Arduino: Aktoren

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

Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen

Fragestellungen

In dieser Lektion Steuern wir Aktoren (Servomotor und Schrittmotor) an.

Eingeführte Begriffe und Konzepte

Diese Lektion befasst sich mit der Vorstellung und Ansteuerung gängiger Aktoren am Arduino:

Servonotor und
Schrittmotor.

Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen

Nutzung der gititalen IO-Pins

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

können die Funktion eines Servomotors, Schrittmotors und Relais erläutern.
können Sie die Unterschiede und Anwendungsfelder der Motoren beschreiben
können Sie beide Motoren gezielt ansteuern.

Lernzielkontrolle

Wie funktioniert ein Servomotor? Welchen Arbeitsbereich hat der Servo?
Was muss beim Umgang mit einem Servo beachtet werden?
Wie steuert man einen Servomotor an?
Wie funktioniert ein Schrittmotor? Welchen Arbeitsbereich hat der Schrittmotor?
Was muss beim Umgang mit einem Schrittmotor beachtet werden?
Wie steuert man einen Schrittmotor an?
Vergleichen Sie beide Motoren anhand fachlicher Kriterien.
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Vorbereitung

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

Planen Sie die Software via PAP.
Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf

Versuchsdurchführung

Aufgabe 8.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf

Aufgabe 8.2: Debugging

Arduino-Aufgabe

Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl millis()
Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
Geben Sie die Zeit und Messdaten im seriellen Monitor aus (Format: Zeit in ms;d in cm; Median-Filter in cm <LF>).
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

Nutzen Sie das Demo startLeseDebug.m und lesen Sie die Daten aus der Datei Debug.txt.
Stellen Sie die Entfernung ohne Median Filter über der Zeit dar (plot(Zeit,Messwerte,'r.-')).
Stellen Sie die Entfernung mit Median Filter über der Zeit dar (plot(Zeit,median,'b-')).
Ergänzen Sie eine Legende (legend("Messwerte", Median-Filter,'b-')).
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 8.3: Töne erzeugen

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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: spieleMelodie.ino

Lösung: Nr.08 – Töne erzeugen

Aufgabe 8.4: 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.

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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: IR_Theremin.ino

Tipps:

Anleitung zur Ausgaben von Tönen

Aufgabe 8.5: 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
8.1	2
8.2	2
8.3	2
8.4	2
8.5	2

Tutorials

Demos

Videos

Literatur

Brühlmann, T.: Arduino Praxiseinstieg. Heidelberg: mitp, 4. Auflage 2019. ISBN 978-3-7475-0056-9. URL: HSHL-Bib, O'Reilly-URL
Brühlmann, T.: Sensoren im Einsatz mit Arduino. Frechen: mitp Verlag, 1. Auflage 2017. ISBN: 9783958451520. URL: HSHL-Bib, O'Reilly
Snieders, R.: ARDUINO lernen. Nordhorn: 8. Auflage 2022. URL: https://funduino.de/vorwort
Schneider, U.: Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C. Lippstadt: 1. Auflage 2022. PDF-Dokument (212 kb)
Sharp: GP2Y0A41SK0F. URL: [1]. Datenblatt (858 kb)

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