Arduino: Temperaturmessung mit NTC und PTC

Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino

Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lehrveranstaltung: Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester

Inhalt

• Temperaturkennlinie von NTC und PTC
• Temperaturmessung mit NTC und PTC
• Datenspeicherung im EEPROM

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

• können Sie mittels NTC und PTC Temperaturen messen.
• können die Funktion eines NTC und PTX beschreiben.
• können Sie Messwerte im EEPROM ablegen und auswerten.

Lernzielkontrolle

1. Was bedeutet EEPROM?
2. Wie häufig können Sie das EEPROM beschreiben?
3. Beschreiben Sie alle Methoden der Klasse EEPROM.h (crc, get, put, read, update, write).
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?

Vorbereitung

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

1. Bereiten Sie Aufgabe 11.1 vor.
2. Schreiben und testen Sie die Funktion GleitendesMittelwertFilter().
3. Schreiben und testen Sie die Funktion TiefpasstFilter().
4. Planen Sie alle Programme mit PAP.

Arbeitsergebnisse in SVN: PAP, charakterisiereUltraschaschallsensor.ino, USMessung.txt, charakterisiereUltraschallSensor.m, Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf, GleitendesMittelwertFilter(), TiefpasstFilter()

Versuchsdurchführung

Aufgabe 12.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_10.pdf

Aufgabe 12.2: Temperaturmessung mit einem NTC

1. Lesen Sie die Messwerte des Ultraschall-Sensors auf statische Ziele im gesamten Messbereich aus (10 cm, 20 cm, 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m). Schreiben Sie hierzu ein Arduino-Programm statische Messunsicherheit.ino. Jeder Messsatz sollte >100 Messwerte umfassen.
2. Nutzen Sie das Programm Putty, um die Daten der seriellen Schnittstelle in der ASCII-Datei Ultraschallmessung.txt zu speichern.
3. Schreiben Sie einmalig als Header die Bezeichnung der Messwerte Zeit in ms und Strecke in cm in die Textdatei.
4. Laden und visualisieren Sie die Messdaten in Ultraschallmessung.txt mit MATLAB®.
5. Stellen Sie die Messdaten in einem Diagramm in cm über der Zeit dar.
6. Berechnen Sie Mittelwert und Standardabweichung und stellen Sie diese dar,
7. Beschriften Sie die Graphen.

Nützlich MATLAB®-Befehle: mean, std, xline

Arbeitsergebnisse in SVN: statische Messunsicherheit.ino, Ultraschallmessung.txt, zeigeUltraschallMessung.m

Aufgabe 12.3: Temperaturmessung mit einem PTC

Ein gleitendes Mittlwertfilter bildet einen Mittelwert über k Messwerte mittels FIFO.

1. Schreiben Sie die Funktion GleitendesMittelwertFilter(), welches die Eingangswerte zyklisch filtert. Hier bei wird der Mittelwert über die letzten k Messwerte gebildet.
2. Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit statischen Zielen.
3. Visualisieren Sie Messwerte und Filterergebnis im seriellen Plotter.
4. Testen Sie Ihre Funktion mit Ultraschallmesswerten mit dynamischen Zielen.
5. Wählen Sie k anhand der Messwerte und diskutieren Sie Ihre Wahl mit Prof. Schneider.

Arbeitsergebnisse in SVN: testeGleitendesMittelwert.ino

Hinweis:

• Nutzen Sie das FIFO aus Aufgabe 6.4.
• Die Formel für das gleitende Mittelwertfilter lautet: $\bar{x}(k)=\frac{x(1)+x(2)+\ldots+x(k)}{k}$ für $k$ Messwerte

Eine Einführung zu rekursiven Filtern finden Sie in folgendem Video.

• Gleitendes Mittelwertfilter: 19 m 52 s
• Tiefpasfilter: 29 m

Demo: SVN: DemoGleitenderMittelwert

Aufgabe 12.4: Datensicherung im EEPROM

• Sichern Sie folgende Daten im EEPROM
  • die Namen der Teammitglieder als string.
  • die Anzahl der Teammitglieder als byte.
  • die Anzahl der Teammitglieder als byte.
  • die gemessene Temperatur in °C als float.
• Trennen Sie den Arduino von der Spannungsversorgung.
• Lesen Sie die im EEPROM gespeicherten Daten aus und visualisieren Sie diese im seriellen Monitor.

Arbeitsergebnisse in SVN: speichereDateninEEPROM.ino, leseDatenausEEPROM.ino

Hinweis:

• Die Formel für das Tiefpassfilter lautet: $\bar{x}(k)=\alpha \cdot \bar{x}(k-1)+ (1-\alpha)\cdot x(k)$ für den aktuellen Messwert $x(k)$.
• $\alpha$ ist hierbei ein Filterparameter $0<\alpha<1$.

Demo: SVN: DemoEEPROM.ino

Tutorials

• Anrduino.cc: A guide to EEPROM

Video 1: So funktioniert der Arduino EEPROM

Aufgabe 12.5: 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
12.1	2
12.2	2
12.3	2
12.4	2
12.5	2

Tutorials

• Arduino: EEPROM Library
• Anrduino.cc: A guide to EEPROM
• HSHL-Wiki: PTC Temperatursensor (KTY81-210)
• HSHL-Wiki: NTC Temperatursensor (MF58 3950 B)

Demos

• SVN: DemoEEPROM.ino

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)

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