Arduino: IR-Theremin

Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino

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

Bislang wurde der serielle Monitor und Plotter der Arduino IDE zu Datenvisualisierung verwendet. In dieser Lektion werden die Daten in eine Textdatei geschrieben. Zusätzlich wird der

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

• können Sie die systematischen Sensorfehler erkennen und behandeln.
• können die Messwerte mit dem Serial Plotter der Arduino IDE vergleichend anzeigen und bewerten.
• können Sie die über entfernungsabhängig Töne spielen.
• können Sie die Messwerte charakterisieren.

Lernzielkontrolle

1. Zeichnen Sie die gemessene Entfernung im Verhältnis zu einer Referenz auf. Die Referent kann ein Gliedermaßstab sein. Welchen Messbereich hat Ihr IR-Sensor?
2. Zeichnen Sie die gemessenen Entfernungsschritte über dem Messbereich auf. Welche Auflösung hat Ihr Sensor?
3. Zeichnen Sie die Auflösung über dem Messbereich auf. Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?
4. Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
5. Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
6. Wurde auf magic numbers verzichtet?
7. Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_05.pdf

Vorbereitung

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

1. Installieren Sie die QuickSort Bibliothek. Nutzen Sie die Anleitung zur Installation von Bibliotheken.
2. Sortieren Sie die 5 Zufallswerte nach Größe z. B. 2,2,4,1,2 wird zu 1,2,2,2,4. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus DemoSortiereArray.ino.

Versuchsdurchführung

Aufgabe 6.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Aufgabe 6.2: Messwertanalyse

1. Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl millis()
2. Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor aus (z. B. Zeit in ms : Entfernung in cm).
3. Analysieren Sie die Messdaten. Was fällt Ihnen auf?
4. Diskutieren Sie das Ergebnis mit Prof. Schneider.
5. Wie lässt sich der Fehler beheben?

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

Arbeitsergebnisse in SVN: zeigeIRMesswerte.ino

Aufgabe 6.3: Median-Filter

1. Ausreißer lassen sich gut mit einem Median-Filter entfernen. Ein Beispielvideo finden Sie in diesem [Sharp_GP2Y0A41SK0F#Median-Filter_f%C3%BCr_die_St%C3%B6rungen|Artikel}.
2. Schreiben Sie die Funktion float = MedianFilter(float Messwert_s32). Diese Funktion soll über einen statischen 5 Werte Ringspeicher (first in first out, FIFO) verfügen. Der erste Wert wird gelöscht, die nachfolgenden Werte rutschen einen auf und der neue Messwert (Messwert_s32) nimmt Platz 5 ein.
3. Sortieren Sie die 5 Werte nach Größe z. B. 2,2,4,1,2 wird zu 1,2,2,2,4. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus DemoSortiereArray
4. Geben Sie als Rückgabewert SortiertesArray[3] zurück.
5. Testen Sie die Funktion Ihrer Funktion mit Zufallszahlen im void loop()

Nützliche Befehle: random(), Serial.println(), analogRead(), LookupTable(), analogRead()

Arbeitsergebnisse in SVN: testeMedianFilter.ino

Lösung: [Sharp_GP2Y0A41SK0F#Median-Filter_f%C3%BCr_die_St%C3%B6rungen| Median-Filter für die Störung]

Aufgabe 6.4: 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. Folgen Sie der Anleitung zur Ausgaben von Tönen.
2. Erzeugen Sie Töne abhängig von den Messwerten des Sharp IR-Entfernungssensors.
3. Kalibrieren Sie die Zuordnung von Entfernung zu Frequenzen mit dem Der map()-Befehl.
4. Spielen Sie eine Melodie.

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

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Theremin.ino

Tipps:

• Anleitung zur Ausgaben von Tönen

Aufgabe 6.5: 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

Bewertung

Aufgabe	Punkte
7.1	2
7.2	2
7.3	2
7.4	2
7.5	2

Tutorials

• Arduino: Using the Serial Plotter Tool
• Arduino Referenz: analogRead()
• Arduino Referenz: map()
• Arduino Referenz: tone()
• Arduino Referenz: noTone()
• Wiki: SHARP IR Abstandsensor

Demos

• DemoSharpIR.ino
• DemoLookupTable.ino
• DemoLookupTableIR.ino

Videos

Was ist ein Theremin?

Infrarotsensor Theremin

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)

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