Lichtmessung mit dem Raspberry Pi 3

Transkript

1 1 Lichtmessung mit dem Raspberry Pi 3 Markus Biermann Kurs: Embedded Software Prof. Dr. rer. nat. Nikolaus Wulff

2 2 Motivation Lichtmessung - wofür? Technische Funktionsweisen Fototransistor Operationsverstärker Praktikum Hardware Verschaltung des Sensors Praktikumsaufbau Software Zeitmessung Interrupts Drehzahlberechnung Klassendiagramm Quelle: (Internet)

3 Motivation Lichtmessung - wofür? 3 Wahrnehmung der physikalischen Einheit [Lux] Dichte Geschwindigkeit Φ Menge s Fluss = ρ Menge m 3 v m s A[m2 ] Flussdichte Φ v lm = E v lux A m 2 = I v [cd]*ω[sr] ω[sr] = A[m2 ] r 2 I v [cd] = Φ v[lm] ω[sr] Quelle(Internet) Φ lum : Lichtstrom E v lux : Beleuchtungsstärke I v cd : Lichtstärke Ω sr : Raumwinkel

4 Motivation Lichtmessung - wofür? 4 Wahrnehmung der physikalischen Einheit [Lux] Lichtschranken aufbauen Einweg-Lichtschranke Zweiweg-Lichtschranke Quelle(Internet)

5 Motivation Lichtmessung - wofür? 5 Wahrnehmung der physikalischen Einheit [Lux] Lichtschranken aufbauen Helligkeitsverteilung in einen Raum bestimmen Quelle(Internet)

6 Motivation Lichtmessung - wofür? 6 Wahrnehmung der physikalischen Einheit [Lux] Lichtschranken aufbauen Helligkeitsverteilung in einen Raum bestimmen Geschwindigkeit messen Lichtschranken Quelle(Internet)

7 Motivation Lichtmessung - wofür? 7 Wahrnehmung der physikalischen Einheit [Lux] Lichtschranken aufbauen Helligkeitsverteilung in einen Raum bestimmen Geschwindigkeit messen Streckenmessungen durchführen Messung über die Phasenlage Quelle(Internet)

8 Technische Funktionsweisen Fototransistor 8 Der Fototransistor besteht aus zwei Komponenten, der Fotodiode und einem Transistor. Die Fotodiode generiert Strom mit dem der Transistor angesteuert wird. Stromfluss Das einfallende Licht erzeugt Elektronen-Loch- Paare. Raumladungszone Die Raumladungszone trennt die Elektronen-Loch- Paare und beschleunigt sie, dass führt dann zu einem elektrischen Stromfluss Quelle(Internet) Quelle(Internet)

9 Technische Funktionsweisen Operationsverstärker 9 Der Operationsverstärker verstärkt die Differenz zwischen V+ und V-,im ideal Fall,mit Unendlich. Der ideal Fall tritt jedoch nie ein, weil dies technisch nicht möglich ist. Diese Annahme wird trotzdem verwendet, um Rechnungen mit dem Operationsverstärker zu vereinfachen. V out = V + V G gv = V d G gv Quelle(Internet) Der ideale OPV besitzt eine unendliche Eingangsimpedanz. keine Ausgangsimpedanz. eine unendliche Verstärkung realer OPV idealer OPV V out V dd Der reale OPV besitzt eine Eingangsimpedanz von 200Mohm eine Ausgangsimpedanz von 50ohm eine Verstärkung von V d max V d max V d V ss

10 Technische Funktionsweisen Operationsverstärker 10 Die Komperatorschaltung nimmt in der Regel nur zwei Spannungswerte an (Vdd oder Vss). Die Spannung am Pin 2 des OPV liegt bei 4,5V, bezogen auf die Masse. Die Spannung am Pin 3 kann mit dem Potentiometer geändert werden. Ist die Spannung größer, wie die Spannung am Pin 2, dann wird der OPV-Ausgang auf die Masse gelegt. Ist die Spannung kleiner, wie die Spannung am Pin 2, dann wird der OPV-Ausgang auf die Versorgungsspannung gelegt. Quelle(Internet) schmitt-trigger/los-gehts/experiment-5-komparator/

11 Praktikum -> Hardware Verschaltung des Sensors 11

12 Praktikum - > Hardware Praktikumsaufbau 12 Raspberry Pi 3 Signalleitungen 3,3V Gnd Praktikumsboard 3,3V Gnd Signalleitungen Messstrecke (Einweg-Lichtschranke) Unterbrecher Spannungsversorgung 3,3V Gnd Motor Messapparatur

13 Praktikum - > Hardware Praktikumsaufbau 13 3,3V Signal Gnd Quelle(Buch) Die elektronische Welt mit Raspberry Pi entdecken, Erik Bartmann

14 Software Zeitmessung 14 Zeitmessung Notwendige Bibliothek: #include <sys/time.h> Variablen in der die Zeitpunkte gespeichert werden: struct timeval <Name der Variable> Der Wert der Variable gibt Auskunft darüber, wie viele Sekunden und Microsekunden seid vergangen sind. Ermitteln des Zeitpunktes: void gettimeofday(&<name der Variable>,NULL); Zeitdifferenz zwischen zwei Zeitpunkten berechnen: t[s] = (t2.tv_sec t1.ty_sec) + (t2.tv_usec t1.ty_usec)/ ;

15 Software Interrupts 15 Interrupts Notwendige Bibliotheken: #include <wiringpi.h> Interrupts registrieren: void wiringpiisr(<wiringpi Pin>,<Art der Ereignis>, &<Funktionspointer der ISR-Funktion>) Art der Ereignisse: INT_EDGE_RISING INT_EDGE_FALLING INT_EDGE_BOTH Den Interrupt-Pin im Raspberry anmelden $gpio export <Pin> IN

16 Software Drehzahl berechnen 16 Drehzahl berechnen Im einfachsten Fall: n = 1/T Aufgrund des Betreibsystems, werden die Interrupts nicht sofort ausgelöst. Eine einfache Mittelwertbildung sorgt nicht für ein besseres Ergebnis. Beispiel: T 1 = 550µs; T 2 = 550µs; Gemessene Werte: T 1 = 1000µs; T 2 = 100µs; Tatsächliche Drehzahl:n = 1 = 1 = 1818 s 1 T 2 T 1 Einfacher Mittelwert :n = 1 T T = s 1 Speziellen Mittelwert: n = 2 T 1 +T 2 = 1818 s 1

17 Software Klassendiagramm 17

18 Software Klassendiagramm 18