BSE AngInf - SoSe24 - Digitale Signalverarbeitung mit Simulink: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 26. Juni 2024, 10:12 Uhr

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Business and Systems Engineering, Angewandte Informatikpraktikum, Übung, Wintersemester
Modulbezeichnung:	BSE-M-2-1.09

Aufgabe 3.1: Entfernungsmessung mit dem Sharp GP2-Y0A41SK0F

Tabelle 1: Materialliste


#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	Sensor Sharp GP2-Y0A41SK0F
3	1	Ampelmodul
4	1	Arduino Uno R3
5	1	Steckbrett
6	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Lesen Sie die Entfernung des IR-Sensor ein.
Filtern Sie das Messignal, um Messfehler zu eliminieren. Programmieren Sie hierzu ein rekursives Tiefpassfilter als MATLAB Function.
Nutzen Sie das Ampelmodul, um die Entfernung von Objekten gemäß Tabelle 1 anzuzeigen.
Erfüllen Sie die Anforderungen an die Software in Tabelle 1.

Tabelle 1: Anforderungen an die Software
Req.	Beschreibung	Priorität
1	Messung der Entfernung mittels Sharp IR-Sensor	1
2	Messbereich: 4\,cm bis 30\,cm	1
3	Aufzeichnung, Analyse und verzugsfreie Filterung der Messwerte $U_{raw}$ .	1
4	Stellen Sie in einem Scope in demselben Graph die ungefilterten Werte $U_{raw}$ dem Filterergebnis $U_{filt}$ gegenüber dar.	1
5	Die Kennlinie des Infrarotsensors ist nichtlinear. Kalibrierung für den Messbereich mittels Regressionskurve für den Arbeitsbereich.	1
6	Referenzmessung der Abstandsmessung im Arbeitsbereich mit Gliedermaßstab.	1
7	x ≥ 0,3 m: gelb	1
8	0,04 m < x < 0,3 m: grün	1
9	x ≤ 0,04 m: rot	1

Lernzielkontrollfragen


1	Wie funktioniert der IR-Sensor (Sharp 0A41SK) technisch? Wie funktioniert der Primärsensor?
2	Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?
3	Wie schließen Sie einen Infrarotsensors über 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?

Aufgabe 3.2: Kühlschrank-Wächter mit LDR

Entwickeln Sie eine Kühlschrank-Wächter, der einen schrillen Warnton gibt, wenn die Kühlschranktür zu lange geöffnet ist.

Tabelle 2: Anforderungen an die Software
Req.	Beschreibung	Priorität
1	Messung der Helligkeit im Kühlschrank mittels LDR-Spannungsteiler.	1
2	Geht das Licht im Kühlschrank an, wird die Zeit gemessen, während die Kühlschranktür geöffnet ist.	1
3	Nach einer Zeit > 5 s ertönt ein Warnton.	1
4	Bei Dunkelheit (Tür geschlossen) verstummt der Warnton	1

Tabelle 1: Materialliste


#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	Fotowiderstand LDR 10 kΩ
3	1	aktiver Piezo Summer oder passiver Lautsprecher
4	1	Arduino Uno R3
5	1	Steckbrett
6	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Lernzielkontrollfragen


#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	aktiver oder passiver Lautsprecher
3	1	Arduino Uno R3
4	1	Streckbrett
5	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Aufgabe 3.3: Temperaturmessung mit PTC

Mittels temperaturabhängigem Halbleiterwiderstand (Thermistor) soll die Außentemperatur gemessen werden.

Anforderungen an die Software
Req.	Beschreibung	Priorität
1	Messung der Temperatur mittels PTC-Schaltung Messschaltung	1
2	Kennlinienkalibrierung via nichtlinearer Funktion $T=f(R)$ in °C für den Arbeitsbereich.	1
3	Temperaturbereich: -10 °C bis 70 °C.	1
4	Temperaturanzeige (Wert, zeitl. Verlauf) in Simulink in °C.	1
5	Referenzmessung der Temperaturmessung im Arbeitsbereich.	1
6	Temperaturanzeige (Wert, zeitl. Verlauf) auf dem LCD-Display.	2

Materialliste


#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	Widerstand 10 kΩ, 0,5 %
3	1	PTC Thermistor, 2 kΩ, 1 %, -55...+150 °C, KTY81-210
4	1	LCD Display
5	1	Arduino Uno R3
6	1	Streckbrett
5	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Literatur

Bosl, A.: Einführung in MATLAB/Simulink : Berechnung, Programmierung, Simulation. München : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2. Auflage 2017. ISBN: 9783446442696
Eshkabilov, S.: Beginning MATLAB and Simulink: From Novice to Professional. Apress, 2019. ISBN: 9781484250617
Haußer, F.; Luchko, Y.: Mathematische Modellierung mit MATLAB. Berlin, Heidelberg : Springer Spektrum, 2. Auflage 2019. ISBN: 9783662597446.
Stein, U.: Programmieren mit MATLAB : Programmiersprache, grafische Benutzeroberflächen, Anwendungen. München : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 6. Auflage 2017. ISBN: 9783446454231

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 |}
-# Lesen Sie die Entfernung des Ultraschallsensors ein.
+# Lesen Sie die Entfernung des IR-Sensor ein.
 <!--# Messen Sie auf ein feststehenden Ziel im Abstand von 20&thinsp;cm. Bestimmen Sie die Messunsicherheit Typ C nach GUM und geben Sie das komplette Messergebnis an. -->
 # Filtern Sie das Messignal, um Messfehler zu eliminieren. Programmieren Sie hierzu ein rekursives Tiefpassfilter als <code>MATLAB Function</code>.
 # Nutzen Sie das Ampelmodul, um die Entfernung von Objekten gemäß Tabelle 1 anzuzeigen.
+# Erfüllen Sie die Anforderungen an die Software in Tabelle 1.
 {| class="wikitable"
 |+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Anforderungen an die Software
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 ----
 == Aufgabe 3.2: Kühlschrank-Wächter mit LDR ==
-[[Datei:LDR Spannungsteiler.png|thumb|rigth|450px|Abb. 5: Darstellung des Rohsignals des IR-Entfernungssensors (rote Kurve)]]
+Entwickeln Sie eine Kühlschrank-Wächter, der einen schrillen Warnton gibt, wenn die Kühlschranktür zu lange geöffnet ist.
+{| class="wikitable"
+|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Anforderungen an die Software
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+! Req.  !! Beschreibung !! Priorität
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+| 1  || Messung der Helligkeit im Kühlschrank mittels LDR-Spannungsteiler. || 1
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+| 2  || Geht das Licht im Kühlschrank an, wird die Zeit gemessen, während die Kühlschranktür geöffnet ist. || 1
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+| 3  || Nach einer Zeit > 5&thinsp;s ertönt ein Warnton. || 1
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+| 4  || Bei Dunkelheit (Tür geschlossen) verstummt der Warnton || 1
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 {| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
 | <strong>Tabelle 1: Materialliste&thinsp;</strong>
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 | 6 || 5 || Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm
 |}
-|}
-Entwickeln Sie eine Kühlschrank-Wächter, der einen schrillen Warnton gibt, wenn die Kühlschranktür zu lange geöffnet ist.
-{| class="wikitable"
-|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Anforderungen an die Software
-|-
-! Req.  !! Beschreibung !! Priorität
-|-
-| 1  || Messung der Helligkeit im Kühlschrank mittels LDR-Spannungsteiler. || 1
-|-
-| 2  || Geht das Licht im Kühlschrank an, wird die Zeit gemessen, während die Kühlschranktür geöffnet ist. || 1
-|-
-| 3  || Nach einer Zeit > 5&thinsp;s ertönt ein Warnton. || 1
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-| 4  || Bei Dunkelheit (Tür geschlossen) verstummt der Warnton || 1
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 |}
 {| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
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 Mittels temperaturabhängigem Halbleiterwiderstand (Thermistor) soll die Außentemperatur gemessen werden.
 {| class="wikitable"
-|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Anforderungen an die Software
+|+ style = "text-align: left"|Anforderungen an die Software
 |-
 ! Req.  !! Beschreibung !! Priorität
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 | 5  || Referenzmessung der Temperaturmessung im Arbeitsbereich.  || 1
 |-
-| 6  || Temperaturanzeige (Wert, zeitl. Verlauf) auf dem LCD-Display.  || 1
+| 6  || Temperaturanzeige (Wert, zeitl. Verlauf) auf dem LCD-Display.  || 2
 |-
 |}
 {| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
-| <strong>Lernzielkontrollfragen&thinsp;</strong>
+| <strong>Materialliste&thinsp;</strong>
 |-
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 | 1  || 1 || PC mit MATLAB/Simulink R2022b
 |-
-| 2  || 1 || Widerstand 10\,k$\Omega$, 0,5\%  (R1)
+| 2  || 1 || Widerstand 10&thinsp;kΩ, 0,5&thinsp;%
 |-
-| 3  || 1 || Arduino Uno R3
+| 3  || 1 || [[PTC_Temperatursensor_KTY_81-210|PTC Thermistor]], 2&thinsp;kΩ, 1&thinsp;%, -55...+150&thinsp;°C, KTY81-210
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+| 4  || 1 || [[LCD_Modul_16x02_I2C|LCD Display]]
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+| 5  || 1 || Arduino Uno R3
 |-
-| 4 || 1 || Streckbrett
+| 6 || 1 || Streckbrett
 |-
 | 5 || 5 || Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm