Arduino: IR-Theremin: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 31. Oktober 2022, 15:54 Uhr

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 und bewerten.
können Sie die über entfernungsabhängig Töne spielen.
können Sie die Messwerte charakterisieren.

Lernzielkontrolle

Zeichnen Sie die gemessene Entfernung im Verhältnis zu einer Referenz auf. Die Referent kann ein Gliedermaßstab sein. Welchen Messbereich hat Ihr IR-Sensor?
Zeichnen Sie die gemessenen Entfernungsschritte über dem Messbereich auf. Welche Auflösung hat Ihr Sensor?
Zeichnen Sie die Auflösung über dem Messbereich auf. Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_05.pdf

Vorbereitung

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

Versuchsdurchführung

Aufgabe 6.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf

Aufgabe 6.2: Messwertanalyse

Setzen Sie Ihre geplante Software 1:1 um.
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 6.3: Median-Filter

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

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

Arbeitsergebnisse in SVN: leseSharpIR.ino

Lösung: [Sharp_GP2Y0A41SK0F#Median-Filter_f%C3%BCr_die_St%C3%B6rungen| Median-Filter für die Störung]

Aufgabe 6.4: 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. Folgen Sie der Anleitung zur Ausgaben von Tönen.

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 6.5: 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

Demos

Videos

Was ist ein Theremin?

Infrarotsensor Theremin

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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 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 die Messwerte mit dem Serial Plotter der Arduino IDE vergleichend anzeigen und bewerten.
-* können Sie die Sensordaten in die gemessene Entfernung umrechnen.
+* können Sie die über entfernungsabhängig Töne spielen.
 * können Sie die Messwerte charakterisieren.
 == Lernzielkontrolle ==
-# Welcher Primärsensor kommt im Sharp GP2Y0A21YK0F zum Einsatz?
+# Zeichnen Sie die gemessene Entfernung im Verhältnis zu einer Referenz auf. Die Referent kann ein Gliedermaßstab sein. Welchen Messbereich hat Ihr IR-Sensor?
-# Wie funktioniert der Sensor GP2Y0A41SK0F technisch?
+# Zeichnen Sie die gemessenen Entfernungsschritte über dem Messbereich auf. Welche Auflösung hat Ihr Sensor?
-# Was misst der Sensor GP2Y0A41SK0F? Was ist seine Ausgangsgröße <code>U1</code>?
+# Zeichnen Sie die Auflösung über dem Messbereich auf. Welche Empfindlichkeit hat Ihr Sensor?
-# Wie wird die Ausgangsgröße (<code>U1</code>) digitalisiert (<code>D1</code>)?
-# Auf welchen Wegen lässt sich die digitalisierte Ausgangsgröße <code>D1</code> in die Distanz <code>d</code> umgerechnet?
 # Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
 # Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
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 == Vorbereitung ==
+Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
+<!--
 [[Datei:Batterie-Tester.jpg |thumb|rigth|300px|Abb. 2: Batterie-Tester]]
 # Studieren Sie das [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-serial-plotter Using the Serial Plotter Tool]  und nutzen Sie das Demo [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino], um Daten im Seriellen Plotter auszugeben.
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 * Umrechnungsformel: <math>D_1 = U_1\cdot \frac{1023}{5\,V}</math>
 <iframe key="panopto" path="/Panopto/Pages/Embed.aspx?id=98958e23-9c36-48cf-b912-af3c00601ce1&autoplay=false&offerviewer=true&showtitle=true&showbrand=true&captions=false&interactivity=all" height="405" width="720" style="border: 1px solid #464646;" allowfullscreen allow="autoplay"></iframe>
-<!--https://hshl.cloud.panopto.eu/Panopto/Pages/Viewer.aspx?-->
+-->
 == Versuchsdurchführung ==
-=== Aufgabe 5.1: Lernzielkontrolle ===
+=== Aufgabe 6.1: Lernzielkontrolle ===
 Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_05.pdf</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf</code>
-=== Aufgabe 5.2: Der Abstandssensor Sharp GP2Y0A21YK0F ===
+=== Aufgabe 6.2: Messwertanalyse ===
 # Setzen Sie Ihre geplante Software 1:1 um.
 # Stellen Sie die Messwerte <code>D1</code> im Seriellen Monitor und Plotter dar.
@@ Zeile 98: / Zeile 97: @@
 </div>
-=== Aufgabe 5.3: Sensorkennlinie ===
+=== Aufgabe 6.3: Median-Filter ===
 # Erweitern Sie Ihr Programm <code>leseSharpIR.ino</code>. Rechnen Sie das Digitalwort <code>D1</code> in die Messdistanz <code>d</code> um.
 # Stellen Sie die Distanz <code>d</code> im Seriellen Monitor und Plotter dar.
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 <div class="mw-collapsible mw-collapsed">
-'''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTable/DemoLookupTable.ino DemoLookupTable.ino]
+'''Lösung:''' [Sharp_GP2Y0A41SK0F#Median-Filter_f%C3%BCr_die_St%C3%B6rungen| Median-Filter für die Störung]
 </div>
-=== Aufgabe 5.4: Charakterisierung des Sharp Abstandssensors ===
+=== Aufgabe 6.4: IR-Theremin ===
-Bestimmen Sie die nachfolgenden Werte, um den IR-Sensor zu beschreiben
+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 <code>tone()</code> verwendet wird und die vom IR-Sensor gemessenen Abstände die Tonfrequenzen manipulieren. Lesen Sie die Entfernung wie in den Aufgaben zuvor über <code>analogRead()</code> ein. Schließen Sie den aktiven Lautprecher (Piezo-Lautsprecher) an Pin 8 an. Folgen Sie der Anleitung zur Ausgaben von Tönen.
 * Messbereich in cm
 * Auflösung (Zeit, Distanz)
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 </div>
-=== Aufgabe 5.5: Nachhaltige Doku ===
+=== Aufgabe 6.5: Nachhaltige Doku ===
 Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
 * Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?