Infrarotsensor mit Matlab/Simulink

Autor: Janis Ostermann
Sensor: High Precision Medium Range Infrared distance sensor for NXT or EV3
Lehrveranstaltung: Signalverarbeitende Systeme im Sommersemester 2018
Dozent und Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabenstellung

Die Aufgabe in der Lehrveranstaltung Signalverarbeitende Systeme aus dem Master-Studiengang Business and Systems Engineering der Hochschule Hamm-Lippstadt war es, semesterbegleitend einen zugeteilten Sensor mit der Hilfe von MATLAB/Simulink auszulesen und dessen Signalverarbeitungskette zu beschreiben, zu untersuchen und zu verstehen.

Sensor

Bei dem genutzten Sensor mit dem Namen DIST-Nx-v3 handelt es sich um ein Modul der Firma mindsensors.com welches es ermöglicht einen Infrarotsensor mit einem LEGO Mindstorms NXT oder EV3 Mikrocontroller zu verbinden. Bei dem dabei verwendeten Infrarotsensor handelt es sich um einen Sensor der Firma Sharp mit der Bezeichung 2Y0A21. Das DIST-Nx-v3 Modul ist kein LEGO Produkt und wurde von dem Dritthersteller mindsensors.com für die Verwendung mit LEGO Mindsorms Produkten entwickelt. Dazu wurde die in der Sensormodul-Abbildung zu sehende I2C Schnittstelle inklusive einer vorverarbeitenden Schaltung in dem Modul verbaut. Außerdem ist die sensorseitig vorhandene Schnittstelle des Sharp Sensors weiterhin nutzbar. Diese besteht aus einer JST (Japan Solderless Terminals) Buchse mit drei Pins.

Da es Inhalt der Aufgabenstellung war, sich möglichst nah mit einem Sensor auseinander zu setzen, wird im folgenden Artikel der Sensor ausschließlich über die sensorseitige Schnittstelle ausgelesen, um die modulseitige Nachverarbeitung der Sensorwerte zu umgehen und einen genaueren Blick auf die Funktionswiese und das Verhalten des Sharp Sensors zu erhalten.

Sharp 2Y0A21

Bei dem verwendeten Infrarotsensor handelt es sich um einen Infrarot Abstandssensor der Firma Sharp mit der Bezeichnung 2Y0A21.

Dieser Sensor arbeitet in einem Abstand von 10 bis 80 Zentimetern. Er verbraucht 30 Milliampere bei einer Betriebsspannung zwischen 4,5 und 5,5 Volt. Die analoge Ausgangsspannung des Sensors liegt zwischen 0 und 5 Volt.

Wie im Blockschaldbild des Sensors zu erkennen besteht er aus einem optischen Positionssensor (PSD), einer Infrarot Diode und einer signalverarbeitenden Schaltung. Die Reflektivität des gemessenen Objekts, die Umgebungstemperatur und die Betriebsdauer werden hierbei nicht in die Abstandsmessung eingerechnet, da die Messung durch Triangulation durchgeführt wird und dadurch nicht nennenswert beeinträchtigt wird. Bei der Triangulation wird wie in der Abbildung dargestellt der Winkel des Infrarotlichts welches vom zu messenden Gegenstand refektiert wird gemessen. In Abhängigkeit vom Winkel verändert sich die Ausgangsspannung des Sensors zwischen 0 und 5 Volt. Mithilfe der im Datenblatt angegebenen Kennlinie kann die Ausgangsspannung in den Abstand umgerechnet werden. Der Mindestabstand des Sensors, 10 Centimenter, entspricht somit 2,3 Volt Ausgangsspannung. Bei dem maximalen Abstand von 80 Centimetern beträgt die Ausgangsspannung noch 0,4 Volt.

Mikrocontroller

Der DIST-Nx-v3 Sensor verfügt über zusätzliche vorverarbeitende Elektronik, welche es ermöglicht eine Kommunikation mit Matlab durchzuführen ist es nötig einen Mikrocontroller zur Umwandlung der analogen in digitale Signale durchzuführen und diese mit Hilfe eines Bussystems an den Matlab ausführenden Computer Zur Wandlung der analogen Messsignale und zur Übertragung an Matlab wird ein Arduino UNO verwendet.

Signalverarbeitung

Messaufbau

Vorverarbeitung

Analog-Digital-Umsetzter

Bussystem

Digitale Signalverarbeitung

Ergebnis

Messunsicherheit

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