Projekt 32c: Komplexer Sensor für Lego Mindstorms EV3

Lego Advance Sensor

Autoren: Lieshek, Groenhagen
Betreuer: Prof. Schneider

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Aufgabe

Nutzen Sie einen Infrarotsensor GP2Y0D21YK0F von Sharp zur Entfernungsmessung für Lego Mindstorms EV3.

Erwartungen an die Projektlösung

• Darstellung der Theorie
• Beschaffung der Bauteile
• Realisierung des Aufbaus
• Kommunikation über I2C oder UART
• Schaltungsentwurf und Simulation mit NI CD
• Programmierung des Microcontrollers (z.B. ATTiny)
• Programmieren Sie den Sensortreiber für Lobby, Matlab und Simulink
• Fahren Sie mit diesem neuen Sensor parallel zu einer Wand (Praktikumsversuch 4)
• Test und wiss. Dokumentation
• Live Vorführung: Fahren Sie mit diesem neuen Sensor geregelt parallel zu einer Wand.

Hinweis: Grenzen Sie sich inhaltlich von den Projekten der Vorjahre ab.

Einleitung

Im Rahmen des Moduls GET-Fachpraktikums ist uns das Projekt „Komplexer Sensor für Lego Mindstorms EV3" zugeteilt worden.

Projekt

Mithilfe eines Infrarot Distanzsensor und eines Mikrocontrollers soll der zu regelnde Abstand berechnet werden und Via I2C an den Lego EV3 übermittelt werden.

Projektablaufplan

Material

In der unten stehenden Tabelle sind alle Materialien aufgezählt, die wir verwendet haben.

Anzahl	Bezeichnung	Preis	Quelle
1	Distanz-Sensoren digital, GP2K	12,50 €	Reichelt
1	Atmel AVR-RISC-Controller, Attiny 84	3,50 €	Reichelt
2	Widerstand 2,2 KΩ	0 €	Privat Vorhanden
1	Kondensator 10 µF	0 €	Privat Vorhanden
20	Steckverbinder	0 €	Privat Vorhanden
1	Breadboard	0 €	Privat Vorhanden

Projektdurchführung

Software und Bibliotheken.

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Zunächst haben wir damit begonnen zu recherchieren welche Adruino Softwareversion nötig ist, um einen Attiny 84 programmieren zu können. Es ist zu beachten, dass die Bibliotheken Tinywires.S und Wire.h Kompatibel sein müssen, da diese für die I2C Kommunikation unabdingbar sind.

I2C Kommunikation.

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Inter-Integrated Circuit kurz I2C ist als Master Slave Bussystem ausgelegt worden. Der Master, in unserem Fall fungiert der Adruino, später der Lego EV3, stellt eine Anfrage an die vorher definierte Slave Adresse.

Attiny 84 Programmieren.

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Programmierung des Mikrocontrollers mit einem Adruino Uno Abbildung (1)

Das Bild auf der rechten Seite zeigt exemplarisch den Aufbau zum Programmen des Mikrocontrollers. Im ersten Schritt wird hier der Adruino als ISP (AVR ISP) programmiert. Im nächsten Schritt kann dann der Mikrocontroller, mithilfe des Adruino programmiert werden. Hierzu muss in der Adruino IDE hinterlegt werden, dass der Adruino nunmehr als ISP fungiert ( Adruino as ISP ). Um zu überprüfen, inwiefern das programmieren des Mikrocontrollers funktioniert hat, haben wir mithilfe des Mikrocontrollers eine LED blinken lassen.

Nachdem dieser Test erfolgreich gewesen ist, ist der nächste Schritt diesen für die I2C Kommunikation zu programmieren.

Im Folgendem wird der Slave Code durch Kommentare erklärt.

define AVR_ATtiny84

include <Arduino.h>

if defined(AVR_ATtiny841)

define F_CPU 8000000

// Einbeziehen der Wires.h Bibliothek.

include "WireS.h"

else // Taktrate definieren define F_CPU 8000000

// Einbeziehen der Tinywires.s Bibliothek.

include "TinyWireS.h"

endif

int d;

int val; //Initialisiere analogen Pin zum Einlesen der Daten.

int readpin=1; // Adresse für die Kommunikation setzen.

const byte SLAVE_ADDR = 100; // Bytes die eingelesen werden sollen.

const byte NUM_BYTES = 1; //Unsigned 8-bit integer

uint8_t data = 1; // Setup Schleife die nur einmal durchlaufen wird. void setup()

{

  TinyWireS.begin(SLAVE_ADDR);
  TinyWireS.onRequest(requestISR);
  pinMode(readpin,INPUT);

}

void loop() {} // Sobald der Master eine Anfrage sendet wird diese Funktion ausgeführt.

void requestISR() {

 d=analogRead(readpin);
 val=(6762/(d-9))-4;
 data = val;
 TinyWireS.write(data);

}

Im nächsten Schritt wird hier der Master Code dargestellt.

// Bibliuetheken werden eingefügt include <Arduino.h> include <Wire.h> // Slave Adresse const byte SLAVE_ADDR = 100;

const byte NUM_BYTES = 1;

byte data = 0;

byte bytesReceived = 0;

unsigned long timeNow = millis(); // Setup schleife wird einmal durchlaufen void setup() {

   Serial.begin(9600);
   Wire.begin();
   Serial.print(F("\n\nSerial is offen\n\n"));

}

void loop() {

   // Adresse wird angefragt 
       Wire.requestFrom(SLAVE_ADDR, NUM_BYTES);                            
       bytesReceived = Wire.available();                                   
       // Wenn Daten ankommen dann soll die Funktion printdata ausgeführt werden.     
      if (bytesReceived == NUM_BYTES) {                             
           for (byte i=0; i<NUM_BYTES; i++) data = Wire.read();         
           printData();                                                    
       } else {  
         // Sofern gar nichts oder etwas Falsches ankommt, wird diese Nahcricht im Monitor angezeigt                                                          
           Serial.print(F("\Da läuft etwas Falsch! "));                                
          
       }
       // Pause von 1 Sekunde.                                        
   delay(1000);

} // Funktion um die Daten im Seriellen Monitor anzeigen zu lassen. void printData() {

         Serial.print(F("Byte["));
         Serial.print(i);
         Serial.print(F("]: "));
         Serial.print(data);
         Serial.print(F("\t")); 

}

Aufbau.

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Schaltung Multisim Abbildung (2)

Schaltung Utilboard Abbildung (3)

Sensor und Kennlinie.

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Infrarot Sensor GP2YoA21YKof Abbildung (4)

Infrarotsensoren senden und empfangen Infrarotstrahlen. Die ausgesendeten Wellenlänge beträgt zwischen 1 µm und 20 µm. Anhand dieser wird eine Spannung ( wie in Abbildung (4)) zurückgegeben. Anhand des Spannungsverlaufes lassen sich Rückschlüsse auf den zu messenden Abstand gewinnen. Mithilfe einer von uns geänderten Rechnung wird aus einer Spannung ein Abstand.

$d=analogRead(readpin);
  val=(6762/(d-9))-4;$

In diesem Fall gibt der Befehl analogRead die analoge Spannung aus und diese wird dann weiter verrechnet. Bauart bedingt lässt sich mit diesem Sensor lediglich ein Abstand von ca 5-80 cm messen, da vor und nach diesem Intervall die Messwerte zu ungenau werden.

Zusammenfassung

Lessons Learned

Viele Herausforderungen und Probleme traten erst bei der Durchführung des Projektes auf.

1. Zunächst haben wir eine gewisse Zeit gebraucht um die richtige Software und die richtigen Bibliotheken kompatibel zu machen.

2. Das Größte Problem stellte sich bei der I2C Kommunikation ein, diese hat trotz der Unterstützung der Tutoren nicht funktioniert.

Wir raten daher nachfolgenden Gruppen sich auf die I2C Kommunikation zu fokussieren.

Weblinks

• Projekt_32:_Komplexer_Sensor_für_Lego_Mindstorms_EV3

Literatur

Datenblatt des Infrarotsensors

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