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

In den vorherigen Lektionen wurde der serielle Monitor und Plotter der Arduino IDE zu Datenvisualisierung verwendet. In dieser Lektion werden die Daten in eine Textdatei geschrieben und mit MATLAB visualisiert. Zusätzlich wird der passive Lautsprecher verwendet, um eine Melodie zu spielen. Als Musikinstrument wird ein Theremin gebaut, welches abhängig vom gemessenen Abstand die Tonfrequenz variiert.

Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen

• Messung der Entfernung mit einem IR-Sensor
• Ansteuerung des Piezo Lautsprechers

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

• können Daten in eine Textdatei exportieren und visualisieren.
• können eine Melodie mit dem Arduino spielen.
• können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.

Lernzielkontrolle

1. Haben Sie Messdaten mit 115200 baud seriell ausgegeben?
2. Haben Sie Messdaten mit Putty in ein Textdatei geschrieben und gespeichert?
3. Haben Sie die Messdaten mit MATLAB geladen und angezeigt?
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_07.pdf

Vorbereitung

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

1. Installieren Sie den seriellen Monitor Putty und machen Sie sich mit der Bedienung vertraut.

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.

Abb. 2: Batterie-Tester

1. Studieren Sie das Using the Serial Plotter Tool und nutzen Sie das Demo DemoSharpIR.ino, um Daten im Seriellen Plotter auszugeben.
2. Recherchieren Sie die Funktion des Sensors anhand von Fachliteratur und des Datenblatts oder Wiki-Artikels.
3. Bauen Sie die Schaltungen zur Auswertung der Sensoren auf.
4. Nutzen Sie die Abbildung auf Seite 4 des Datenblatts, um eine Tabelle Spannung/Distanz aufzustellen (vgl. Tab. 1).
5. Machen Sie sich mit der Funktion der analogen Eingänge vertraut: Arduino Referenz: analogRead() . Messen Sie gemäß Abb. 2 die Spannung einen AA Batterie in V. (Hinweis: KEINE 9-V-BLOCK nutzen! Spannung von mehr als 5 V können den Arduino zerstören.)
6. Nutzen Sie die Arduino Referenz: analogRead() und erweitern Sie Ihre Tabelle um die Spalte Digitalwert D1 (vgl. Tab. 1).
7. Planen Sie die Software via PAP.
8. Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
9. Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Musterlösung: für den Batterie-Tester

const unsigned long BAUD_RATE_u32 = 9600;
const unsigned int AUFLOESUNG_u16 = 1023; //2^10-1
const float ARDUINO_SPANNUNG_f32  = 5.0;

void setup() {
  Serial.begin(BAUD_RATE);
}

void loop() {
  unsigned int Digitalwert_u16 = analogRead(A0); // Quantisierung der Apannung am Analogen Eingang A0
  Serial.print(ARDUINO_SPANNUNG_f32 * AUFLOESUNG_u16/Digitalwert_u16); // Umrechnung Digitalwert in V
  Serial.println("V");

Tabelle 1: Kennlinie des IR-Distanzsensors

Spannung U1 in V	Distanz d in cm	Digitalwert D1
3	3,6	614
2.02	6	413
0.82	16	168
..	..	..

Tipps:

• Nutzen Sie Werte über den gesamten Wertebereich [0.2 V .. 3.2 V].
• Sie können die Werte auch durch reale Messungen auf ein statisches Ziel ermitteln.
• Umrechnungsformel: $D_1 = U_1\cdot \frac{1023}{5\,V}$

-->

Versuchsdurchführung

Aufgabe 7.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_07.pdf

Aufgabe 7.2: Debugging

Arduino-Aufgabe

1. Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl millis()
2. Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
3. Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor aus (Format: Zeit in ms;d in cm; Median-Filter in cm <LF>).
4. Nutzen Sie Putty als seriellen Monitor und speichern Sie die Daten in der Datei Debug.txt.

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

MATLAB-Aufgabe

1. Nutzen Sie das Demo startLeseDebug.m und lesen Sie die Daten aus der Datei Debug.txt.
2. Stellen Sie die Entfernung ohne Median Filter über der Zeit dar (plot(Zeit,Messwerte,'r.-')).
3. Stellen Sie die Entfernung mit Median Filter über der Zeit dar (plot(Zeit,median,'b-')).
4. Ergänzen Sie eine Legende (legend("Messwerte", Median-Filter,'b-')).
5. Beschriften Sie die Achsen.

Nützliche Befehle: hold on, plot, yLabel, legend

Arbeitsergebnisse in SVN: schreibeDebugDatei.ino, Debug.txt, leseDebugDatei.m

Tutorial: Anleitung für Putty
Demo: DemoDebugTxt2MATLAB

Aufgabe 7.3: Töne erzeugen

1. Folgen Sie der Anleitung zur Ausgaben von Tönen.
2. Mit einem passiven Lautsprecher sollen unterschiedliche Töne und eine Melodie erzeugt werden.

Nützliche Befehle: tone(), delay(), noTone(), pinMode(), digitalRead(), if()

Arbeitsergebnisse in SVN: testeMedianFilter.ino

Lösung: Nr.08 – Töne erzeugen

Aufgabe 7.4: 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. Erzeugen Sie Töne abhängig von den Messwerten des Sharp IR-Entfernungssensors.
2. Kalibrieren Sie die Zuordnung von Entfernung zu Frequenzen mit dem Der map()-Befehl.
3. Spielen Sie eine Melodie.

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

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Theremin.ino

Tipps:

• Anleitung zur Ausgaben von Tönen

Aufgabe 7.5: 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 Referenz: analogRead()
• Arduino Referenz: map()
• Arduino Referenz: tone()
• Arduino Referenz: noTone()
• Wiki: SHARP IR Abstandsensor
• Wiki: Anleitung für Putty

Demos

• DemoDebugTxt2MATLAB

Videos

Was ist ein Theremin?

STAR TREK original theme performed on 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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