Arduino: Ultraschall Entfernungsmessung: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>
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'''Modul:''' Praxismodul I<br>
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'''Lehrveranstaltung:''' Mechatronik, Informatikpraktikum 1, 1. Semester, Wintersemester
| '''Autor:''' || [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]
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| '''Modul:''' || Praxismodul I
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| '''Lektion 11:''' || Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester
|}


== Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen ==
== Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen ==


=== Fragestellungen ===
=== Fragestellungen ===
In dieser Lektion wird ein LCD-Display angesteuert Die Schnittstelle ist der I<sup>2</sup>C-Bus.
In dieser Lektion wird der Ultraschallsensor HC-SR04 angesteuert und seine Messwerte analysiert.


=== Eingeführte Begriffe und Konzepte ===
=== Eingeführte Begriffe und Konzepte ===
Diese Lektion befasst sich mit der Vorstellung des I<sup>2</sup>C-Busses und Ansteuerung eines LCD-Displays via I<sup>2</sup>C.
Diese Lektion befasst sich mit der Vorstellung und Ansteuerung des [[Ultraschallsensor_HC-SR04| Ultraschallsensors HC-SR04]].


=== Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen ===
=== Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen ===
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== Lernziele==
== Lernziele==
Nach Durchführung dieser Lektion
Nach Durchführung dieser Lektion
* können die Funktion eines I<sup>2</sup>C-Busses erläutern.
* können die Funktion eines Ultraschallsensors erläutern.
* können Sie das LCD-Display ansteuern.
* können Sie die Vor- und Nachteile der Entfernungsmessung mit Ultraschall erläutern.
* können Sie Daten auf dem LCD-Display anzeigen.
* können Sie einen Ultraschallsensors ansteuern.
* können Sie die Anzeige via Taster umschalten.
* können Sie die Messdaten charakterisieren und auf dem LCD-Display anzeigen.


== Lernzielkontrolle ==
== Lernzielkontrolle ==
# Was ist ein [[Inter-Integrated Circuit Bus (I2C)|I<sup>2</sup>C-Bus]]?
# Welche Frequenzen kann das menschliche Ohr wahrnehmen?
# Wie funktioniert die Kommunikation eines I<sup>2</sup>C-Busses?
# Ist Ultraschall (US) hörbar?
# Wie steuert man ein LCD-Display an?
# Welche Frequenz hat US?
# Wie liest man den Temperatursensor TMP36 aus?
# Welche Geschwindigkeit hat US bei Raumtemperatur (20&thinsp;°C)?
# Wie schaltet man Modi im Display um?
# Von welchen Faktoren hängt die US-Geschwindigkeit noch ab?
# Nennen Sie die Formel für die Entfernungsmessung mit Ultraschall.
# Nennen Sie Vor- und Nachteile von US-Sensoren.
# Nennen Sie 10 Anwendungsgebiete für US-Sensoren.
# Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
# Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
# Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
# Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
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# Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
# Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?


== Tutorials ==
* [[Ultraschallsensor_HC-SR04| HSHL-Wiki: Ultraschallsensor HC-SR04]]
* [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen]
== Vorbereitung ==
== Vorbereitung ==
Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
# Recherchieren Sie die Funktion des I<sup>2</sup>C-Busses: [https://de.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C Wiki: I2C], [1, S.112ff., 240ff.]
# Recherchieren Sie die Funktion des [[Ultraschallsensor_HC-SR04| Ultraschallsensors HC-SR04]].
# Setzen Sie das Beispiel [https://funduino.de/nr-9-temperatur-messen Temperaturen mit einem TMP36 am Arduino messen] um.
# Setzen Sie das Beispiel [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen] um.
# Setzen Sie das Beispiel [https://funduino.de/nr-13-lcd-display Ein LCD Display per Arduino ansteuern] um.
# Setzen Sie das Beispiel [https://funduino.de/nr-13-lcd-display Ein LCD Display per Arduino ansteuern] um.
# Schalten Sie verschiedene Anzeigen im Display um.
# Zeigen Sie die Messwerte im LCD-Display an.
# Planen Sie die Software via PAP.
# Planen Sie die Software via PAP.
# Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
# Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
# Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.
# Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_09.pdf</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_10.pdf</code>


== Versuchsdurchführung ==
== Versuchsdurchführung ==
=== Aufgabe 10.1: Lernzielkontrolle ===
=== Aufgabe 11.1: Lernzielkontrolle ===
Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_09.pdf</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf</code>
 
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=== Aufgabe 10.2: Ultraschall Entfernungsmessung ===
=== Aufgabe 11.2: Ultraschall Entfernungsmessung ===
Mit den Ultraschallsensor HC-SR04 und einem Arduino Mikrocontroller soll eine Entfernung gemessen und mit dem „serial-monitor“ angezeigt werden.
Mit den Ultraschallsensor HC-SR04 und einem Arduino Mikrocontroller soll eine Entfernung gemessen und mit dem Seriellen Monitor angezeigt werden.


'''Nützliche Befehle''': <code>#include, init, backlight, setCursor, print</code>
'''Nützliche Befehle''': <code>pinMode, digitalWrite, delay, pulseIn</code>


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>AusgabeTextAufLCD.ino</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>messeUltraschallEntfernung.ino</code>


<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
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'''Tutorial:''' [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen]
'''Tutorial:''' [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen]
</div>
</div>
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=== Aufgabe 11.3: Sensordaten auf LCD ausgeben ===
Mit den Ultraschallsensor soll die Entfernung ausgelesen und auf dem LCD angezeigt werden:
# als Messwert in cm
# als Balkenanzeige (vgl. Abb. 1)


=== Aufgabe 10.3: Sensordaten auf LCD ausgeben ===
'''Nützliche Befehle''': <code>#include, init, backlight, setCursor, print</code>
Mit den Temperatursensor TMP36 soll die Temperatur ausgelesen und auf dem LCD angezeigt werden.
<!--
# Folgen Sie der [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen Anleitung zur Ausgaben von Tönen].
# Mit einem passiven Lautsprecher sollen unterschiedliche Töne und eine Melodie erzeugt werden.
-->


'''Nützliche Befehle''': <code>analogRead(), map()</code>
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>zeigeUltraschallEntfernung.ino</code>


'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>messeTemperatur.ino</code>
----
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
=== Aufgabe 11.4: Charakterisieren Sie die Ultraschall Messwerte ===
# Analysieren Sie die Funktion Ihres Ultraschallsensors anhand Ihrer Messwerte.
# Beantworten Sie die Fragen fachlich fundiert anhand Ihrer Messdaten:
## Welchen Messbereich hat der Sensor?
## Welche Werteauflösung hat der Sensor?
## Welche max. Abtastrate hat der Sensor?
## In welchem Bereich ist der Sensor am empfindlichsten?
## Mit welcher Unsicherheit (1&thinsp;σ) lässt sich eine glatte Fläche bestimmen?


'''Lösung:''' [https://funduino.de/nr-9-temperatur-messen Temperaturen mit einem TMP36 am Arduino messen]
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>UltraschallSensorcharakterisierung.pdf</code>
</div>


=== Aufgabe 10.4: Anzeige via Taster umschalten ===
<!--
# Lesen Sie einen Taster über einen Interrupt ein.
'''Nützliche Befehle''': <code>switch .. case</code>
# Beim Drücken sollen 4 Modi durchgeschaltet werden
## 1: Text aus Aufgabe 9.2.
## 2: Sensorwert aus Aufgabe 9.3.
## 3: Text "Modus 3".
## 4: Text "Modus 4".
# Nach Modus 4 soll wieder Modus 1 angezeigt werden


'''Nützliche Befehle''': <code>switch .. case</code>
<!--
'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>StepperUhrNotaus.ino</code>
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">


Zeile 96: Zeile 104:
</div>
</div>
-->
-->
 
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=== Aufgabe 10.5: Nachhaltige Doku ===
=== Aufgabe 11.5: Nachhaltige Doku ===
Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
* Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
* Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
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'''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code>
'''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code>


== Bewertung ==
{| class="wikitable"
|-
| '''Aufgabe'''|| '''Punkte'''
|-
| 10.1|| 2
|-
| 10.2|| 2
|-
| 10.3|| 2
|-
| 10.4|| 2
|-
| 10.5|| 2
|-
|}


== Tutorials ==
 
*
== Datenblatt ==
* [https://funduino.de/nr-10-entfernung-messen Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen]
*[https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf Ultraschall Messmodul HC-SR04]
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/electronics.php <br>
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/HC-SR04-cct.pdf <br>
 
== Videos ==
{{#ev:youtube|https://www.youtube.com/watch?v=BEDGEZsV7IY| 600 | | Video 1: DE BitBastelei #327​ - Abstandsmessung per Ultraschall: HC-SR04 mit Arduino|frame}}


== Datenblätter ==
== Datenblätter ==
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# Schneider, U.: ''Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C.'' Lippstadt: 1. Auflage 2022. [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|PDF-Dokument (212&thinsp;kb)]]
# Schneider, U.: ''Programmierrichtlinie für für die Erstellung von Software in C.'' Lippstadt: 1. Auflage 2022. [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|PDF-Dokument (212&thinsp;kb)]]
# Waller, H.: ''Arduino Blog.'' URL: [https://hartmut-waller.info/arduinoblog/ https://hartmut-waller.info/arduinoblog/]
# Waller, H.: ''Arduino Blog.'' URL: [https://hartmut-waller.info/arduinoblog/ https://hartmut-waller.info/arduinoblog/]
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→ zurück zum Hauptartikel: [[Arduino_Praxiseinstieg|Arduino Praxiseinstieg]]
→ Termine [[Einführungsveranstaltung Informatikpraktikum 1|0]] [[Einarbeitung_in_die_Versionsverwaltung_SVN|1]] [[Einstieg_in_die_Welt_des_Arduino|2]]  [[Arduino: Taster auswerten und LEDs ansteuern|3]] [[Arduino:_Sensoren_einlesen|4]]  [[Arduino:_Infrarotsensor_einlesen|5]] [[Arduino:_Infrarotsensor_entstören|6]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_I_WS_23/24|7]] [[Arduino:_IR-Theremin|8]] [[Arduino:_Aktoren|9]] [[Arduino:_LCD_Display_mit_I2C_Schnittstelle|10]] [[Arduino:_Ultraschall_Entfernungsmessung|11]] [[Arduino:_Ultraschallsensor_entstören|12]] [[Arduino:_Temperaturmessung_mit_NTC_und_PTC|13]] [[Arduino:_Programmier-Challenge_I_WS_23/24|14]]<br>
→ zurück zum Hauptartikel: [[Arduino_Praxiseinstieg_WS_23/24|Arduino Praxiseinstieg]]

Aktuelle Version vom 21. Oktober 2023, 15:37 Uhr

Abb. 1: Balkendiagramm im LCD
Autor: Prof. Dr.-Ing. Schneider
Modul: Praxismodul I
Lektion 11: Mechatronik, Informatikpraktikum, 1. Semester, Wintersemester

Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen

Fragestellungen

In dieser Lektion wird der Ultraschallsensor HC-SR04 angesteuert und seine Messwerte analysiert.

Eingeführte Begriffe und Konzepte

Diese Lektion befasst sich mit der Vorstellung und Ansteuerung des Ultraschallsensors HC-SR04.

Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen

  • Nutzung der dititalen IO-Pins

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

  • können die Funktion eines Ultraschallsensors erläutern.
  • können Sie die Vor- und Nachteile der Entfernungsmessung mit Ultraschall erläutern.
  • können Sie einen Ultraschallsensors ansteuern.
  • können Sie die Messdaten charakterisieren und auf dem LCD-Display anzeigen.

Lernzielkontrolle

  1. Welche Frequenzen kann das menschliche Ohr wahrnehmen?
  2. Ist Ultraschall (US) hörbar?
  3. Welche Frequenz hat US?
  4. Welche Geschwindigkeit hat US bei Raumtemperatur (20 °C)?
  5. Von welchen Faktoren hängt die US-Geschwindigkeit noch ab?
  6. Nennen Sie die Formel für die Entfernungsmessung mit Ultraschall.
  7. Nennen Sie Vor- und Nachteile von US-Sensoren.
  8. Nennen Sie 10 Anwendungsgebiete für US-Sensoren.
  9. Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
  10. Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
  11. Wurde auf magic numbers verzichtet?
  12. Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Tutorials

Vorbereitung

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

  1. Recherchieren Sie die Funktion des Ultraschallsensors HC-SR04.
  2. Setzen Sie das Beispiel Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen um.
  3. Setzen Sie das Beispiel Ein LCD Display per Arduino ansteuern um.
  4. Zeigen Sie die Messwerte im LCD-Display an.
  5. Planen Sie die Software via PAP.
  6. Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
  7. Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_10.pdf

Versuchsdurchführung

Aufgabe 11.1: Lernzielkontrolle

Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_11.pdf

Aufgabe 11.2: Ultraschall Entfernungsmessung

Mit den Ultraschallsensor HC-SR04 und einem Arduino Mikrocontroller soll eine Entfernung gemessen und mit dem Seriellen Monitor angezeigt werden.

Nützliche Befehle: pinMode, digitalWrite, delay, pulseIn

Arbeitsergebnisse in SVN: messeUltraschallEntfernung.ino

Tutorial: Funduino: Entfernungen mit einem HC-SR04 Ultraschallsensor am Arduino messen

Aufgabe 11.3: Sensordaten auf LCD ausgeben

Mit den Ultraschallsensor soll die Entfernung ausgelesen und auf dem LCD angezeigt werden:

  1. als Messwert in cm
  2. als Balkenanzeige (vgl. Abb. 1)

Nützliche Befehle: #include, init, backlight, setCursor, print

Arbeitsergebnisse in SVN: zeigeUltraschallEntfernung.ino

Aufgabe 11.4: Charakterisieren Sie die Ultraschall Messwerte

  1. Analysieren Sie die Funktion Ihres Ultraschallsensors anhand Ihrer Messwerte.
  2. Beantworten Sie die Fragen fachlich fundiert anhand Ihrer Messdaten:
    1. Welchen Messbereich hat der Sensor?
    2. Welche Werteauflösung hat der Sensor?
    3. Welche max. Abtastrate hat der Sensor?
    4. In welchem Bereich ist der Sensor am empfindlichsten?
    5. Mit welcher Unsicherheit (1 σ) lässt sich eine glatte Fläche bestimmen?

Arbeitsergebnisse in SVN: UltraschallSensorcharakterisierung.pdf

Aufgabe 11.5: 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


Datenblatt

http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/electronics.php
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/HC-SR04-cct.pdf

Videos

Video 1: DE BitBastelei #327​ - Abstandsmessung per Ultraschall: HC-SR04 mit Arduino

Datenblätter

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. Waller, H.: Arduino Blog. URL: https://hartmut-waller.info/arduinoblog/


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