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

Inhalt

• Kennlinienuntersuchung und Filterung
• Programmierung und Anwendung eines Medianfilters
• Anwendung des Sharp Entfernungssensors GP2Y0A41SK0F als Theremin

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

• können Sie die systematischen Sensorfehler erkennen und behandeln.
• können die Messwerte mit dem Serial Plotter der Arduino IDE vergleichend anzeigen.
• können Sie die Sensordaten in die gemessene Entfernung umrechnen.
• können Sie die Messwerte charakterisieren.

Lernzielkontrolle

1. Welcher Primärsensor kommt im Sharp GP2Y0A21YK0F zum Einsatz?
2. Wie funktioniert der Sensor GP2Y0A41SK0F technisch?
3. Was misst der Sensor GP2Y0A41SK0F? Was ist seine Ausgangsgröße U1?
4. Wie wird die Ausgangsgröße (U1) digitalisiert (D1)?
5. Auf welchen Wegen lässt sich die digitalisierte Ausgangsgröße D1 in die Distanz d umgerechnet?
6. Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
7. Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
8. Wurde auf magic numbers verzichtet?
9. Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_05.pdf

Vorbereitung

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 5.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_05.pdf

Aufgabe 5.2: Der Abstandssensor Sharp GP2Y0A21YK0F

1. Setzen Sie Ihre geplante Software 1:1 um.
2. Stellen Sie die Messwerte D1 im Seriellen Monitor und Plotter dar.

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

Arbeitsergebnisse in SVN: leseSharpIR.ino

Demo: Demo: DemoSharpIR.ino

Aufgabe 5.3: Sensorkennlinie

1. Erweitern Sie Ihr Programm leseSharpIR.ino. Rechnen Sie das Digitalwort D1 in die Messdistanz d um.
2. Stellen Sie die Distanz d im Seriellen Monitor und Plotter dar.
3. Verifizieren Sie Ihr Ergebnis mit einem Gliedermaßstab.
4. Was fällt Ihnen bei den Messwerten auf?

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

Arbeitsergebnisse in SVN: leseSharpIR.ino

Demo: DemoLookupTable.ino

Aufgabe 5.4: Charakterisierung des Sharp Abstandssensors

Bestimmen Sie die nachfolgenden Werte, um den IR-Sensor zu beschreiben

• Messbereich in cm
• Auflösung (Zeit, Distanz)
• Empfindlichkeit

Nützliche Befehle: millis(), Serial.print(), Serial.println()

Arbeitsergebnisse in SVN: Sensorcharakterisierung.pdf

Musterlösung:

• Den Messbereich beschreibt der kleinste und größte Messwert [3,50]cm.
• Die Auflösung ist der kleinstmögliche Werteschritt. Hier Zeit: 5-7 ms, Spannung: 0,0048V
• Die Empfindlichkeit berechnet sich aus $E=\frac{\Delta y}{\Delta x}$. Im nichtlinearen Fall entsprich dies der 1. Ableitung.

Aufgabe 5.5: 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
6.1	2
6.2	2
6.3	2
6.4	2
6.5	2

Tutorials

• Arduino: Using the Serial Plotter Tool
• Arduino Referenz: analogRead()
• Wiki: SHARP IR Abstandsensor

Demos

• DemoSharpIR.ino
• DemoLookupTable.ino
• DemoLookupTableIR.ino

Videos

Was ist ein 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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