Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsschätzung

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Autoren:	Niklas Reeker, Oliver Scholze und Johann Kismann
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Abb. 01: Skizze des Projekts Zeitschätzung

Einleitung

Bereits im Grundschulalter versuchen wir Kindern ein Gefühl für Zeit zu vermitteln. Indem sie Zeitintervalle schätzen und dabei oft feststellen, wie sehr sie danebenliegen können, erkennen sie die Bedeutung von Zeit und beginnen Uhren zu tragen. Als Erwachsene haben wir zwar ein besseres Zeitgefühl entwickelt, doch die genaue Schätzung von Zeit und Entfernungen bleibt eine Herausforderung.

Unser Escape Game greift diese Phänomene auf spannende Weise auf. Die Aufgabe klingt einfach, erweist sich jedoch als knifflig: Halten Sie Ihren Finger genau 10 Sekunden lang auf einen Knopf – ohne Hilfsmittel zur Zeitmessung. Sobald diese erste Aufgabe erfolgreich abgeschlossen ist, müssen Sie zusätzlich eine Entfernung von 10 cm abschätzen. Zur Entfernungsmessung wird ein IR-Sensor verwendet, der die Genauigkeit der Schätzung ermittelt. Eine LED über dem IR-Sensor beginnt zu blinken, um anzuzeigen, dass die Entfernung nun geschätzt werden soll. Sobald Sie glauben, die richtige Entfernung gefunden zu haben, müssen Sie erneut den Knopf drücken, um Ihre Schätzung zu bestätigen. Ist diese Aufgabe korrekt gemeistert, erleuchtet die nächste LED über dem Drucksensor und es muss das dritte und damit auch das letzte Rätsel gelöst werden. Dies umfasst eine Gewichtsschätzung über einen Drucksensor. Dabei muss bei einer Auswahl von drei verschiedenen Gewichten (50 g/100 g/150 g) das Gewicht mit 100 g ausgewählt und auf den Drucksensor gestellt werden. Auch hier stellt ein erneuter Knopfdruck die Bestätigung der Auswahl dar.

Lassen Sie den Knopf zu früh oder zu spät los, schätzen Sie die Entfernung falsch oder wählen Sie das falsche Gewicht, ertönt eine traurige Melodie und die tatsächlich gedrückte Zeit, die geschätzte Entfernung oder das ausgewählte Gewicht werden angezeigt. So erfahren Sie genau, wie weit Sie von den Zielwerten entfernt waren und ob Ihre Schätzungen zu kurz oder zu lang waren. Treffen Sie jedoch die richtigen Werte, werden Sie mit einer Siegermelodie belohnt, und der Code für das Schloss erscheint auf dem Display. Nur mit diesem Code können Sie das Escape-Schloss öffnen und erfolgreich entkommen. Wichtig: Es wird immer erst die, dann die Entfernung und anschließend das Gewicht geschätzt. Ist eine der drei Schätzungen falsch, müssen Sie von vorne beginnen, beginnend mit der Zeitmessung.

Dieses Spiel verbindet Spaß und Spannung und zeigt auf unterhaltsame Weise, wie herausfordernd es sein kann, sowohl Zeit als auch Entfernungen präzise einzuschätzen. Stellen Sie Ihr Gefühl auf die Probe und finden Sie heraus, ob Sie den Code knacken können!

Anforderungen

Im nachfolgenden werden die testbaren Anforderungen gezeigt welche den korrekten Betrieb der Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsschätzung sicherstellen.

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Escape Game muss in 4-5 Minuten lösbar sein	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
2	Der Spieler muss den Button für 10 Sekunden +-1 s Sekunde gedrückt halten um zum zweiten Rätsel der Abstandsmessung zu gelangen.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
3	Wenn die Zeit falsch geschätzt wurde, wird die tatsächlich gedrückte Zeit auf dem Display angezeigt.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
4	Wenn die Zeit falsch geschätzt wurde, beginnt das Spiel von vorne.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
5	Wenn die Zeit falsch geschätzt wurde, wird eine traurige Melodie abgespielt.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
6	Ist die Zeit richtig geschätzt, blinkt eine LED, alle 500 ms, bei der Entfernungsschätzung um dem Benutzer zu zeigen wo es weitergeht.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
7	Ist die Zeit richtig geschätzt, beginnt die Entfernungsschätzung von 10 cm +-1 cm.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
8	Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, beginnt das Spiel von vorne mit der Zeitmessung.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
9	Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, wird die tatsächlich geschätzte Entfernung auf dem Bildschirm in cm angezeigt.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
10	Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, wird eine traurige Melodie abgespielt.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
11	Ist die Entfernung richtig geschätzt, leuchtet eine LED, bei der Gewichtsschätzung um dem Benutzer zu zeigen wo es weitergeht.	Hoch	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
12	Ist die Entfernung richtig geschätzt, beginnt die Gewichtsschätzung von 100 g +-10%.	Hoch	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
13	Wenn das Gewicht falsch geschätzt wird, beginnt das Spiel von vorne mit der Zeitmessung.	Hoch	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
14	Wenn das Gewicht falsch geschätzt wird, wird das tatsächliche Gewicht auf dem Bildschirm in g angezeigt.	Hoch	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
15	Wenn das Gewicht falsch geschätzt wird, wird eine traurige Melodie abgespielt.	Mittel	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
16	Bei richtiger Zeitschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
17	Bei richtiger Entfernungsschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
18	Bei richtiger Gewichtsschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt.	Mittel	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
19	Die Zeitmessung wird bei der Ausgabe auf ganze Sekunden gerundet (Bsp: 12,6 s entspricht 13 s).	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
20	Die Entfernungsmessung wird bei der Ausgabe auf ganze Entfernungen in cm gerundet (Bsp: 12,6 cm entspricht 13 cm).	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
21	Die Gewichtsmessung wird bei der Ausgabe auf ein ganzzahliges Gewicht in g gerundet (Bsp: 105,2 g entspricht 105 g).	Hoch	Johann Kismann	11.10.2024	Oliver Scholze	11.10.2024
22	Bei richtiger Gewichtsschätzung wird der dreistellige Code für das Schloss auf dem Display ausgegeben.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
23	Das Spiel muss ohne visuelle Hilfsmittel zur Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsmessung (wie Uhren, Lineale oder Waagen) funktionieren.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
24	Die Interaktion erfolgt über einen einfachen Knopf und einen Display für Rückmeldungen.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
25	Das System muss benutzerfreundlich und für Kinder wie Erwachsene geeignet sein.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
26	Das Arduino-System wird über Simulink gesteuert.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
27	Das Escape Game muss in einen Schuhkarton passen.	Gering	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 02: Funktionaler Systementwurf

Abb. 03: Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Das Eingabegerät wird durch den/die Spieler/in aktiviert, wie in Abbildung 02 dargestellt, woraufhin die Zeitmessung beginnt. Die Aufgabe für den/die Spieler/in besteht darin, das Gerät für eine vorgegebene Dauer zu bedienen, basierend auf der Einschätzung, wann die geforderte Zeit erreicht wurde.

Sobald diese Zeitspanne erfolgreich eingehalten wurde, wird der/die Spieler/in aufgefordert, eine Entfernung von 10 cm +-1 cm zu schätzen. Ist auch diese Aufgabe korrekt absolviert, wird der/die Spieler/in aufgefordert, ein Gewicht von 100 g zu schätzen. Alle drei Schätzungen dürfen jedoch nur ohne Hilfsmittel bestimmt werden. Erst wenn alle drei Aufgaben – Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsschätzung – korrekt abgeschlossen wurden, erhält der/die Spieler/in einen Code, der es ermöglicht, mit dem nächsten Escape-Spiel fortzufahren.

Sollten die Zeitvorgabe, die Entfernung oder das Gewicht nicht korrekt geschätzt werden, ist es erforderlich, den Vorgang zu wiederholen, beginnend mit der Zeitmessung, bis alle drei Herausforderungen erfolgreich gemeistert wurden.

Technischer Systementwurf

Die Steuerung und Überwachung des gesamten Spielablaufs obliegt einem Mikrocontroller, wie im funktionalen Systementwurf unter Abbildung 03 ersichtlich ist. Dieser ist direkt an die Spannungsversorgung angeschlossen, um eine kontinuierliche Funktionstüchtigkeit zu gewährleisten. Das Eingabegerät für den/die Spieler/in wird über einen Taster realisiert, der unmittelbar mit dem Mikrocontroller verbunden ist. Bei Aktivierung des Tasters initiiert dieser den Start der Stoppuhrfunktion im Mikrocontroller, um die Zeitmessung zu beginnen.

Nach erfolgreicher Zeitmessung wird der/die Spieler/in aufgefordert, eine Entfernung von 10 cm +-1 cm zu schätzen. Zur Entfernungsmessung wird ein IR-Sensor verwendet, der ebenfalls direkt mit dem Mikrocontroller verbunden ist. Um dem/der Spieler/in anzuzeigen, dass die Entfernungsmessung erfolgen soll, beginnt eine LED über dem IR-Sensor zu blinken. Diese LED ist ebenfalls an den Mikrocontroller angeschlossen und sorgt für eine visuelle Rückmeldung, wann der nächste Schritt – die Entfernungsschätzung – erfolgen muss. Für die Gewichtsschätzung wird ein Drucksensor verwendet. Ist die Entfernungsschätzung korrekt, soll eine weitere LED über dem Drucksensor für die Gewichtsschätzung blinken. Auch hierbei soll die LED als eine visuelle Rückmeldung fungieren, um den nächsten Schritt anzuzeigen.

Um das Spielergebnis – sei es die gemessene Zeit, die geschätzte Entfernung, das geschätzte Gewicht oder der freizuschaltende Code, abhängig vom Erfolg des/der Spieler/s – adäquat darzustellen, werden drei 7-Segment-Displays verwendet. Vor diesen Displays wird ein 7-Segment-Decoder geschaltet, um die Anzahl der notwendigen Verbindungen zum Mikrocontroller möglichst gering zu halten und so die Effizienz des Systems zu optimieren.

Zusätzlich wird ein Buzzer in das System integriert, um eine auditive Rückmeldung in Form einer Melodie zu ermöglichen, wie in der Einleitung beschrieben. Dieses Element trägt zur interaktiven und ansprechenden Gestaltung des Spielerlebnisses bei, indem es den/die Spieler/in sowohl bei Erfolg als auch bei Misserfolg über den Spielstatus informiert.

Materialliste

Die Materialliste gibt einen Überblick der benötigten Komponenten. Zusätzlich wird der Bestellstatus festgehalten.

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino Mega
2	1	Taster
3	3	7-Segment-Display
4	1	(Lochrasterplatine)
5	1	Verbindungskabel
6	3	7-Segment-Decoder
7	1	Summer
8	2	LED grün
9	2	Widerstand 10kOhm
10	1	Netzteil + Kabel
11	1	Gehäuse 3D-Druck
12	2	Widerstand 150Ohm
13	1	IR-Sensor
14	1	Drucksensor

Komponentenspezifikation

Stückliste (BOM)

Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.

Da alle weiteren Komponenten bei Reichelt bestellt werden können fallen dafür einmalig Versandkosten von 5,95€ an.

Tabelle 3: BOM

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
1	1x	19,30€	19,30€	Arduino Mega	ARD MEGA2560 R3 Arduino kompatibles Mega 2560 R3 Board	Der Mirkocontroller mit dem ATmega2560 verfügt über 54digitale I/O - Schnittstellen. Des weiteren sind 16 analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden.	ARD MEGA2560 R3 Arduino kompatibles Mega 2560 R3 Board	Abb. 04: Arduino Mega
2	1x	11,56€	11,56€ + 4,95€ Versand	Taster	Pilztaster Not-Aus Pilz Taster IP65	Der Taster kann mit bis zu 24V belastet werden.	Datenblatt Taster	Abb. 05: Taster
3	3x	0,99€	2,97€	7 Segment Display	Single-7-Segment-Anzeige, rot, 14,2mm, 6,4 mcd, gem. Anode	Ein 7-Segment-Display stellt eine elektronische Anzeigevorrichtung dar, die primär für die Visualisierung numerischer Daten verwendet wird.	7 Segment Display	Abb. 06: 7 Segment Display
4	3x	0,84€	2,52€	BCD-to-7-Segment-Decoder	CD 74HC4511E TEX Latch, 7-Segment, 2 ... 6 V, DIL-16	Ein 7-Segment-Decoder ist ein digitales Logikschaltkreis-Element, das digitale Eingangssignale in eine entsprechende 7-Segment-Anzeige umwandelt und die Anzahl der Anschlüsse von 7 Segment anzeigen auf die hälfte Reduzieren.	BCD-to-7-Segment-Decoder	Abb. 07: 7 Segment Decoder
5	2x	0,07€	0,14€	Pullup Widerstand 10kOhm	METALL 2,10K Widerstand, Metallschicht, 2,10 kOhm, 0207, 0,6 W, 1%	Der Pullup-Widerstand dient dazu den Eingang am Arduino auf einem definierten Wert zu halten und somit ein eindeutiges Zustand zu gewährleisten.	Pullup Widerstand 10kOhm	Abb. 08: Widerstand
6	1x	1,50€	1,50€	Summer	CMI-1295-0585T Buzzer, 85dB, 2300 Hz, 5 V	Ein Summer wandelt elektrische in akustische Signale um, indem er bei Anlegung einer Spannung zu vibrieren beginnt und so Töne erzeugt.	Summer	Abb. 09: Summer
7	2x	0,08€	0,16€	LED Grün	EVL 333-2SYGT/S5 LED, 5 mm, bedrahtet, grün, 400 mcd, 10°	Die LED hat eine Vorwärtsspannung von 2 V und darf bei maximal 20mA betrieben werden.	LED	Abb. 10: LED
8	2x	0,07€	0,14€	Widerstand 150Ohm	METALL 150 Widerstand, Metallschicht, 150 Ohm, 0207, 0,6 W, 1%	Der Widerstand dient als Vorwiderstand der LEDs.	Widerstand 150Ohm	Abb. 08: Widerstand
9	1x	5,15€	5,15€	Drucksensor	ARD SEN PRESSURE Arduino - Drucksensor, 20 g bis 10 kg	Der Drucksensor ist in der Lage, Gewichte im Bereich von 0 bis 10 kg zu erfassen und gibt in Abhängigkeit vom gemessenen Gewicht ein analoges Signal im Bereich von 0 bis 5 Volt aus.	Drucksensor	Abb. 11: Drucksensor
10	1x	32,95 €	32,95 €	IR-Sensor	IR Abstandssensor, 40- 300mm, analog, inkl. Kabel	Der GP2Y0A21YK0F-K Distanzsensor misst Entfernungen im Bereich von 40 mm bis 300 mm und gibt ein analoges Ausgangssignal proportional zur erfassten Distanz aus. Das Signal kann direkt zur weiteren Verarbeitung genutzt werden. Der Sensor wird mit einem Kabel geliefert, das eine einfache Integration ermöglicht.	IR-Sensor	Abb. 12: SHARP IR GP2Y0A41SK0F
10	1x	9,20€	9,20€	Steckernetzteil 9V für ARD Mega	HNP 18-090V2 Steckernetzteil, 18 W, 9 V, 2 A	18 W Steckerschaltnetzteil mit Universaleingang 90 - 264 V AC für Spannungsversorgung des ARD Mega.	Steckernetzteil	Abb. 13: Steckernetzteil

Technische Daten der Sensoren

Die technischen Daten (Tabelle 4) der Sensoren geben Aufschluss über den Einsatzbereich und die Anforderungen, die erfüllt werden müssen, um diese in die Messumgebung zu integrieren.

Tabelle 4: Technische Daten der Sensoren

	GP2Y0A41SK0F	ARD SENPRESSURE
Messbereich	4 - 30 cm	0 - 10 kg
Versorgungsspannung	4.5 V - 5.5 V	3,3 V - 5 V
Versorgungsstrom	typ. 12 mA	-
Genauigkeit	-	+-2,5%
Arbeitstemperatur	-10 °C - +60 °C	-20 °C - +60 °C

In Tabelle 5 wird die Pinbelegung der Sensoren erläutert, wobei beide Sensoren über drei Pins verfügen, die die Stromversorgung, den analogen Ausgang und die Erdung bereitstellen.

Tabelle 5: Pinbelegung der Sensoren

	GP2Y0A41SK0F	ARD SENPRESSURE
Pin 1	Versorgungsspannung VCC; 5 V	Versorgungsspannung VCC; 5 V
Pin 2	Analoger Ausgang; 0 V .. 5 V	Analoger Ausgang; 0 V .. 5 V
Pin 3	Masse (GND); 0 V	Masse (GND); 0 V

Kalibrierung der Sensoren

Drucksensor

Der ARD SEN PRESSURE Drucksensor für Arduino funktioniert auf Basis piezoresistiver Technologie, was bedeutet, dass er Druckkräfte über eine Widerstandsänderung misst und in ein elektrisches Signal umwandelt. Wenn eine Kraft auf den Sensor ausgeübt wird, verformt sich ein empfindliches Material im Inneren des Sensors, was zu einer Änderung des elektrischen Widerstands führt. Dieser Widerstand variiert also direkt in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft.

Diese Widerstandsänderung erzeugt ein elektrisches Signal, das als analoge Spannung ausgegeben wird. Die Spannung ist proportional zur Kraft, die auf den Sensor wirkt. Je höher der ausgeübte Druck, desto stärker verändert sich der Widerstand und damit auch das Ausgangssignal des Sensors. Bei Verbindung des Sensors mit einem analogen Eingang eines Arduino-Boards kann dieser die analoge Spannung lesen und in einen digitalen Wert umwandeln, der die Stärke des Drucks repräsentiert.

Da der Sensor für einen Messbereich von 20 g bis 10 kg ausgelegt ist, kann die analoge Spannung durch Kalibrierung in eine konkrete Gewichtskraft umgerechnet werden. Das bedeutet, dass der Arduino eine Formel zur Berechnung der Gewichtskraft aus der Spannung nutzt, die für die spezifische Messbereich des Sensors angepasst wurde.

IR-Sensor

Der IR-Abstandssensor mit einem Messbereich von 40 bis 300 mm nutzt Infrarottechnologie, um den Abstand zu einem Objekt zu messen. Der Sensor sendet einen Infrarotstrahl aus, der von einem Objekt in seinem Erfassungsbereich reflektiert wird. Ein integrierter Empfänger im Sensor erfasst das reflektierte Infrarotlicht. Basierend auf der Zeit und dem Winkel, unter dem das Licht reflektiert wird, berechnet der Sensor die Entfernung zum Objekt.

Der Abstandssensor gibt eine analoge Spannung aus, die proportional zur gemessenen Entfernung ist. Wenn der Abstand zum Objekt geringer ist, ist die ausgegebene Spannung höher; bei größerem Abstand ist die Spannung niedriger. Diese analoge Spannung kann an einen analogen Eingang eines Arduino-Boards angeschlossen werden. Der Arduino liest die Spannung, wandelt sie in einen digitalen Wert um und berechnet daraus die Distanz zum Objekt.

Für eine genaue Messung ist eine Kalibrierung erforderlich, da sich die analoge Spannung je nach reflektiertem Signal leicht verändern kann. Indem man bekannte Abstände misst und die Spannungen erfasst, kann eine Zuordnung erstellt werden, die dem Arduino hilft, die Spannung korrekt in eine Entfernung umzurechnen. Daraus lässt sich dann ein Lookup-Tabelle erstellen, die die Spannungswerte in die entsprechenden Entfernungen umwandelt.

Umsetzung HW (elektrisch)

Verdrahtungsplan und Schaltplan

Abb. 14: Verdrahtungsplan	Abb. 16: Schaltplan erstellt mit KiCAD

In dem gezeigten Schaltplan in Abbildung 16 dienen die "button", "buzzer" und die anderen Netzbezeichnungen zur logischen Verbindung und Organisation der Signale zwischen verschiedenen Bauteilen. Diese Netzbezeichnungen ermöglichen es, dass elektrische Signale klar und übersichtlich an verschiedenen Stellen des Schaltplans verwendet werden können, ohne dass jede Leitung physisch durchgezeichnet werden muss. Dadurch wird der Schaltplan übersichtlicher, da wichtige Signalpfade und Verbindungen benannt und nachvollziehbar gestaltet werden. Die einzelnen Komponenten wurden zu Gruppen geordnet und mit deren Funktion beschriftet.

Hinweis: Der Schaltplan wird durch KiCAD erstellt. Dieses Tool ist für jeden frei zugänglich.

Anbindung des Tasters

Abb. XX: Pullup-Widerstand [2]

Im Schaltplan ist die Anbindung des Tasters dargestellt. Um im nicht-geschaltetem Zustand ein definiertes Potential zu gewährleisten, wird ein Pullup-Widerstand von 10 kOhm verwendet, die die Leitung auf einen logischen High-Pegel bzw. 5V ziehen. Bei Betätigung des Tasters wird die Spannung auf GND gezogen, was einen logischen LOW-Pegel am entsprechenden digitalen Pin des Arduinos Mega bewirkt, wie es in Abbildung XX dargestellt ist [2].

Berechnung der Vorwiderstände der LEDs

Um den Strom, der durch die LED fließt, zu begrenzen, wird ein Vorwiderstand benötigt. Dieser Vorwiderstand schützt die LED vor Beschädigung durch Überstrom und sorgt dafür, dass der Strom innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt. Die Berechnung des Vorwiderstands erfolgt nach folgender Formel [1]:

$R = \frac{{U_{\text{Betrieb}} - U_f}}{{I}}$

Aus den Datenblättern des Arduino Mega und der LEDs lassen diese Werte ermitteln:

• $U_{\text{Betrieb}}$die Betriebsspannung (hier 5V),
• $U_f$ die Vorwärtsspannung der LED (hier 2V),
• $I$ der Strom durch die LED (hier 20 mA).

$R = \frac{{5V - 2V}}{{0,02A}} = \frac{{3V}}{{0,02A}} = 150\, \Omega$

Der benötigte Vorwiderstand beträgt also 150 Ohm.

Umsetzung SW

Verwendete Toolbox: DSP System Toolbox, Simulink Support Package für Arduino Hardware

Umrechnung des Digitalwerts in Volt der beiden Sensoren (Drucksensor und IR-Sensor)

Im Simulink-Modell werden die analogen Sensorwerte als Digitalwert erfasst und durch ein Gain, innerhalb von Matlab Simulink, in Volt umgerechnet. Die Sensoren liefern einen 10-Bit-Digitalwert, der von 0 bis 1023 reicht und mit einer Referenzspannung von 5V arbeitet. Dieser Wert wird vom Analog-Digital-Wandler (ADC) des Arduino aufgenommen. Um den Digitalwert in Volt umzurechnen, wird folgender Berechnungsschritt durchgeführt:

$Signal in V = \frac{Digitalwert \cdot 5V}{1023}$

Der resultierende V-Wert wird anschließend gefiltert und im Modell für weitere Berechnungen verwendet.

Signalverarbeitung für den IR-Sensor (GP2Y0A41SK0F)

Abb. XX: Simulink Modell der Abstandssensorik	Abb. XX: Zusammenhang zwischen Spannung und Distanz des GP2Y0A41SK0F

Das analoge Ausgangssignal des Sensors wird vom Arduino am Pin 2 in ein Digitalwort umgewandelt, wie es in der Abbildung XX dargestellt ist. Dieses Digitalwort wird anschließend in eine Spannung konvertiert, wie zuvor beschrieben. Um das Signal zu glätten und Störspitzen zu eliminieren, erfolgt eine Filterung mithilfe eines Medianfilters. Im nächsten Schritt wird die Spannung unter Zuhilfenahme des Sensors-Datenblatts in einen Abstand in Zentimetern umgerechnet. Das Datenblatt enthält eine Kennlinie (siehe Abbildung XX), die den Zusammenhang zwischen Spannung und Distanz beschreibt. Dieser Zusammenhang wird in Simulink durch eine 1D-Lookup-Tabelle abgebildet, welche die Zuordnung der gemessenen Spannung zur entsprechenden Distanz vornimmt.

Werte für die Lookup Table (in diesem Fall wird die Kennlinie für das graue Messobjekt verwendet):

% Daten für die Distanz
IR_distances = [2.9, 3.1, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11.9, 14, 16, 18, 20, 25, 30, 35, 40]; % in cm
% Spannung für weißes Messobjekt
IR_voltages_white = [3.03, 2.99, 2.71, 2.33, 2.02, 1.75, 1.56, 1.395, 1.275, 1.05, 0.861, 0.8, 0.7125, 0.65, 0.52, 0.42, 0.325, 0.3]; % in V
% Spannung für graues Messobjekt
IR_voltages_gray = [3.03, 2.99, 2.71, 2.33, 2.02, 1.75, 1.56, 1.395, 1.275, 1.05, 0.861, 0.8, 0.7, 0.63, 0.5, 0.4, 0.3, 0.28]; % in V

Signalverarbeitung des Tasters

Abb. XX: Simulink Modell der Tasterauswertung	Abb. XX: Eingangssignal des Tasters mit und ohne Entprellung [2]

Da es sich um einen mechanischen Taster handelt, muss die Schwingungszeit beachtet und der Taster entsprechend entprellt werden, da mechanische Taster beim Betätigen und Loslassen oft ungewollte, schnelle Schaltvorgänge verursachen. Diese Prellvorgänge entstehen durch die physikalische Vibration der Kontakte, wodurch der Taster mehrfach zwischen HIGH und LOW hin- und herschaltet, bevor er stabil einen Zustand erreicht. Ohne Entprellung könnte der Mikrocontroller diese Prellvorgänge als mehrere Schaltimpulse interpretieren (in der Abbildung XX oben dargestellt), was zu Fehlfunktionen in der Steuerung führen würde. In diesem Fall wird die Entprellung du die Software gelöst (in der Abbildung XX unten dargestellt). In dem Datenblatt des Tasters wird keine spezifische Prellzeit angegeben, weshalb eine typische Prellzeit von 10ms angenommen wird [2].

Signalverarbeitung des Drucksensors

Abb. XX: Simulink Modell der Gewichtsmessung

Das gezeigte Simulink-Modell dient der Verarbeitung von Drucksensor-Daten, die über einen Arduino eingelesen werden, um sie in Gewichtswerte umzuwandeln. Zunächst wird das analoge Signal des Sensors vom Arduino als digitaler Wert erfasst (0–1023). Dieser Wert wird dann mithilfe eines Gain-Blocks in eine Spannung von 0V bis 5V umgerechnet. Um Messrauschen zu reduzieren, durchläuft das Signal anschließend einen Median-Filter, der unerwünschte Störimpulse entfernt und das Signal glättet. Die gefilterte Spannung wird schließlich durch eine 1-D Lookup Table in ein Gewicht umgewandelt. Diese Tabelle weist Spannungswerten von 0V bis 5V lineare Gewichtswerte von 0 kg bis 10 kg zu, sodass eine einfache und präzise Kalibrierung erfolgt. Das resultierende Gewichtssignal ist stabil und kann weiterverwendet oder angezeigt werden.

Ansteuerung der 7-Segment-Anzeigen

Die Ansteuerung der 7-Segment-Anzeige erfolgt über einen 7-Segment-Decoder, wie den 74HC47, der in Abbildung 14 des Schaltbildes dargestellt ist. Diese Decoder sind dafür konzipiert, binäre Eingaben (BCD – Binary Coded Decimal) in Steuersignale für die sieben Segmente (1-8) der Anzeige umzuwandeln. Die genaue Zuordnung und Ansteuerung der Pins ist in Tabelle 03 aufgeführt.

Die Tabelle zeigt die Steuerung einer 7-Segment-Anzeige. Sie enthält Binärwerte (D3, D2, D1, D0), die die verschiedenen Ziffern von 0 bis 9 darstellen, und gibt an, welche Segmente (a bis g) der Anzeige aktiviert ("H" = High) oder deaktiviert ("L" = Low) sind, um die jeweilige Ziffer anzuzeigen.

• D3 bis D0 sind die BCD-Eingaben (binär codierte Dezimalzahlen).
• a bis g repräsentieren die Segmente der 7-Segment-Anzeige, die durch die jeweilige Kombination von High- und Low-Signalen angesteuert werden.
• Die letzte Spalte „Display“ zeigt die entsprechende Zahl, die auf der Anzeige dargestellt wird.

Zum Beispiel:

• Für „0“ (D3: L, D2: L, D1: L, D0: L) werden die Segmente a, b, c, d, e und f aktiviert, g bleibt deaktiviert.
• Für „1“ (D3: L, D2: L, D1: L, D0: H) sind nur die Segmente b und c aktiviert.

Tabelle XX: Funktionale Tabelle zur Ansteuerung

D3	D2	D1	D0	a	b	c	d	e	f	g	Display
L	L	L	L	H	H	H	H	H	H	L	0
L	L	L	H	L	H	H	L	L	L	L	1
L	L	H	L	H	H	L	H	H	L	H	2
L	L	H	H	H	H	H	H	L	L	H	3
L	H	L	L	L	H	H	L	L	H	H	4
L	H	L	H	H	L	H	H	L	H	H	5
L	H	H	L	L	L	H	H	H	H	H	6
L	H	H	H	H	H	H	L	L	L	L	7
H	L	L	L	H	H	H	H	H	H	H	8
H	L	L	H	H	H	H	L	L	H	H	9

Komponententest

In den Komponententests werden sämtliche Funktionalitäten des Projekts einzeln geprüft, um sicherzustellen, dass jede Komponente ordnungsgemäß funktioniert, bevor der Stateflow validiert werden kann. Die Tabelle XX dokumentiert die einzelnen Komponententests, einschließlich der jeweiligen Komponente, der durchgeführten Testmethoden, der erwarteten Ergebnisse sowie der gemessenen Ergebnisse. Dies ermöglicht eine umfassende Überprüfung der Funktionalität jeder Komponente.

Die Tests werden von einem Erstprüfer durchgeführt, wobei die Freigabe durch einen Zweitprüfer erfolgt. Zur besseren Nachvollziehbarkeit und Verständlichkeit des Prüfprozesses wird außerdem der Messaufbau detailliert dokumentiert.

Tabelle XX: Durchführung der Komponententest

Komponente	Durchführung	Erwartendes Ergebnis	Gemessenes Ergebnis	Erstprüfer	Zweitprüfer	Messaufbau
Taster	Überprüfung der Betätigungsdauer eines mechanischen Tasters und Vergleich der gemessenen Zeiten zwischen einem externen Timer und der Softwaremessung.	5s+-10%, 10s+-10%, 15s+-10%		Johann Kismann	Niklas Reeker
IR-Sensor	Überprüfung der Genauigkeit eines Infrarot-Abstandssensors durch Vergleich der gemessenen Abstände zwischen einem externen Messgerät (Lineal) und der Softwaremessung des Sensors.	8cm+-10%, 10cm+-10%, 15cm+-10%		Johann Kismann	Oliver Scholze
Drucksensor	Überprüfung der Gewichtsmessung eines Drucksensors durch den Vergleich der gemessenen Gewichte mit externen Referenzgewichten und der Softwaremessung des Drucksensors.	50g+-10%, 150g+-10%, 200g+-10%		Niklas Reeker	Oliver Scholze
LEDs	Überprüfung der Funktionalität von LEDs in dem System, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß leuchten.	zwei LEDs leuchten		Oliver Scholze	Johann Kismann
7-Segment-Anzeigen	Überprüfung der korrekten Ausgabe einer dreistelligen Zahl durch das System, um sicherzustellen, dass die Zahl korrekt dargestellt und ohne Fehler übergeben wird.	580		Oliver Scholze	Niklas Reeker
Ton	Überprüfung der Tonausgabe eines Buzzers, indem eine Gewinner- und eine Verlierer-Melodie abgespielt wird. Ziel ist es sicherzustellen, dass der Buzzer die Melodien korrekt und klar wiedergibt.	Melodie gewonnen und verloren		Niklas Reeker	Johann Kismann

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. XX: Gantt Projektplan für das Projekt "Zeit-, Entfernungs- und Gewichtsschätzung“

Der Projektplan in Abbildung XX zeigt den zeitlichen Ablauf eines Projekts von Oktober 2024 bis Januar 2025. Verschiedene Aufgaben sind in einem Gantt-Diagramm als Balken dargestellt, die die Start- und Enddaten visualisieren. Aufgaben wie die mechanische Vorinstallation, die Installation des Schutzhauses und Systemtests sind aufgeführt. Abhängigkeiten zwischen den Aufgaben werden durch Pfeile verdeutlicht. Das Projekt endet Anfang Januar 2025 mit der abschließenden Dokumentation und der Vorbereitung für die Projektmesse.

Literatur

• [1] Elektronik Kompendium: Vorwiderstand Berechnen. URL: https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/1006011.htm, 11. Oktober 2024
• [2] Wührt Elektronik Kompendium: Kontakt-Entprellschaltung für Taster. URL: https://www.we-online.com/catalog/media/o185485v410%20SN015b%20DE.pdf, 25.10.2024

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