Membran Drucksensor FSR402: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 28. Juli 2024, 23:29 Uhr

Autorin:	Dorothea Tege
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

In diesem Projekt liegt der Fokus auf dem Aufbau und der Integration eines FSR402 (Force Sensitive Resistor) Sensors mit verschiedenen Hardwarekomponenten und der Programmierung in Simulink. Der FSR402 ist ein druckempfindlicher Sensor, der durch eine Änderung seines Widerstands auf ausgeübten Druck reagiert. Diese Widerstandsänderung wird in eine analoge Spannung umgewandelt, die proportional zur Druckkraft ist. Das Projekt umfasst die Verbindung des Sensors mit anderer Hardware, um ein funktionales System zu erstellen, und die Programmierung in Simulink, um die analoge Spannung zu erfassen und in Kraftwerte zu konvertieren. Ziel ist es, ein System zu entwickeln, das präzise Kraftmessungen ermöglicht und diese in Echtzeit verarbeitet.

Aufgabenstellung

Messen Sie die Kraft mittels Membransensor.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen
Req.	Beschreibung	Priorität
1	Die Kraft muss mit Kraftdrucksensor FSR402 mittels Arduino und Simulink gemessen werden.	1
2	Der Messbereich muss bestimmt werden.	1
3	Die Messunsicherheit (1σ) muss für den Messbereich ermittelt und als Vertrauensbereich angezeigt werden.	1
4	Der Sensor muss kalibriert werden.	1
5	Für den Messbereich muss die Kraft referenziert werden.	1
6	Die Messwerte müssen über der Zeit gefiltert werden.	1
7	Ein Piepton muss anzeigen, wenn der Messwert stabil/konstant ist.	1
8	Das Sensorsystem muss die Kraft in N auf dem LCD-Display anzeigen.	2

Thema/Fragestellung: Messung der Kraft mit dem Membransensor FSR402
Hypothese: Die Kraft lässt sich im Bereich von 0.1 N bis 10 N fehlerfrei messen.
Einordnung in den Lehrplan: Der Force Sensitive Resistor (FSR) ist ein wichtiger Bestandteil in vielen technischen und informatischen Anwendungen, da er die Messung von Kräften oder Druckveränderungen in verschiedenen Systemen ermöglicht. Er wird in Bereichen wie der Sensortechnik, Robotik und Mensch-Maschine-Interaktion verwendet, um präzise Daten über physische Kräfte zu sammeln und zu verarbeiten. In der Lernveranstaltung „Angewandte Informatik“ wird das Ziel verfolgt, Simulink mit Hardware zu integrieren und mathematische Programmierung zu nutzen. Durch diese Lernveranstaltung wird es möglich, Sensoren wie den FSR in Simulink einzulesen und zu steuern, was praktische Anwendungen in der Datenverarbeitung und Steuerungstechnik eröffnet.

Projektbeschreibung

Tabelle 2: Materialliste
#	Anzahl	Material
1	1	PC mit MATLAB/Simulink R2022b
2	1	FSR402
3	1	Arduino Uno R3
4	1	Streckbrett
5	5	Jumper Kabel, männlich/männlich, 20 cm
6	1	LCD-Dispaly
7	1	Buzzer

Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software

Arduino Uno R3: Der Arduino Uno R3 ist ein vielseitiger Mikrocontroller, der auf dem ATmega328P-Mikrocontroller basiert. Er fungiert als zentrales Steuerungssystem, das alle anderen Hardwarekomponenten überwacht und steuert. Durch seine Vielzahl an digitalen und analogen Eingängen und Ausgängen kann der Arduino Signale von Sensoren wie dem FSR402 aufnehmen, verarbeiten und darauf basierend Aktionen auslösen.

FSR402: Der FSR402 ist ein Force Sensing Resistor (FSR), der als Drucksensor fungiert. Seine Funktionsweise basiert auf der Änderung seines Widerstands in Abhängigkeit vom auf ihn ausgeübten Druck. Je stärker der Druck, desto geringer wird der Widerstand des Sensors. Diese Widerstandsänderung wird vom Arduino Uno erfasst, der sie in eine Kraftmessung umwandelt, die dann verarbeitet und angezeigt wird.

Simulink R2022b: Simulink R2022b ist eine Software von MathWorks, die für die grafische Modellierung, Simulation und Analyse von Systemen verwendet wird. In Verbindung mit der Hardware wird Simulink genutzt, um Modelle der elektrischen Schaltungen und der Steuerungslogik zu erstellen und deren Verhalten zu simulieren.

LCD-Display: Das LCD-Display wird zur Anzeige der gemessenen Kraft in Newton (N) verwendet. Es ermöglicht eine visuelle Rückmeldung in Echtzeit, indem die vom Arduino verarbeiteten Daten auf dem Display angezeigt werden. Dies hilft dem Benutzer, die aktuellen Messwerte leicht abzulesen und zu überwachen. Aufgrund der Komplexität bei der Verwendung des LCD-Displays wurde es in diesem Projekt nicht eingesetzt.

Steckbrett: Das Steckbrett ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung und den Aufbau von Schaltungen. Es ermöglicht das unkomplizierte Einstecken und Verbinden von elektronischen Komponenten ohne die Notwendigkeit von Löten. Die auf dem Steckbrett aufgebaute Schaltung kann flexibel verändert und angepasst werden.

Jumperkabel: Jumperkabel sind flexible Kabel, die verwendet werden, um Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten auf dem Steckbrett herzustellen. Sie ermöglichen es, Signale und Strom zwischen dem Arduino, dem Drucksensor, dem Display und anderen Bauteilen zu übertragen, und sorgen dafür, dass die Schaltung korrekt funktioniert.

Buzzer: Der Buzzer ist ein akustisches Signalgebergerät, das Töne erzeugt. In diesem Setup wird der Buzzer verwendet, um einen Ton auszugeben, wenn eine bestimmte Kraft auf den Membransensor konstant gehalten wird. Dies dient als akustische Rückmeldung für den Benutzer, dass eine Kraft auf dem Drucksensor wirkt.

Technische Daten

Messbereich	0.1 N - 10 N
Versorgungsspannung	3.3 V .. 5 V
Wiederholgenauigkeit	±2 %
Widerstand ohne Belastung	10 MΩ
Kraftempfindlichkeitsbereich	1 kΩ
Gewicht	0.5 g
Getriebe	Kunststtoff
Arbeitstemperatur	-30 °C .. +70 °C
Dicke	0.45 mm
Durchmesser	18.28 mm

Pinbelegung

Pin	Belegung	Signal
1	Versorgungsspannung VCC	5 V
2	Analoger Eingang (A0)	0.3 V .. 5 V
3	Masse (GND)	0 V

Versuchsaufbau und Durchführung

Versuchsaufbau

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

Versuchsdurchführung

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

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.

Lernzielkontrollfragen

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. B. die Temperatur der Messung berücksichtigt werden?

Literatur

Zitieren Sie nach DIN ISO 690:2013-10.

https://cdn.sparkfun.com/assets/8/a/1/2/0/2010-10-26-DataSheet-FSR402-Layout2.pdf

Anhang

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

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 Beschreibung Funktionsweise der verwendeten Hard- und Software
-* '''Arduino Uno R3:''' Der Arduino Uno R3 ist ein Mikrocontroller, der auf einem ATmega328P basiert. Er dient als Steuerungssystem aller verbauten Hardwarebausteine.
+* '''Arduino Uno R3:''' Der Arduino Uno R3 ist ein vielseitiger Mikrocontroller, der auf dem ATmega328P-Mikrocontroller basiert. Er fungiert als zentrales Steuerungssystem, das alle anderen Hardwarekomponenten überwacht und steuert. Durch seine Vielzahl an digitalen und analogen Eingängen und Ausgängen kann der Arduino Signale von Sensoren wie dem FSR402 aufnehmen, verarbeiten und darauf basierend Aktionen auslösen.
-* '''FSR402:''' Der Membransensor ist ein Drucksensor (Force Sensing Resistor), der den Widerstand ändert, wenn Druck ausgeübt wird. Er wird verwendet, um den Druck zu messen.
+* '''FSR402:''' Der FSR402 ist ein Force Sensing Resistor (FSR), der als Drucksensor fungiert. Seine Funktionsweise basiert auf der Änderung seines Widerstands in Abhängigkeit vom auf ihn ausgeübten Druck. Je stärker der Druck, desto geringer wird der Widerstand des Sensors. Diese Widerstandsänderung wird vom Arduino Uno erfasst, der sie in eine Kraftmessung umwandelt, die dann verarbeitet und angezeigt wird.
-* '''Simulink R2022b:''' Das Programm ist eine grafische Programmiersoftware von MathWorks. Simulink dient zur Modellierung, Simulation und Analyse der angeschlossenen Hardware.
+* '''Simulink R2022b:''' Simulink R2022b ist eine Software von MathWorks, die für die grafische Modellierung, Simulation und Analyse von Systemen verwendet wird. In Verbindung mit der Hardware wird Simulink genutzt, um Modelle der elektrischen Schaltungen und der Steuerungslogik zu erstellen und deren Verhalten zu simulieren.
-* '''LCD-Display:''' Der Display wird für die Anzeige der Kraftmessung in N verwendet.
-* '''Steckbrett:''' Das Steckbrett dient zur Entwicklung von Schaltungen und ermöglicht das einfachen Einstecken und Verbinden von elektronischen Komponenten ohne Löten.
+* '''LCD-Display:''' Das LCD-Display wird zur Anzeige der gemessenen Kraft in Newton (N) verwendet. Es ermöglicht eine visuelle Rückmeldung in Echtzeit, indem die vom Arduino verarbeiteten Daten auf dem Display angezeigt werden. Dies hilft dem Benutzer, die aktuellen Messwerte leicht abzulesen und zu überwachen. Aufgrund der Komplexität bei der Verwendung des LCD-Displays wurde es in diesem Projekt nicht eingesetzt.
-* '''Jumperkabel:''' Die flexiblen Kabel verbinden die einzelnen Komponenten auf dem Steckbrett.
+* '''Steckbrett:''' Das Steckbrett ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Entwicklung und den Aufbau von Schaltungen. Es ermöglicht das unkomplizierte Einstecken und Verbinden von elektronischen Komponenten ohne die Notwendigkeit von Löten. Die auf dem Steckbrett aufgebaute Schaltung kann flexibel verändert und angepasst werden.
-* '''Buzzer:''' Der Buzzer erzeugt Töne, wenn die Kraft auf dem Membransensor konstant ist.
+* '''Jumperkabel:''' Jumperkabel sind flexible Kabel, die verwendet werden, um Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten auf dem Steckbrett herzustellen. Sie ermöglichen es, Signale und Strom zwischen dem Arduino, dem Drucksensor, dem Display und anderen Bauteilen zu übertragen, und sorgen dafür, dass die Schaltung korrekt funktioniert.
+* '''Buzzer:''' Der Buzzer ist ein akustisches Signalgebergerät, das Töne erzeugt. In diesem Setup wird der Buzzer verwendet, um einen Ton auszugeben, wenn eine bestimmte Kraft auf den Membransensor konstant gehalten wird. Dies dient als akustische Rückmeldung für den Benutzer, dass eine Kraft auf dem Drucksensor wirkt.
 === Technische Daten ===