Herzfrequenz/Pulsesensor SE050: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Kategorie:Arduino]]
[[Datei:SE050 02.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Herzfrequenz/Pulsesensor SE050]]
{|class="wikitable"
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| '''Autorin:'''  || [[Benutzer: Weiran Wang |Weiran Wang]]
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| '''Studiengang:'''  || Business and Systems Engineering
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| '''Modul:''' || BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik gehalten von [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
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| '''Semester:''' || Sommersemester 2024
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| '''Abgabetermin:''' || 28.07.2024
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== Einführung ==
=== Aufgabenstellung ===
Messen Sie die Kraft mittels Membransensor.
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| <strong>Anforderungen&thinsp;</strong>
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|+ Tabelle 1: Anforderungen
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! Req. !! Beschreibung !! Priorität
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| 1 || Die Kraft muss mit Kraftdrucksensor FSR402 mittels Arduino und Simulink gemessen werden.|| 1
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| 2 || Der Messbereich muss bestimmt werden. || 1
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| 3 || Die Messunsicherheit (1σ) muss für den Messbereich ermittelt und als Vertrauensbereich angezeigt werden. || 1
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| 4 || Der Sensor muss kalibriert werden. || 1
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| 5 || Für den Messbereich muss die Kraft referenziert werden. || 1
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| 6 || Die Messwerte müssen über der Zeit gefiltert werden.  || 1
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| 7 || Ein Piepton muss anzeigen, wenn der Messwert stabil/konstant ist. || 1
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| 8 || Das Sensorsystem muss die Kraft in N auf dem [[LCD_Modul_16x02_I2C|LCD-Display]] anzeigen. || 2
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*'''Thema/Fragestellung:''' Messung der Entfernung mit dem Sensor Sharp GP2-0430K
*'''Hypothese:''' Die Entfernung lässt sich im Bereich von 4&thinsp;cm bis 50&thinsp;cm fehlerfrei messen.
* '''Einordnung in den Lehrplan'''
 
== Projektbeschreibung ==
{| class="wikitable"
|+ style = "text-align: left"|Tabelle 2: Materialliste
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! #  !! Anzahl !! Material
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| 1  || 1|| PC mit MATLAB/Simulink R2022b
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| 2  || 1 || Sensor Sharp GP2-0430K
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| 3  || 1 || Arduino Uno R3
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| 4 || 1 || Streckbrett
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| 5 || 5 || Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm
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Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software
* Arduino Uno R3
* Sensor Sharp GP2-0430K
* Simulink R2022b
 
=== Technische Daten ===
{| class="wikitable"
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| Messbereich || 0&thinsp;° .. 180&thinsp;°
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| PWM-Modulation || analog
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| PWM-Pulszykluszeit || 20&thinsp;ms
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| PWM-Pulsweite || 500-2400&thinsp;ms
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| Versorgungsspannung || 4.0&thinsp;V .. 7.2&thinsp;V
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| Versorgungsstrom || 20&thinsp;mA
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| Geschwingigkeit || 0,12&thinsp;s/60&thinsp;° (@4,8&thinsp;V, lastfrei)
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| Drehmoment || 1,5&thinsp;kg/cm (@4,8&thinsp;V)
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| Gewicht || 9&thinsp;g
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| Getriebe || Kunststtoff
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| Arbeitstemperatur || 0&thinsp;°C .. +55&thinsp;°C
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| Abmessungen|| 22,2&thinsp;mm x 11,8&thinsp;mm x 31&thinsp;mm
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=== Pinbelegung ===
{| class="wikitable"
! style="font-weight: bold;" | Pin
! style="font-weight: bold;" | Belegung
! style="font-weight: bold;" | Signal
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| 1 || Versorgungsspannung VCC  || 5&thinsp;V
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| 2 || Triggereingang || TTL-Pegel
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| 3 || Echo, Ausgang Messergebnis  || TTL-Pegel
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| 4 || Masse (GND)  || 0&thinsp;V
|}
 
== Versuchsaufbau und Durchführung ==
=== Versuchsaufbau ===
[[Datei:Schaltplan Sharp.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 2: Schaltplan]]
[[Datei:Anschlussplan Sharp.png|thumb|rigth|450px|Abb. 3: Anschlussplan]]
[[Datei:Foto Sharp.png|thumb|rigth|450px|Abb. 4: Foto des Versuchsaufbaus]]
Der Versuchsaufbau wird durch einen Schaltplan (Abb. 2), Anschlussplan (Abb. 3) und Foto des Aufbaus (Abb. 4) dokumentiert.
 
=== Versuchsdurchführung ===
[[Datei:Simulink Sharp.png|thumb|rigth|450px|Abb. 5: Simulink-Modell]]
Das Modell zur Datenverarbeitung wurde gemäß Abb. 5 in Simulink aufgebaut. Die Messdaten wurden aufgezeichnet. Ein Video der Versuchsdurchführung findet sich hier.
 
'''Modelleinstellungen:''' Arduino Uno, Solver: Fixed-step, discrete, Abtastrate: 0,001 s
 
=== Versuchsbeobachtung ===
[[Datei:Sharp Ergebnis 1.png|thumb|rigth|450px|Abb. 6: Darstellung des Rohsignals des IR-Entfernungssensors (rote Kurve)]]
[[Datei:Sharp Ergebnis 2.png |thumb|rigth|450px|Abb. 7: Darstellung von dynamischen Messwerten des IR-Entfernungssensors]]
Das Signal des Sensors weist alle 40&thinsp;ms systematische Ausreisser auf (vgl. Abb. 6, rote Kurve).
 
== Auswertung==
Die Messhypothese wurde verworfen. Der Sensor weist systematische Messwertausreisser auf.
 
Die Ausreisser lassen sich mit einem Signalfilter eliminieren. Hierzu eignet sich ein Rangordnungsfilter (z.&thinsp;B. Median-Filter). Das Filter wird hierzu auf eine Fensterbreite von 30 Werten
eingestellt. Das zufriedenstellende Filterergebnis für statische Werte zeigt Abb. 6 als blaue Kurve. Es konnte mit dynamische Werten verifiziert werden (vgl. Abb. 7). Das Datenblatt ([2, S. 6]) belegt die Messungen und bezeichnet die Messausreisser als "instabile Ausgabe" für maximal 5&thinsp;ms alle 40&thinsp;ms. Mit 50 Werten erhöht sich die Filterwirkung, es entsteht jedoch ein Delay von 10&thinsp;ms. Mit 10 Werten ist die Filterwirkung zu gering.
== Zusammenfassung und Ausblick ==
* Zusammenfassung der Kapitel 1-4
* Diskussion der Ergebnisse
* Ausblick
* Selbstreflexion/Lessons learned
 
== Ergebnisvideo ==
Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.
 
Anleitung: [[Videos_einbinden|Videos im Wiki einbinden]]
 
== Lernzielkrontrolle ==
Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.
{| role="presentation" class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
| <strong>Lernzielkontrollfragen&thinsp;</strong>
|-
|
# Wie funktioniert der Primärsensor technisch?
# Welche Leistungsmerkmale hat der Sensor?
# Wie funktioniert die Umsetzerschaltung technisch?
# Wie kommuniziert der Sensor mit dem Arduino?
# Muss der Sensor kalibriert werden?
# Wie wird der Messwert in die zu messende physikalische Größe umgerechnet?
# Was nutzen Sie als Referenz?
# Benötigt der Sensor eine Kennlinie?
# Welchen Messbereich hat das Signal am Ende der Messkette?
# Welche Messunsicherheit und welcher Vertrauensbereich hat das Signal am Ende der Messkette für den gesamten Messbereich?
# Welche Auflösung hat das Signal am Ende der Messkette? Wodurch wird die Auflösung bedingt?
# Weist das Signal am Ende der Messkette einen systematischen oder zufälligen Fehler auf?
# Welche Fehlereinflüsse hat die Messung? Muss z.&#8239;B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?
|}
 
== Literatur ==
Zitieren Sie nach [[Zitieren_nach_DIN1505|DIN ISO 690:2013-10]].
 
== Anhang ==
* Datenblätter
* Simulink-Modell
* Originaldateien (PAP, Schaltplan,... )
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Version vom 8. Juli 2024, 14:55 Uhr

Abb. 1: Herzfrequenz/Pulsesensor SE050
Autorin: Weiran Wang
Studiengang: Business and Systems Engineering
Modul: BSE-M-2-1.03, Hausarbeit in Angewandte Informatik gehalten von Prof. Dr.-Ing. Schneider
Semester: Sommersemester 2024
Abgabetermin: 28.07.2024

Einführung

Aufgabenstellung

Messen Sie die Kraft mittels Membransensor.

  • Thema/Fragestellung: Messung der Entfernung mit dem Sensor Sharp GP2-0430K
  • Hypothese: Die Entfernung lässt sich im Bereich von 4 cm bis 50 cm fehlerfrei messen.
  • Einordnung in den Lehrplan

Projektbeschreibung

Tabelle 2: Materialliste
# Anzahl Material
1 1 PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2 1 Sensor Sharp GP2-0430K
3 1 Arduino Uno R3
4 1 Streckbrett
5 5 Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm

Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software

  • Arduino Uno R3
  • Sensor Sharp GP2-0430K
  • Simulink R2022b

Technische Daten

Messbereich 0 ° .. 180 °
PWM-Modulation analog
PWM-Pulszykluszeit 20 ms
PWM-Pulsweite 500-2400 ms
Versorgungsspannung 4.0 V .. 7.2 V
Versorgungsstrom 20 mA
Geschwingigkeit 0,12 s/60 ° (@4,8 V, lastfrei)
Drehmoment 1,5 kg/cm (@4,8 V)
Gewicht 9 g
Getriebe Kunststtoff
Arbeitstemperatur 0 °C .. +55 °C
Abmessungen 22,2 mm x 11,8 mm x 31 mm

Pinbelegung

Pin Belegung Signal
1 Versorgungsspannung VCC 5 V
2 Triggereingang TTL-Pegel
3 Echo, Ausgang Messergebnis TTL-Pegel
4 Masse (GND) 0 V

Versuchsaufbau und Durchführung

Versuchsaufbau

Abb. 2: Schaltplan
Abb. 3: Anschlussplan
Abb. 4: Foto des Versuchsaufbaus

Der Versuchsaufbau wird durch einen Schaltplan (Abb. 2), Anschlussplan (Abb. 3) und Foto des Aufbaus (Abb. 4) dokumentiert.

Versuchsdurchführung

Abb. 5: Simulink-Modell

Das Modell zur Datenverarbeitung wurde gemäß Abb. 5 in Simulink aufgebaut. Die Messdaten wurden aufgezeichnet. Ein Video der Versuchsdurchführung findet sich hier.

Modelleinstellungen: Arduino Uno, Solver: Fixed-step, discrete, Abtastrate: 0,001 s

Versuchsbeobachtung

Abb. 6: Darstellung des Rohsignals des IR-Entfernungssensors (rote Kurve)
Abb. 7: Darstellung von dynamischen Messwerten des IR-Entfernungssensors

Das Signal des Sensors weist alle 40 ms systematische Ausreisser auf (vgl. Abb. 6, rote Kurve).

Auswertung

Die Messhypothese wurde verworfen. Der Sensor weist systematische Messwertausreisser auf.

Die Ausreisser lassen sich mit einem Signalfilter eliminieren. Hierzu eignet sich ein Rangordnungsfilter (z. B. Median-Filter). Das Filter wird hierzu auf eine Fensterbreite von 30 Werten eingestellt. Das zufriedenstellende Filterergebnis für statische Werte zeigt Abb. 6 als blaue Kurve. Es konnte mit dynamische Werten verifiziert werden (vgl. Abb. 7). Das Datenblatt ([2, S. 6]) belegt die Messungen und bezeichnet die Messausreisser als "instabile Ausgabe" für maximal 5 ms alle 40 ms. Mit 50 Werten erhöht sich die Filterwirkung, es entsteht jedoch ein Delay von 10 ms. Mit 10 Werten ist die Filterwirkung zu gering.

Zusammenfassung und Ausblick

  • Zusammenfassung der Kapitel 1-4
  • Diskussion der Ergebnisse
  • Ausblick
  • Selbstreflexion/Lessons learned

Ergebnisvideo

Binden Sie hier Ihr Ergebnisvideo ein.

Anleitung: Videos im Wiki einbinden

Lernzielkrontrolle

Beantworten Sie in Ihrem Artikel die Lernzielkontrollfragen.

Literatur

Zitieren Sie nach DIN ISO 690:2013-10.

Anhang

  • Datenblätter
  • Simulink-Modell
  • Originaldateien (PAP, Schaltplan,... )

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