Arduino: IR-Theremin: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Kategorie:Arduino]]
[[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
|-
| '''Lehrveranstaltung:'''|| Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester
|}
== Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen ==
== Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen ==


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* Messung der Entfernung mit einem IR-Sensor
* Messung der Entfernung mit einem IR-Sensor
* Ansteuerung des Piezo Lautsprechers
* Ansteuerung des Piezo Lautsprechers
== MATLAB<sup>®</sup> ==
MATLAB<sup>®</sup> ist Ihr Werkzeug, um im Studium zu Simulieren, Daten zu verarbeiten, Filter zu testen oder Hardware modellbasiert zu programmieren. Mit MATLAB<sup>®</sup> können Sie
* in Mathematik Gleichungen lösen, Ergebnisse berechnen und darstellen.
* in Physik Zusammenhänge simulieren, darstellen und auswerten.
* in der Informatik Messdaten visualisieren und analysieren.
* uvm.
Die Grundlagen der Software können Sie sich in Selbstlernkursen beibringen.
Ein Einstiegspunkt bietet der Artikel: [[Einf%C3%BChrung_in_MATLAB|'''Einführung in MATLAB<sup>®'''</sup>]]. Wir wünschen Ihn viel Spaß mit diesem mächtigen Simulationswerkzeug.


== Lernziele==
== Lernziele==
Nach Durchführung dieser Lektion
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 eine Melodie mit dem Arduino spielen.
* können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.
* können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.


== Lernzielkontrolle ==
== Lernzielkontrolle ==
<!--
# Haben Sie Messdaten mit 115200 baud seriell ausgegeben?
# Zeichnen Sie die gemessene Entfernung im Verhältnis zu einer Referenz auf. Die Referent kann ein Gliedermaßstab sein. Welchen Messbereich hat Ihr IR-Sensor?
# Haben Sie Messdaten mit Putty in ein Textdatei geschrieben und gespeichert?
# Zeichnen Sie die gemessenen Entfernungsschritte über dem Messbereich auf. Welche Auflösung hat Ihr Sensor?
# Haben Sie die Messdaten mit MATLAB<sup>®</sup> geladen und angezeigt?
# Zeichnen Sie die Auflösung über dem Messbereich auf. Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?
 
# Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf</code>
# Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
 
# Wurde auf <code>magic numbers</code> verzichtet?
== Tutorials ==
# Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
* [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> ]
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_07.pdf</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 ==
== Vorbereitung ==
<!--
Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
# Installieren Sie die [https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/quicksortlib/ QuickSort Bibliothek]. Nutzen Sie die [https://docs.arduino.cc/software/ide-v1/tutorials/installing-libraries Anleitung zur Installation von Bibliotheken].
# 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]].
# Sortieren Sie die 5 Zufallswerte nach Größe z.&thinsp;B. <code>2,2,4,1,2</code> wird zu <code>1,2,2,2,4</code>. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus <code>DemoSortiereArray.ino</code>.
# 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/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB].
[[Datei:Batterie-Tester.jpg |thumb|rigth|300px|Abb. 2: Batterie-Tester]]
# Studieren Sie das [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-serial-plotter Using the Serial Plotter Tool]  und nutzen Sie das Demo [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino], um Daten im Seriellen Plotter auszugeben.
# Recherchieren Sie die Funktion des Sensors anhand von Fachliteratur und des [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatts]] oder [[Sharp_GP2Y0A41SK0F|Wiki-Artikels]].
# Bauen Sie die Schaltungen zur Auswertung der Sensoren auf.
# Nutzen Sie die Abbildung auf Seite 4 des [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatts]], um eine Tabelle Spannung/Distanz aufzustellen (vgl. Tab. 1).
# Machen Sie sich mit der Funktion der analogen Eingänge vertraut: [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code> ]. Messen Sie gemäß Abb. 2 die Spannung einen AA Batterie in V. (Hinweis: KEINE 9-V-BLOCK nutzen! Spannung von mehr als 5&thinsp;V können den '''Arduino zerstören'''.)
# Nutzen Sie die [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code> ] und erweitern Sie Ihre Tabelle um die Spalte Digitalwert <code>D1</code> (vgl. Tab. 1).
# Planen Sie die Software via PAP.
# Planen Sie die Software via PAP.
# Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
# Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
# Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.
# Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
'''Musterlösung:''' für den Batterie-Tester
<source line lang="C" style="font-size:small">const unsigned long BAUD_RATE_u32 = 9600;
const unsigned int AUFLOESUNG_u16 = 1023; //2^10-1
const float ARDUINO_SPANNUNG_f32  = 5.0;
void setup() {
  Serial.begin(BAUD_RATE);
}
void loop() {
  unsigned int Digitalwert_u16 = analogRead(A0); // Quantisierung der Apannung am Analogen Eingang A0
  Serial.print(ARDUINO_SPANNUNG_f32 * AUFLOESUNG_u16/Digitalwert_u16); // Umrechnung Digitalwert in V
  Serial.println("V");
</source>
</div>
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Kennlinie des IR-Distanzsensors
|-
| '''Spannung <code>U1</code> in V'''|| '''Distanz <code>d</code> in cm'''|| '''Digitalwert <code>D1</code>'''
|-
| 3|| 3,6 || 614
|-
| 2.02|| 6 || 413
|-
| 0.82|| 16 || 168
|-
| ..|| .. || ..
|-
|}
'''Tipps:'''
* Nutzen Sie Werte über den gesamten Wertebereich [0.2&thinsp;V .. 3.2&thinsp;V].
* Sie können die Werte auch durch reale Messungen auf ein statisches Ziel ermitteln.
* Umrechnungsformel: <math>D_1 = U_1\cdot \frac{1023}{5\,V}</math>
<iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=98958e23-9c36-48cf-b912-af3c00601ce1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
-->


== Versuchsdurchführung ==
== Versuchsdurchführung ==
=== Aufgabe 7.1: Lernzielkontrolle ===
=== Aufgabe 8.1: Besprechung der Versuchsvorbereitung ===
Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
Diskutieren Sie mit Prof. Schneider die Ergebnis Ihrer Vorbereitung.
 
----
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf</code>
=== Aufgabe 8.2: Debugging ===
 
'''Arduino-Aufgabe'''
=== Aufgabe 7.2: Debugging ===
Arduino-Aufgabe
# Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl <code>millis()</code>
# Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl <code>millis()</code>
# Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
# 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>.
# 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>  
'''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>.
# 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 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>).
# 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.
# Beschriften Sie die Achsen.


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'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>schreibeDebugDatei.ino, Debug.txt, leseDebugDatei.m</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>schreibeDebugDatei.ino, Debug.txt, leseDebugDatei.m</code>
 
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
| <strong>Tutorial & Demo&thinsp;</strong>
 
|-
|
'''Tutorial:''' [[Einrichtung_von_PuTTY| Anleitung für Putty]]<br>
'''Tutorial:''' [[Einrichtung_von_PuTTY| Anleitung für Putty]]<br>
'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]
'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/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].
# 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.
# 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>
'''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">
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
| <strong>Lösung&thinsp;</strong>
|-
|
'''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>
=== Aufgabe 8.4: IR-Theremin ===
 
=== Aufgabe 7.4: 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.  
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.  
# Erzeugen Sie Töne abhängig von den Messwerten des Sharp IR-Entfernungssensors.  
Zeile 140: Zeile 119:


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>IR_Theremin.ino</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>IR_Theremin.ino</code>
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
'''Tipps:'''
* [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen Anleitung zur Ausgaben von Tönen]
</div>
=== Aufgabe 7.5: Nachhaltige Doku ===
Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
* Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
* Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|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: <code>SVN Log</code>


== Bewertung ==
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
{| class="wikitable"
| <strong>Tipp&thinsp;</strong>
|-
| '''Aufgabe'''|| '''Punkte'''
|-
|-
| 7.1|| 2
|  
|-
[https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen Anleitung zur Ausgaben von Tönen]
| 7.2|| 2
|-
| 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> ]
=== Aufgabe 8.5: Nachhaltige Doku ===
* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/tone/ Arduino Referenz: <code>tone()</code>]
* Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/notone/ Arduino Referenz: <code>noTone()</code>]
* Beachten Sie dabei die [[Software_Anforderungen|Software Anforderungen]].
* [[Sharp_GP2Y0A41SK0F| Wiki: SHARP IR Abstandsensor]]
* [[Einrichtung_von_PuTTY| Wiki: Anleitung für Putty]]


== Demos ==
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>SVN Log</code>, '''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf</code>
*  [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]


== Videos ==
== Videos ==
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{{#ev:youtube|https://youtu.be/x0NVb25p1oU | 250 | | STAR TREK original theme performed on theremin |frame}}
{{#ev:youtube|https://youtu.be/x0NVb25p1oU | 250 | | STAR TREK original theme performed on theremin |frame}}
{{#ev:youtube|https://https://https://youtu.be/FqG7rlj6tVM | 250 | | Infrarotsensor Theremin|frame}}
{{#ev:youtube|https://https://https://youtu.be/FqG7rlj6tVM | 250 | | Infrarotsensor Theremin|frame}}
== [[Datei:Lektionen.jpg|60px]] Ausblick zur nächsten Lektion ==
In der nächsten Lektion werden Schrittmotor und Servo angesteuert.


== Literatur ==
== Literatur ==
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→ zurück zum Hauptartikel: [[Arduino_Praxiseinstieg|Arduino Praxiseinstieg]]
→ Termine [[Einführungsveranstaltung Informatikpraktikum 1|0]] [[Einarbeitung_in_die_Versionsverwaltung_SVN|1]] [[Einstieg_in_die_Welt_des_Arduino|2]]  [[Arduino: Taster auswerten und LEDs ansteuern|3]] [[Arduino:_Sensoren_einlesen|4]]  [[Arduino:_Infrarotsensor_einlesen|5]] [[Arduino:_Infrarotsensor_entstören|6]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_I_WS_WS_25/26|7]] [[Arduino:_IR-Theremin|8]] [[Arduino:_Aktoren|9]] [[Arduino:_LCD_Display_mit_I2C_Schnittstelle|10]] [[Arduino:_Ultraschall_Entfernungsmessung|11]] [[Arduino:_Ultraschallsensor_entstören|12]] [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC|13]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_II_WS_25/26|14]]<br>
→ zurück zum Hauptartikel: [[Arduino_Praxiseinstieg_WS_25/26|Arduino Praxiseinstieg]]<br>
→ Haben Sie Fragen? [[Informatik Praktikum FAQ]]<br>

Aktuelle Version vom 19. März 2026, 10:24 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

MATLAB®

MATLAB® ist Ihr Werkzeug, um im Studium zu Simulieren, Daten zu verarbeiten, Filter zu testen oder Hardware modellbasiert zu programmieren. Mit MATLAB® können Sie

  • in Mathematik Gleichungen lösen, Ergebnisse berechnen und darstellen.
  • in Physik Zusammenhänge simulieren, darstellen und auswerten.
  • in der Informatik Messdaten visualisieren und analysieren.
  • uvm.

Die Grundlagen der Software können Sie sich in Selbstlernkursen beibringen.

Ein Einstiegspunkt bietet der Artikel: Einführung in MATLAB®. Wir wünschen Ihn viel Spaß mit diesem mächtigen Simulationswerkzeug.

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

  1. Haben Sie Messdaten mit 115200 baud seriell ausgegeben?
  2. Haben Sie Messdaten mit Putty in ein Textdatei geschrieben und gespeichert?
  3. Haben Sie die Messdaten mit MATLAB® geladen und angezeigt?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf

Tutorials

Demos

Vorbereitung

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

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

Versuchsdurchführung

Aufgabe 8.1: Besprechung der Versuchsvorbereitung

Diskutieren Sie mit Prof. Schneider die Ergebnis Ihrer Vorbereitung.

Aufgabe 8.2: Debugging

Arduino-Aufgabe

  1. Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl millis()
  2. Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
  3. Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor aus (Format: Zeit in ms;d in cm; Median-Filter in cm <LF>).
  4. 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

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

Nützliche Befehle: hold on, plot, yLabel, legend

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

Aufgabe 8.3: Töne erzeugen

  1. Folgen Sie der Anleitung zur Ausgaben von Tönen.
  2. 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

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.

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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Theremin.ino

Aufgabe 8.5: Nachhaltige Doku

  • Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (message) in SVN.
  • Beachten Sie dabei die Software Anforderungen.

Arbeitsergebnisse in SVN: SVN Log, Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf

Videos

Was ist ein Theremin?
STAR TREK original theme performed on theremin
Infrarotsensor Theremin

Ausblick zur nächsten Lektion

In der nächsten Lektion werden Schrittmotor und Servo angesteuert.


Literatur

  1. Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
  2. Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen: mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
  3. Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
  4. Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)
  5. Sharp: GP2Y0A41SK0F. URL: [1]. Datenblatt (858 kb)

→ Termine 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
→ zurück zum Hauptartikel: Arduino Praxiseinstieg
→ Haben Sie Fragen? Informatik Praktikum FAQ

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