Arduino cursus/Dag 2

Input: sensoren

Signalen en events

We hebben te maken met verschillende soorten inputs: signalen en events.

Een signaal is continu: het heeft op elk moment een waarde. Meestal is dit een weergave ("spoor") van een fysisch proces..

Enkele voorbeelden van signalen: geluid; elektrisch signaal van de hartslag; lichtniveau (via LDR); temperatuur; snelheid; versnelling;

Periodieke signalen

Sommige signalen bestaat uit een herhalend patroon. We spreken dan over een periodiek signaal; de periode is de duur van het (kleinste) deel dat steeds herhaald wordt.

Enkele voorbeelden van periodieke signalen: sinus (toon); PWM-signaal (bijvoorbeeld voor het aansturen van een LED of van een motor);

Discretiseren van een signaal (bemonstering)

Een signaal is continu: voor het werken met een signaal in een computer moet je dit discreet maken, door middel van bemonstering. Dit betekent dat je periodiek de waarde van het signaal meet via een A/D omzetter: het resultaat van zo'n meting is een getal. Een signaal beschrijf je dan door een reeks getallen. Als je zo'n bemonstering vaak genoeg doet, kun je deze reeks waarden beschouwen als een betrouwbare benadering van het oorspronkelijke signaal.

Hoe vaak is "vaak genoeg"? Dat hangt van het signaal af. Als een signaal snel verandert (met andere woorden: als het signaal hoge frequenties bevat), dan zul je dit sneller moeten bemonsteren. Voor een periodiek signaal geldt dat je dit tenminste tweemaal in een periode moet bemonsteren; in de praktijk doen we dat meestal iets vaker.

• voorbeeld: de temperatuur in een kamer hoeven we niet elke 1/10 seconde te bemonsteren: zo snel verandert deze niet. In een vriezer of in een koelkast zal de temperatuur nog minder snel veranderen (door de isolatie).
• Hoorbaar geluid heeft frequenties tot ca. 15 kHz; dit zul je dan met tenminste 30 kHz moeten bemonsteren.

Events

Een event is een gebeurtenis die op een bepaald moment plaatsvindt. In onze aanpak speelt de duur van een event geen rol: een event is "momentaan".

Voorbeelden van events: het indrukken van een toets; een muisklik; het aflopen van een kookwekker; een val; een stap; een hartslag;

Ook events kunnen (semi-)periodiek zijn: denk bijvoorbeeld aan de stappen van iemand die loopt; of aan een reeks opeenvolgende hartslagen. In deze voorbeelden kan er een kleine variatie in de periode tussen de opeenvolgende events zitten.

Een event is soms een gebeurtenis die in een signaal herkend kan worden: bijvoorbeeld, in een electrocardiogram (ECG: hartsignaal) kunnen we de hartslagen herkennen. Of in het signaal van een 3D-versnellingsopnemer (accellerometer) kunnen we de stappen herkennen.

Een eenvoudig voorbeeld hiervan: in het signaal van een drukknop kunnen we de overgang L->H herkennen: dit komt overeen met het indrukken van de drukknop.

Sensoren

Sommige sensoren meten een signaal:

• temperatuursensor
• lichtsensor (LDR)
• potmeter (potentiometer)
• versnellingsopnemer (accellerometer)
• microfoon
• afstandssensor

Andere sensoren detecteren een event:

• bewegingsmelder
• deursensor (openen/sluiten van een deur)
• brandmelder

Soms gebruiken we een stukje programma om een event in een signaal te herkennen:

• indrukken van een toets
• hartslag in een hartsignaal

Voorbeelden van deze sensoren - voor signalen en events - behandelen we in de opdrachten verderop.

Koppelen van input aan output

Directe koppeling van input- naar output-signaal

Sensoren met een signaal als output kun je koppelen aan actuatoren met een signaal als input. Soms moet je het signaal daarvoor aanpassen - bijvoorbeeld door middel van schaling (map-functie), filtering, of andere berekeningen. De tabel hieronder geeft voorbeelden van sensoren en actuatoren die je op een dergelijke manier direct kunt koppelen. Sommige combinaties zijn nuttig, andere vooral creatief.

in (signaal)	bewerking	output (signaal)
input = analogRead(pin);	map(in, inFrom, inTo, outFrom, outTo)	analogWrite(pin, out);
potmeter	...filter...	buzzer (toonhoogte)
LDR (lichtniveau)	...	LED (helderheid)
temperatuursensor	...	RGB-LED (kleur)
kracht/gewichtsensor		display (waarde)
oriëntatiesensor (kompas)		motor (snelheid)
versnellingopnemer		servo (hoek)
geluidsniveausensor		...
afstandssensor		...
...		timer (periode)
...		-> tikker, enz.
...		...

De Arduino-code voor deze directe koppeling van input- en outputsignalen kan er als volgt uitzien:

  input = analogRead(sensorPin);
  output = map(input, inFrom, inTo, outFrom, outTo);
  digitalWrite(output);

Dit kunnen we nog directer weergeven:

  digitalWrite(map(analogRead(sensorPin), inFrom, inTo, outFrom, outTo));

Opdrachten - directe koppeling van signalen

input (sensor)	output (actuator)	opdracht(en)	library	voorkennis
analoge temperatuursensor	serial plotter; display	Arduino cursus/Analoge temperatuursensor	(met schaling)	display
digitale temperatuursensor	serial plotter; display	Arduino cursus/Digitale temperatuursensor	(met schaling)	display
afstandssensor	serial monitor; display;	Arduino cursus/Afstandssensor
hartslagsensor	serial plotter; LED	Arduino cursus/Hartslagsensor
LDR (lichtsensor)	serial plotter; buzzer (tone)			display
potmeter	servo	Arduino cursus/Servo-0

Nog wat ideeën:

• afstandssensor met buzzer (kliksnelheid - vgl. parkeersensor?)
• afstandssensor met servo
• afstandssensor met buzzer (tone)
• potmeter met RGB-LED (kleur)

Events en event-detection

Een event is een momentane gebeurtenis. Een voorbeeld is het indrukken van een button. Dit kunnen we herkennen in het (digitale) ingangssignaal, aan de overgang LOW->HIGH. Om deze te detecteren, hebben we zowel de vorige waarde van de input nodig, als de huidige. Deze vorige waarde van de input bewaren we in een globale variabele. De structuur van event-detectie en de verwerking daarvan heeft de volgende vorm:

  if (event) {
    eventAction;
  }

In het voorbeeld van de button wordt dit:

  prevInput = input;
  input = digitalRead(buttonPin);
  if (prevInput == LOW && input == HIGH) {
    switchLedState();
  }

input (event)		output (event)
button (indrukken)		digitalWrite(...)
timer		LED aan/uit
bewegingsdetector		motor aan/uit; richting
		relais aan/uit

Sensor	detectie	output (event)	opdracht(en)	library	voorkennis
button	indrukken van button	omschakelen van een LED	Arduino cursus/Button-event
bewegingsdetector	beweging	omschakelen van een LED	Arduino cursus/Bewegingsdetector
hartslagsensor	hartslag (signaalniveau)	knipperen van een LED	Arduino cursus/Hartslagsensor
directe koppeling met beslissing	temperatuursensor met LED-indicatie		analoge input; schaling;
bewegingsdetector met lichtschakelaar (LED)	veiligheidsverlichting		timers; LDR; (eventueel: relais/MosFET)

Meerdere taken "tegelijk"

• vermijden van blokkerende acties (zoals delay)
• gebruik van timers (zie: "Blink without delay")

Timers

• nb: een (herstartende) timer is een periodiek signaal - dit kunnen we gebruiken voor het genereren van allerlei andere periodiek signalen.
• bijv.: gebruik van een timer om een LED te laten dimmen in een bepaalde periode. Je gebruikt dan het verschil (now - start) voor de PWM-parameter.

Opdrachten

Niet alle combinaties van inputs en outputs zijn geschikt. Sommige zijn nuttig; andere vooral creatief.

(software) timer	Blink without delay		Blink (LED)
directe koppeling met schaling	LDR en buzzer (toonhoogte)
directe koppeling met beslissing	temperatuursensor met LED-indicatie		analoge input; schaling;
directe koppeling met schaling	potmeter met kleur		analoge input; schaling
bewegingsdetector met lichtschakelaar (LED)	veiligheidsverlichting		timers; LDR; (eventueel: relais/MosFET)

Automaat - met input

bouwsteen	opdracht(en)	library	voorkennis
button (indrukken als event)
bewegingsdetector			LED
hartslagsensor detecteren van hartslag			display; LED
(software) timer	Blink without delay		Blink (LED)
directe koppeling met schaling	LDR en buzzer (toonhoogte)
directe koppeling met beslissing	temperatuursensor met LED-indicatie		analoge input; schaling;
directe koppeling met schaling	potmeter met kleur		analoge input; schaling
bewegingsdetector met lichtschakelaar (LED)	veiligheidsverlichting		timers; LDR; (eventueel: relais/MosFET)

Timers en multitasking

bouwsteen	opdracht(en)	library	voorkennis
timer	LED: symmetrisch knipperen
timer	LED: PWM (o.a. voor dimmer)		LED
timer: oneshot (delay)	LED (voorbereiding nachtlamp) - met button		Button
tikker(met buzzer)	Arduino cursus/Tikker		timer
(mini-project)	bewegingsdetector (en evt. LDR) met LED-schakelaar/timer		timer (one-shot); evt. LDR;
(mini-project)	afstandssensor met tikker

NB: we hebben zowel simpele opdrachten - om een bouwsteen te leren kennen; met enkele variaties, ook voor een beter begrip. En we hebben (mini)projecten waarin we enkele bouwstenen combineren.

In latere projecten zullen we meerdere bouwstenen combineren.

Projecten

• verkeerslichten