Arduino: IR-Theremin: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 13. November 2024, 10:09 Uhr

Abb. 1: Alexandra Stepanoff spielt ein Theremin für NBC Radio im Jahr 1930

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

Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen

Fragestellungen

Bislang haben Sie sich umfangreich mit dem Sharp IR Abstandssensor beschäftigt. Sie haben analoge Spannungswerte digitalisiert, Störungen entfernt und mittels Kennlinie die Distanz berechnet. In dieser Lektion kommt der kalibrierte Sensor als Musikinstrument zur Anwendung.

Eingeführte Begriffe und Konzepte

In den vorherigen Lektionen wurde der serielle Monitor und Plotter der Arduino IDE zu Datenvisualisierung verwendet. In dieser Lektion werden die Daten in eine Textdatei geschrieben und mit MATLAB visualisiert. Zusätzlich wird der passive Lautsprecher verwendet, um eine Melodie zu spielen. Als Musikinstrument wird ein Theremin gebaut, welches abhängig vom gemessenen Abstand die Tonfrequenz variiert.

Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen

Messung der Entfernung mit einem IR-Sensor
Ansteuerung des Piezo Lautsprechers

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

können Daten in eine Textdatei exportieren und mit MATLAB^® visualisieren.
können eine Melodie mit dem Arduino spielen.
können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.

Lernzielkontrolle

Haben Sie Messdaten mit 115200 baud seriell ausgegeben?
Haben Sie Messdaten mit Putty in ein Textdatei geschrieben und gespeichert?
Haben Sie die Messdaten mit MATLAB geladen und angezeigt?
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Tutorials

Demos

DemoDebugTxt2MATLAB

Vorbereitung

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

Installieren Sie den seriellen Monitor Putty und machen Sie sich mit der Bedienung vertraut. Nutzen Sie den Artikel Anleitung für Putty.
Schreiben Sie ein Arduino Programm, welchen die Zeit in ms und Distanz in cm seriell ausgibt.
Visualisieren Sie Die Distanz über der Zeit in MATLAB. Nutzen Sie hierfür das DemoDebugTxt2MATLAB.
Planen Sie die Software via PAP.
Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_07.pdf

Versuchsdurchführung

Aufgabe 8.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf

Aufgabe 8.2: Debugging

Arduino-Aufgabe

Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl millis()
Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor aus (Format: Zeit in ms;d in cm; Median-Filter in cm <LF>).
Nutzen Sie Putty als seriellen Monitor und speichern Sie die Daten in der Datei Debug.txt.

Nützliche Befehle: millis(), Serial.begin(), Serial.println(), analogRead()

MATLAB-Aufgabe

Nutzen Sie das Demo startLeseDebug.m und lesen Sie die Daten aus der Datei Debug.txt.
Stellen Sie die Entfernung ohne Median Filter über der Zeit dar (plot(Zeit,Messwerte,'r.-')).
Stellen Sie die Entfernung mit Median Filter über der Zeit dar (plot(Zeit,median,'b-')).
Ergänzen Sie eine Legende (legend("Messwerte", "Median-Filter")).
Beschriften Sie die Achsen.

Nützliche Befehle: hold on, plot, yLabel, legend

Arbeitsergebnisse in SVN: schreibeDebugDatei.ino, Debug.txt, leseDebugDatei.m

Tutorial: Anleitung für Putty
Demo: DemoDebugTxt2MATLAB

Aufgabe 8.3: Töne erzeugen

Folgen Sie der Anleitung zur Ausgaben von Tönen.
Mit einem passiven Lautsprecher sollen unterschiedliche Töne und eine Melodie erzeugt werden.

Nützliche Befehle: tone(), delay(), noTone(), pinMode(), digitalRead(), if()

Arbeitsergebnisse in SVN: spieleMelodie.ino

Lösung: Nr.08 – Töne erzeugen

Aufgabe 8.4: IR-Theremin

Ein Theremin ist ein Instrument, das Töne abhängig von den Bewegungen des Musizierenden erzeugt. Die Titelmelodie von Star Treck wurde beispielsweise damit gespielt. Das Theremin detektiert die Hände im Verhältnis zu zwei Antennen. Diese Antennen sind mit einem analogen Schaltkreis verbunden und erzeugen die Musik. Eine Antenne regelt die Frequenz der Töne und die Andere die Lautstärke. Diese Aufgabe emuliert das Theremin indem die Funktion tone() verwendet wird und die vom IR-Sensor gemessenen Abstände die Tonfrequenzen manipulieren. Lesen Sie die Entfernung wie in den Aufgaben zuvor über analogRead() ein. Schließen Sie den aktiven Lautprecher (Piezo-Lautsprecher) an Pin 8 an.

Erzeugen Sie Töne abhängig von den Messwerten des Sharp IR-Entfernungssensors.
Kalibrieren Sie die Zuordnung von Entfernung zu Frequenzen mit dem Der map()-Befehl.
Spielen Sie eine Melodie.

Nützliche Befehle: tone(), delay(), noTone(), analogRead(), map()

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Theremin.ino

Tipps:

Anleitung zur Ausgaben von Tönen

Aufgabe 8.5: 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

Videos

Was ist ein Theremin?

STAR TREK original theme performed on theremin

Infrarotsensor Theremin

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)
Sharp: GP2Y0A41SK0F. URL: [1]. Datenblatt (858 kb)

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 [[Kategorie:Arduino]]
-[[Datei:Lernset - Einsteiger Kit für Arduino.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino]]
+[[Datei:Theramin-Alexandra-Stepanoff-1930.jpg |thumb|rigth|350px|Abb. 1: Alexandra Stepanoff spielt ein Theremin für NBC Radio im Jahr 1930]]
-'''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>
+{| class="wikitable"
-'''Modul:''' Praxismodul I<br>
+|-
-'''Lehrveranstaltung:''' Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester
+| '''Autor:'''|| [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
+|-
+| '''Modul:''' ||Praxismodul I
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+| '''Lehrveranstaltung:'''|| Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester
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 == Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen ==
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 == Lernziele==
 Nach Durchführung dieser Lektion
-* können Daten in eine Textdatei exportieren und visualisieren.
+* können Daten in eine Textdatei exportieren und mit MATLAB<sup>®</sup> visualisieren.
 * können eine Melodie mit dem Arduino spielen.
 * können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.
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 # Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
+== Tutorials ==
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code>]
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>map()</code> ]
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/tone/ Arduino Referenz: <code>tone()</code>]
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/notone/ Arduino Referenz: <code>noTone()</code>]
+* [[Sharp_GP2Y0A41SK0F| Wiki: SHARP IR Abstandsensor]]
+* [[Einrichtung_von_PuTTY| Wiki: Anleitung für Putty]]
+== Demos ==
+*  [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]
 == Vorbereitung ==
 Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
 # Installieren Sie den seriellen Monitor <code>Putty</code> und machen Sie sich mit der Bedienung vertraut. Nutzen Sie den Artikel [[Einrichtung_von_PuTTY| Anleitung für Putty]].
-# Schreiben Sie ein Arduino Programm, welchen die Zeit in ms und Distanz in cm seriell ausgibt.
+# Schreiben Sie ein Arduino Programm, welchen die <code>Zeit in ms</code> und <code>Distanz in cm</code> seriell ausgibt.
 # Visualisieren Sie Die Distanz über der Zeit in MATLAB. Nutzen Sie hierfür das [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB].
 # Planen Sie die Software via PAP.
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 == Versuchsdurchführung ==
-=== Aufgabe 7.1: Lernzielkontrolle ===
+=== Aufgabe 8.1: Lernzielkontrolle ===
 Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_07.pdf</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf</code>
+----
-=== Aufgabe 7.2: Debugging ===
+=== Aufgabe 8.2: Debugging ===
-Arduino-Aufgabe
+'''Arduino-Aufgabe'''
 # Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl <code>millis()</code>
 # Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
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 # Nutzen Sie Putty als seriellen Monitor und speichern Sie die Daten in der Datei <code>Debug.txt</code>.
 '''Nützliche Befehle''': <code>millis(), Serial.begin(), Serial.println(), analogRead()</code>
+----
-MATLAB-Aufgabe
+'''MATLAB-Aufgabe'''
 # Nutzen Sie das Demo <code>startLeseDebug.m</code> und lesen Sie die Daten aus der Datei <code>Debug.txt</code>.
 # Stellen Sie die Entfernung ohne Median Filter über der Zeit dar (<code>plot(Zeit,Messwerte,'r.-')</code>).
 # Stellen Sie die Entfernung mit Median Filter über der Zeit dar (<code>plot(Zeit,median,'b-')</code>).
-# Ergänzen Sie eine Legende (<code>legend("Messwerte", Median-Filter,'b-')</code>).
+# Ergänzen Sie eine Legende (<code>legend("Messwerte", "Median-Filter")</code>).
 # Beschriften Sie die Achsen.
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 '''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]
 </div>
+----
-=== Aufgabe 7.3: Töne erzeugen ===
+=== Aufgabe 8.3: Töne erzeugen ===
 # Folgen Sie der [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen Anleitung zur Ausgaben von Tönen].
 # Mit einem passiven Lautsprecher sollen unterschiedliche Töne und eine Melodie erzeugt werden.
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 '''Nützliche Befehle''': <code>tone(), delay(), noTone(), pinMode(), digitalRead(), if()</code>
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeMedianFilter.ino</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>spieleMelodie.ino</code>
 <div class="mw-collapsible mw-collapsed">
-'''Lösung:''' [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen| Nr.08 – Töne erzeugen]
+'''Lösung:''' [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen Nr.08 – Töne erzeugen]
 </div>
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-=== Aufgabe 7.4: IR-Theremin ===
+=== Aufgabe 8.4: IR-Theremin ===
 Ein Theremin ist ein Instrument, das Töne abhängig von den Bewegungen des Musizierenden erzeugt. Die Titelmelodie von Star Treck wurde beispielsweise damit gespielt. Das Theremin detektiert die Hände im Verhältnis zu zwei Antennen. Diese Antennen sind mit einem analogen Schaltkreis verbunden und erzeugen die Musik. Eine Antenne regelt die Frequenz der Töne und die Andere die Lautstärke. Diese Aufgabe emuliert das Theremin indem die Funktion <code>tone()</code> verwendet wird und die vom IR-Sensor gemessenen Abstände die Tonfrequenzen manipulieren. Lesen Sie die Entfernung wie in den Aufgaben zuvor über <code>analogRead()</code> ein. Schließen Sie den aktiven Lautprecher (Piezo-Lautsprecher) an Pin 8 an.
 # Erzeugen Sie Töne abhängig von den Messwerten des Sharp IR-Entfernungssensors.
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 </div>
+----
-=== Aufgabe 7.5: Nachhaltige Doku ===
+=== Aufgabe 8.5: Nachhaltige Doku ===
 Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
 * Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
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 '''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code>
-== Bewertung ==
-{| class="wikitable"
-|-
-| '''Aufgabe'''|| '''Punkte'''
-|-
-| 7.1|| 2
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-| 7.2|| 2
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-| 7.3|| 2
-|-
-| 7.4|| 2
-|-
-| 7.5|| 2
-|-
-|}
-== Tutorials ==
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code>]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>map()</code> ]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/tone/ Arduino Referenz: <code>tone()</code>]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/notone/ Arduino Referenz: <code>noTone()</code>]
-* [[Sharp_GP2Y0A41SK0F| Wiki: SHARP IR Abstandsensor]]
-* [[Einrichtung_von_PuTTY| Wiki: Anleitung für Putty]]
-== Demos ==
-*  [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]
 == Videos ==
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