Arduino: IR-Theremin: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 20. November 2023, 11:43 Uhr

Abb. 1: Alexandra Stepanoff spielt ein Theremin für NBC Radio im Jahr 1930

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

Fragestellungen, Begriffe und Voraussetzungen

Fragestellungen

Bislang haben Sie sich umfangreich mit dem Sharp IR Abstandssensor beschäftigt. Sie haben analoge Spannungswerte digitalisiert, Störungen entfernt und mittels Kennlinie die Distanz berechnet. In dieser Lektion kommt der kalibrierte Sensor als Musikinstrument zur Anwendung.

Eingeführte Begriffe und Konzepte

In den vorherigen Lektionen wurde der serielle Monitor und Plotter der Arduino IDE zu Datenvisualisierung verwendet. In dieser Lektion werden die Daten in eine Textdatei geschrieben und mit MATLAB visualisiert. Zusätzlich wird der passive Lautsprecher verwendet, um eine Melodie zu spielen. Als Musikinstrument wird ein Theremin gebaut, welches abhängig vom gemessenen Abstand die Tonfrequenz variiert.

Vorausgesetzte Kenntnisse aus vorangegangenen Lektionen

Messung der Entfernung mit einem IR-Sensor
Ansteuerung des Piezo Lautsprechers

Lernziele

Nach Durchführung dieser Lektion

können Daten in eine Textdatei exportieren und mit MATLAB^® visualisieren.
können eine Melodie mit dem Arduino spielen.
können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.

Lernzielkontrolle

Haben Sie Messdaten mit 115200 baud seriell ausgegeben?
Haben Sie Messdaten mit Putty in ein Textdatei geschrieben und gespeichert?
Haben Sie die Messdaten mit MATLAB geladen und angezeigt?
Wurde der Quelltext durch Header und Kommentare aufgewertet?
Wurden jedes Programm mittels PAP geplant?
Wurde auf magic numbers verzichtet?
Wurde die Programmierrichtlinie eingehalten?

Tutorials

Demos

DemoDebugTxt2MATLAB

Vorbereitung

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

Installieren Sie den seriellen Monitor Putty und machen Sie sich mit der Bedienung vertraut. Nutzen Sie den Artikel Anleitung für Putty.
Schreiben Sie ein Arduino Programm, welchen die Zeit in ms und Distanz in cm seriell ausgibt.
Visualisieren Sie Die Distanz über der Zeit in MATLAB. Nutzen Sie hierfür das DemoDebugTxt2MATLAB.
Planen Sie die Software via PAP.
Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.

Arbeitsergebnisse in SVN: Lernzielkontrolle_Termin_07.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")).
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

Videos

Was ist ein Theremin?

STAR TREK original theme performed on 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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 [[Kategorie:Arduino]]
-[[Datei:Lernset - Einsteiger Kit für Arduino.jpg|thumb|rigth|450px|Abb. 1: Lernset - Einsteiger Kit für Arduino]]
+[[Datei:Theramin-Alexandra-Stepanoff-1930.jpg |thumb|rigth|350px|Abb. 1: Alexandra Stepanoff spielt ein Theremin für NBC Radio im Jahr 1930]]
 '''Autor:''' [[Benutzer:Ulrich_Schneider| Prof. Dr.-Ing. Schneider]]<br>
 '''Modul:''' Praxismodul I<br>
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 == Lernziele==
 Nach Durchführung dieser Lektion
-* können Daten in eine Textdatei exportieren und visualisieren.
+* können Daten in eine Textdatei exportieren und mit MATLAB<sup>®</sup> visualisieren.
 * können eine Melodie mit dem Arduino spielen.
 * können Sie ein IR-Theremin bauen und entfernungsabhängig Töne spielen.
 == Lernzielkontrolle ==
-<!--
+# Haben Sie Messdaten mit 115200 baud seriell ausgegeben?
-# Zeichnen Sie die gemessene Entfernung im Verhältnis zu einer Referenz auf. Die Referent kann ein Gliedermaßstab sein. Welchen Messbereich hat Ihr IR-Sensor?
+# Haben Sie Messdaten mit Putty in ein Textdatei geschrieben und gespeichert?
-# Zeichnen Sie die gemessenen Entfernungsschritte über dem Messbereich auf. Welche Auflösung hat Ihr Sensor?
+# Haben Sie die Messdaten mit MATLAB geladen und angezeigt?
-# 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 <code>magic numbers</code> verzichtet?
 # Wurde die [[Medium:Programmierrichtlinie.pdf|Programmierrichtlinie]] eingehalten?
--->
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_07.pdf</code>
+== Tutorials ==
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code>]
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>map()</code> ]
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/tone/ Arduino Referenz: <code>tone()</code>]
+* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/notone/ Arduino Referenz: <code>noTone()</code>]
+* [[Sharp_GP2Y0A41SK0F| Wiki: SHARP IR Abstandsensor]]
+* [[Einrichtung_von_PuTTY| Wiki: Anleitung für Putty]]
+== Demos ==
+*  [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Arduino/ArduinoLibOrdner/ArduinoUnoR3/examples/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]
 == Vorbereitung ==
-<!--
 Bereiten Sie sich anhand der nachfolgenden Aufgaben auf den Praktikumstermin vor.
-# Installieren Sie die [https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/quicksortlib/ QuickSort Bibliothek]. Nutzen Sie die [https://docs.arduino.cc/software/ide-v1/tutorials/installing-libraries Anleitung zur Installation von Bibliotheken].
+# Installieren Sie den seriellen Monitor <code>Putty</code> und machen Sie sich mit der Bedienung vertraut. Nutzen Sie den Artikel [[Einrichtung_von_PuTTY| Anleitung für Putty]].
-# Sortieren Sie die 5 Zufallswerte nach Größe z.&thinsp;B. <code>2,2,4,1,2</code> wird zu <code>1,2,2,2,4</code>. Nutzen Sie hierfür die Funktionen aus <code>DemoSortiereArray.ino</code>.
+# Schreiben Sie ein Arduino Programm, welchen die <code>Zeit in ms</code> und <code>Distanz in cm</code> seriell ausgibt.
+# Visualisieren Sie Die Distanz über der Zeit in MATLAB. Nutzen Sie hierfür das [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB].
-[[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.
-# Recherchieren Sie die Funktion des Sensors anhand von Fachliteratur und des [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatts]] oder [[Sharp_GP2Y0A41SK0F|Wiki-Artikels]].
-# Bauen Sie die Schaltungen zur Auswertung der Sensoren auf.
-# Nutzen Sie die Abbildung auf Seite 4 des [[Medium:GP2Y0A41SK0F.pdf|Datenblatts]], um eine Tabelle Spannung/Distanz aufzustellen (vgl. Tab. 1).
-# Machen Sie sich mit der Funktion der analogen Eingänge vertraut: [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code> ]. Messen Sie gemäß Abb. 2 die Spannung einen AA Batterie in V. (Hinweis: KEINE 9-V-BLOCK nutzen! Spannung von mehr als 5&thinsp;V können den '''Arduino zerstören'''.)
-# Nutzen Sie die [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code> ] und erweitern Sie Ihre Tabelle um die Spalte Digitalwert <code>D1</code> (vgl. Tab. 1).
 # Planen Sie die Software via PAP.
 # Beantworten Sie die Lernzielkontrollfragen.
 # Sichern Sie Ihre Unterlagen in SVN.
-<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
-'''Musterlösung:''' für den Batterie-Tester
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_07.pdf</code>
-<source line lang="C" style="font-size:small">const unsigned long BAUD_RATE_u32 = 9600;
-const unsigned int AUFLOESUNG_u16 = 1023; //2^10-1
-const float ARDUINO_SPANNUNG_f32  = 5.0;
-void setup() {
-  Serial.begin(BAUD_RATE);
-}
-void loop() {
-  unsigned int Digitalwert_u16 = analogRead(A0); // Quantisierung der Apannung am Analogen Eingang A0
-  Serial.print(ARDUINO_SPANNUNG_f32 * AUFLOESUNG_u16/Digitalwert_u16); // Umrechnung Digitalwert in V
-  Serial.println("V");
- </source>
-</div>
-{| class="wikitable"
-|+ style = "text-align: left"|Tabelle 1: Kennlinie des IR-Distanzsensors
-|-
-| '''Spannung <code>U1</code> in V'''|| '''Distanz <code>d</code> in cm'''|| '''Digitalwert <code>D1</code>'''
-|-
-| 3|| 3,6 || 614
-|-
-| 2.02|| 6 || 413
-|-
-| 0.82|| 16 || 168
-|-
-| ..|| .. || ..
-|-
-|}
-'''Tipps:'''
-* Nutzen Sie Werte über den gesamten Wertebereich [0.2&thinsp;V .. 3.2&thinsp;V].
-* Sie können die Werte auch durch reale Messungen auf ein statisches Ziel ermitteln.
-* 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>
--->
 == Versuchsdurchführung ==
-=== Aufgabe 7.1: Lernzielkontrolle ===
+=== Aufgabe 8.1: Lernzielkontrolle ===
 Präsentieren Sie Prof. Schneider das Ergebnis der Lernzielkontrolle.
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_06.pdf</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>Lernzielkontrolle_Termin_08.pdf</code>
+----
-=== Aufgabe 7.2: Debugging ===
+=== Aufgabe 8.2: Debugging ===
-Arduino-Aufgabe
+'''Arduino-Aufgabe'''
 # Messen Sie die Zeit in Millisekunden mit dem Befehl <code>millis()</code>
 # Messen Sie die Entfernung mit und ohne Median-Filter.
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 # Nutzen Sie Putty als seriellen Monitor und speichern Sie die Daten in der Datei <code>Debug.txt</code>.
 '''Nützliche Befehle''': <code>millis(), Serial.begin(), Serial.println(), analogRead()</code>
+----
-MATLAB-Aufgabe
+'''MATLAB-Aufgabe'''
 # Nutzen Sie das Demo <code>startLeseDebug.m</code> und lesen Sie die Daten aus der Datei <code>Debug.txt</code>.
 # Stellen Sie die Entfernung ohne Median Filter über der Zeit dar (<code>plot(Zeit,Messwerte,'r.-')</code>).
 # Stellen Sie die Entfernung mit Median Filter über der Zeit dar (<code>plot(Zeit,median,'b-')</code>).
-# Ergänzen Sie eine Legende (<code>legend("Messwerte", Median-Filter,'b-')</code>).
+# Ergänzen Sie eine Legende (<code>legend("Messwerte", "Median-Filter")</code>).
 # Beschriften Sie die Achsen.
@@ Zeile 118: / Zeile 82: @@
 '''Demo:''' [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoDebugTxt2MATLAB  DemoDebugTxt2MATLAB]
 </div>
+----
-=== Aufgabe 7.3: Töne erzeugen ===
+=== Aufgabe 8.3: Töne erzeugen ===
 # 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.
@@ Zeile 125: / Zeile 90: @@
 '''Nützliche Befehle''': <code>tone(), delay(), noTone(), pinMode(), digitalRead(), if()</code>
-'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>testeMedianFilter.ino</code>
+'''Arbeitsergebnisse''' in SVN: <code>spieleMelodie.ino</code>
 <div class="mw-collapsible mw-collapsed">
-'''Lösung:''' [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen| Nr.08 – Töne erzeugen]
+'''Lösung:''' [https://funduino.de/nr-08-toene-erzeugen Nr.08 – Töne erzeugen]
 </div>
+----
-=== Aufgabe 7.4: IR-Theremin ===
+=== 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 <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.
 # Erzeugen Sie Töne abhängig von den Messwerten des Sharp IR-Entfernungssensors.
@@ Zeile 146: / Zeile 111: @@
 </div>
+----
-=== Aufgabe 7.5: Nachhaltige Doku ===
+=== Aufgabe 8.5: Nachhaltige Doku ===
 Sichern Sie alle Ergebnisse mit beschreibendem Text (<code>message</code>) in SVN.
 * Wurden die Regeln für den Umgang mit SVN eingehalten?
@@ Zeile 157: / Zeile 122: @@
 '''Arbeitsergebnis''' in SVN: <code>SVN Log</code>
-== Bewertung ==
-{| class="wikitable"
-|-
-| '''Aufgabe'''|| '''Punkte'''
-|-
-| 7.1|| 2
-|-
-| 7.2|| 2
-|-
-| 7.3|| 2
-|-
-| 7.4|| 2
-|-
-| 7.5|| 2
-|-
-|}
-== Tutorials ==
-* [https://docs.arduino.cc/software/ide-v2/tutorials/ide-v2-serial-plotter Arduino: Using the Serial Plotter Tool]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>analogRead()</code>]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/analog-io/analogread/ Arduino Referenz: <code>map()</code> ]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/tone/ Arduino Referenz: <code>tone()</code>]
-* [https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/advanced-io/notone/ Arduino Referenz: <code>noTone()</code>]
-* [[Sharp_GP2Y0A41SK0F| Wiki: SHARP IR Abstandsensor]]
-== Demos ==
-* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoSharpIR/DemoSharpIR.ino DemoSharpIR.ino]
-* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTable/DemoLookupTable.ino DemoLookupTable.ino]
-* [https://svn.hshl.de/svn/Informatikpraktikum_1/trunk/Demos/Arduino/DemoLookupTable/DemoLookupTableIR.ino DemoLookupTableIR.ino]
 == Videos ==
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 ----
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+→ 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]]