Bauteilen zu übertragen.
- Passiver Lautsprecher: Der passive Lautsprecher ist ein akustisches Signalgebergerät, das Töne erzeugt. In diesem Setup wird der Lautsprecher verwendet, um einen Ton auszugeben, wenn eine Kraft auf den Membransensor konstant gehalten wird. Dies dient als akustische Rückmeldung für den Benutzer.
Tabelle 3: Technische Daten [1]
Parameter | Wert |
---|---|
Messbereich | 0.1 N - 10 N |
Versorgungsspannung | 3.3 V .. 5 V |
Wiederholgenauigkeit | ±2 % |
Widerstand ohne Belastung | 10 MΩ |
Kraftempfindlichkeitsbereich | 1 kΩ |
Gewicht | 0.5 g |
Getriebe | Kunststtoff |
Arbeitstemperatur | -30 °C .. +70 °C |
Dicke | 0.45 mm |
Durchmesser | 18.28 mm |
Tabelle 4: Pinbelegung Sensor
Pin | Belegung | Signal |
---|---|---|
1 | + | Zwischenplatine +, 5 V |
2 | - | Zwischenplatine -, 0 V |
Tabelle 5: Pinbelegung Zwischenplatine
Pin | Belegung | Signal |
---|---|---|
1 | Versorgungsspannung VCC | 5 V |
2 | D0 | 5 V |
3 | A0 | 0.3 - 5 V |
4 | GND | 0 V |
5 | + | 5 V |
6 | - | 0 V |
Funktionsweise des Primärsensors[2]
Der FSR402 ist ein Sensor, der zur Messung von Druck oder Kraft eingesetzt wird und auf dem Prinzip der Widerstandsänderung basiert. Die Funktionsweise des Drucksensors lässt sich wie folgt detailliert erklären:
1. Aufbau des Sensors: Der FSR402 besteht aus einer flexiblen Membran, die mit einer leitfähigen Schicht beschichtet ist. Diese Schicht ist in einer Weise angeordnet, um den Widerstand bei Druck zu verändern. Die Membran ist zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten eingebettet. Bei Druck auf den Sensor, bilden sich Kontaktstellen.
2. Widerstandsänderung bei Druck: Ohne Druckeinwirkung, im Ruhestand, hat der FSR402 einen hohen Widerstand. Sobald Druck auf die Membran ausgeübt wird, verformt sich die Membran, und die leitfähige Schicht wird zusammengedrückt. Diese Verformung verringert den Widerstand der Schicht. Die Widerstandsänderung ist nicht linear - der Widerstand sinkt mit zunehmendem Druck exponentiell. Das hat zu Folge, dass kleine Änderungen im Druck größere Änderungen im Widerstand hervorrufen können.
3. Messung des Widerstands: Der FSR402 wird typischerweise in einer Spannungsteilerschaltung verwendet, bei der der Sensor zusammen mit einem festen Widerstand in Serie geschaltet wird. Die Spannung, die über den FSR402 abfällt, verändert sich entsprechend der Widerstandsänderung. Der Arduino Uno misst diese Spannung, um die Widerstandsänderung des Sensors zu erfassen. Damit daraus der ausgeübte Druck oder die Kraft auf den Drucksensor berechnet werden kann.
4. Anwendung: Um genaue Messwerte zu erhalten, wird der FSR402 oft kalibriert. Der Widerstand des Sensors kann in die entsprechende Kraft oder Druck umgerechnet werden. Dabei muss ein Kalibrierungsprozess durchgeführt werden, bei dem bekannte Kräfte auf den Sensor ausgeübt und die entsprechenden Widerstände gemessen werden. Diese Daten werden verwendet, um eine Umrechnungsformel zu erstellen, die es ermöglicht, die Widerstandsänderungen des Sensors in präzise Druck- oder Kraftwerte umzuwandeln.
Funktionsweise der Messschaltung
Versuchsaufbau und Durchführung
Versuchsaufbau
Versuchsdurchführung
Versuchsbeobachtung
Auswertung
Tabelle 4: Testbericht gegen die Anforderungen | |||||||||||||||||||||||||||
Der Test der Anforderungen wurden nicht explizit und nachvollziehbar dokumentiert. Anhand des Wiki-Artikels konnte nachfolgender Erfüllungsgrad abgelesen werden.
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Zusammenfassung und Ausblick
- Zusammenfassung der Kapitel 1-4
- Diskussion der Ergebnisse
- Ausblick
- Selbstreflexion/Lessons learned
Literatur
[1] Internetforum. HSHL-Wiki: Zitieren nach DIN ISO 690:2013-10 [online]. [Zugriff am: 06. Januar 2025]
[2] Sparkfun Datenblatt: FSR 400 Series Round Force Sensing Resistor [online]. [Zugriff am: 14.01.2025]
[3] Docs.arduino : Arduino Uno R3 [online]. [Zugriff am: 14.01.2025].
[4] Uni Ulm : Einführung Simulink [online]. [Zugriff am: 14.01.2025].
[5] HSHL Wiki : LCD Display [online]. [Zugriff am: 14.01.2025].
[6] Funduino : I²C Display [online]. [Zugriff am: 14.01.2025].
Anhang
A Ergebnisvideo
Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.
Anleitung: Videos im Wiki einbinden
B Datenblätter
C Simulink-Modell
D Originaldateien
Hinterlegen Sie hier alle Orginaldaten´(PAP, Schaltplan, Simulink-Modelle, ... ) in einer ZIP-Datei.
E Lernzielkontrolle
Lernzielkontrollfragen |
Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.
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F Anforderungen und Bewertung
Tabelle 5: Regelwerk | ||||||||||||||||||||||||||||||
Für diese Prüfung gelten nachfolgenden Regeln:
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Tabelle 6: Softwareanforderungen | ||||||||||||||||||
Es dürfen ausschließlich die folgenden Software-Werkzeuge verwendet werden.
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Tabelle 7: Bewertungsschema | ||||||||||||||||||||||||||||||
Hinweis: Die Punkte können bei der finalen Bewertung noch angepasst werden. |
G Regeln für Simulink-Modelle
H Gliederung einer Hausarbeit
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