Angewandte Informatik: Barometrische Höhenmessung

Autor:	Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul	Business and Systems Engineering, Angewandte Mathematik und Informatik, Übung, Sommersemester
Modulbezeichnung:	BSE-M-2-1.09
Lektion:	9

Inhalt

Luftdrucksensoren werden in zahlreichen technischen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in Wetterstationen, Navigationssystemen, Drohnen, Smartphones und Höhenmessern. Da der atmosphärische Luftdruck mit zunehmender Höhe abnimmt, kann aus einer Druckmessung auf die relative Höhe eines Messortes geschlossen werden. Moderne MEMS-Sensoren wie der Bosch BMP180 ermöglichen die präzise Erfassung von Luftdruck und Temperatur mit geringem Aufwand und niedrigen Kosten.

In dieser Laborübung wird der Luftdrucksensor BMP180 über einen Arduino ausgelesen und die Messdaten mit MATLAB analysiert. Ziel ist es, die Eignung des Sensors zur Bestimmung von Höhenänderungen zu untersuchen. Hierzu werden Druck- und Temperaturdaten aufgezeichnet, statistisch ausgewertet und mithilfe der barometrischen Höhenformel in Höhenwerte umgerechnet. Darüber hinaus wird die Messunsicherheit der Höhenbestimmung analysiert und die Aussagekraft der Messergebnisse bewertet.

Die Aufgabe verbindet die Themen Sensorik, Datenerfassung, Signalverarbeitung und Messunsicherheitsanalyse und vermittelt damit wichtige Methoden der modernen Messtechnik.

Lernziele

Nach erfolgreicher Bearbeitung dieser Aufgabe können die Studierenden:

• den Luftdrucksensor BMP180 mit einem Arduino in Betrieb nehmen und Messdaten erfassen,
• Druck- und Temperaturwerte über eine serielle Schnittstelle an MATLAB übertragen,
• Messdaten strukturieren, speichern und visualisieren,
• statistische Kenngrößen wie Mittelwert, Standardabweichung sowie Minimal- und Maximalwerte bestimmen,
• das Rauschverhalten eines Sensors anhand realer Messdaten bewerten,
• Luftdruckmessungen mithilfe der barometrischen Höhenformel in Höhenangaben umrechnen,
• Höhenänderungen aus Druckdifferenzen bestimmen und interpretieren,
• Messunsicherheiten durch numerische Sensitivitätsanalysen abschätzen,
• die Eignung eines Sensors für eine konkrete messtechnische Anwendung kritisch bewerten,
• den Einfluss von Filterverfahren auf Messgenauigkeit und Dynamik diskutieren.

Vorbereitung

Bereiten Sie sich anhand der Tutorials vor.

Beantworten Sie sich im Vorfeld die Lernzielkontrollfragen:

• Wie übermittelt der Sensor seine Daten an den Arduino?
• Wie funktioniert ein I²C-Bus?
• Wie kann man den barometrischen Druck messen?
• Wie läßt sich aus dem Druck die Höhe berechnen?

Tutorials

• Wiki: Herzfrequenzsensor SE050
• Wiki: I²C

Aufgabe: Pulsmessung mit Herzfrequenzsensor

1. Machen Sie sich mit der Funktionsweise des Herzfrequenzsensor vertraut.
2. Lesen Sie die Spannung am Analogpin A0 ein und stellen Sie diese mit MATLAB^® live über der Zeit dar.
3. Das Rohsignal enthält Störungen. Entwickeln Sie eine Signalverarbeitung zur Pulsmessung.
4. Berechnen Sie den Puls im Schläge pro Minute aus den Pulsspitzen.
5. Stellen Sie das Rohsignal und das gefilterte Signal in einem plot dar.
6. Geben Sie das Ergebnis über einen aktiven oder passiven Lautsprecher aus.

Nützliche MATLAB^®-Befehle:

Arbeitsergebnisse: messeHoehe.m, Hoehe.mat

---

→ zurück zum Hauptartikel: BSE Angewandte Informatik - SoSe26