Die Verbindung von Arduino und Physik eröffnet faszinierende Möglichkeiten, die reale Welt zu erfassen und zu analysieren. Gerade in der Messtechnik erweist sich der Arduino als äußerst flexibel und kostengünstig. In diesem Artikel tauchen wir tief in die Materie ein und zeigen Ihnen, wie Sie mit dem Arduino die Umdrehungszahl (RPM) und die Winkelgeschwindigkeit messen können. Wir stellen Ihnen zwei vollständig funktionstüchtige Programme vor, die Sie sofort einsetzen und an Ihre Bedürfnisse anpassen können. Dabei gehen wir auf die physikalischen Grundlagen ein, erläutern die verwendeten Sensoren und stellen den Programmcode detailliert vor.
Warum Arduino für Physik-Anwendungen?
Der Arduino ist ein idealer Begleiter für Physik-Experimente und Messanwendungen aus mehreren Gründen:
- Kostengünstig: Im Vergleich zu spezialisierten Messgeräten ist der Arduino sehr erschwinglich.
- Flexibel: Durch seine Programmierbarkeit kann der Arduino an unterschiedlichste Aufgaben angepasst werden.
- Vielseitige Sensoranbindung: Eine große Auswahl an Sensoren, die sich problemlos an den Arduino anschließen lassen, steht zur Verfügung.
- Open-Source: Die Open-Source-Natur von Hard- und Software ermöglicht es, das System nach Belieben zu erweitern und anzupassen.
- Einfache Programmierung: Die Arduino-IDE ist benutzerfreundlich und auch für Programmieranfänger gut geeignet.
Grundlagen: Umdrehungszahl und Winkelgeschwindigkeit
Bevor wir uns den Programmen widmen, ist es wichtig, die physikalischen Größen Umdrehungszahl und Winkelgeschwindigkeit zu verstehen:
- Umdrehungszahl (RPM): Die Umdrehungszahl gibt an, wie viele Umdrehungen ein Objekt pro Minute ausführt. RPM steht für „Revolutions Per Minute”.
- Winkelgeschwindigkeit (ω): Die Winkelgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell sich ein Objekt um eine Achse dreht. Sie wird in Radiant pro Sekunde (rad/s) gemessen. Der Zusammenhang zwischen Umdrehungszahl (n in RPM) und Winkelgeschwindigkeit (ω in rad/s) ist: ω = (2π * n) / 60
Hardware-Komponenten
Für die Messung von Umdrehungszahl und Winkelgeschwindigkeit benötigen wir folgende Komponenten:
- Arduino Uno (oder ein anderes Arduino-Board): Das Herzstück unserer Schaltung.
- Drehgeber (Encoder): Ein Drehgeber wandelt die Drehbewegung in elektrische Signale um. Wir verwenden hier einen inkrementellen Drehgeber, der bei jeder Drehung Impulse erzeugt.
- Widerstände (optional): Pull-Up-Widerstände für die Eingänge des Arduino können die Signalqualität verbessern. Intern Pull-Up Widerstände können aber auch Softwareseitig aktiviert werden.
- Verbindungsdrähte: Zum Verbinden der Komponenten.
- Optional: LCD-Display: Um die Messwerte anzuzeigen.
Programm 1: Messung der Umdrehungszahl (RPM)
Dieses Programm misst die Zeit zwischen zwei Impulsen des Drehgebers und berechnet daraus die Umdrehungszahl (RPM). Es ist wichtig zu beachten, dass dieses Programm auf der Annahme basiert, dass der Drehgeber eine bestimmte Anzahl von Impulsen pro Umdrehung erzeugt. Diese Anzahl muss im Programm korrekt eingestellt werden.
Schaltplan:
Der Drehgeber wird an zwei digitale Pins des Arduino angeschlossen (z.B. Pin 2 und Pin 3). Die Stromversorgung des Drehgebers (VCC und GND) wird an die entsprechenden Pins des Arduino angeschlossen.
Arduino-Code:
„`arduino
// Definiere die Pins, an denen der Drehgeber angeschlossen ist
const int encoderPinA = 2;
const int encoderPinB = 3;
// Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Drehgebers
const int pulsesPerRevolution = 360; //Anpassen!
// Variablen zur Speicherung der Zeit und des Status
unsigned long lastTime = 0;
volatile int pulseCount = 0;
// Variable zur Speicherung der Umdrehungszahl
float rpm = 0.0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(encoderPinA, INPUT_PULLUP); // Aktiviere internen Pull-Up Widerstand
pinMode(encoderPinB, INPUT_PULLUP); // Aktiviere internen Pull-Up Widerstand
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(encoderPinA), countPulse, CHANGE); // CHANGE erkennt steigende und fallende Flanken
}
void loop() {
// Berechne die RPM alle 250 Millisekunden
if (millis() – lastTime >= 250) {
// Deaktiviere Interrupts während der Berechnung
detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(encoderPinA));
// Berechne die RPM
rpm = ((float)pulseCount / pulsesPerRevolution) * 60 * 4; // *4, da wir alle 250ms messen
// Gib die RPM aus
Serial.print(„RPM: „);
Serial.println(rpm);
// Setze den Zähler zurück
pulseCount = 0;
// Aktiviere Interrupts wieder
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(encoderPinA), countPulse, CHANGE);
// Speichere die aktuelle Zeit
lastTime = millis();
}
}
void countPulse() {
pulseCount++;
}
„`
Erläuterung des Codes:
- `encoderPinA` und `encoderPinB`: Definieren die Pins, an denen der Drehgeber angeschlossen ist.
- `pulsesPerRevolution`: Gibt die Anzahl der Impulse an, die der Drehgeber pro Umdrehung erzeugt. Dieser Wert muss unbedingt an den verwendeten Drehgeber angepasst werden. Achte darauf, das Datenblatt deines Drehgebers zu konsultieren!
- `lastTime`: Speichert die Zeit des letzten Messintervalls.
- `pulseCount`: Zählt die Impulse des Drehgebers.
- `rpm`: Speichert die berechnete Umdrehungszahl.
- `setup()`: Initialisiert die serielle Kommunikation und konfiguriert die Pins. Die `attachInterrupt()` Funktion legt fest, dass die Funktion `countPulse()` ausgeführt wird, wenn sich der Zustand an Pin `encoderPinA` ändert (steigende oder fallende Flanke).
- `loop()`: Führt die Messung und Berechnung der RPM in regelmäßigen Abständen (alle 250 Millisekunden) durch. Die Interrupts werden während der Berechnung deaktiviert, um Messfehler zu vermeiden.
- `countPulse()`: Diese Interrupt-Routine wird jedes Mal aufgerufen, wenn der Drehgeber einen Impuls erzeugt. Sie erhöht den Wert von `pulseCount`. Diese Funktion muss so kurz wie möglich sein, da sie den Hauptprogrammablauf unterbricht.
Programm 2: Messung der Winkelgeschwindigkeit (rad/s)
Dieses Programm basiert auf dem gleichen Hardware-Setup wie Programm 1. Es misst jedoch nicht direkt die RPM, sondern berechnet die Winkelgeschwindigkeit in rad/s. Der Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Winkelgeschwindigkeit eine direktere Aussage über die Rotationsbewegung gibt.
Schaltplan: (Identisch mit Programm 1)
Arduino-Code:
„`arduino
// Definiere die Pins, an denen der Drehgeber angeschlossen ist
const int encoderPinA = 2;
const int encoderPinB = 3;
// Anzahl der Impulse pro Umdrehung des Drehgebers
const int pulsesPerRevolution = 360; //Anpassen!
// Variablen zur Speicherung der Zeit und des Status
unsigned long lastTime = 0;
volatile int pulseCount = 0;
// Variable zur Speicherung der Winkelgeschwindigkeit
float angularVelocity = 0.0;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(encoderPinA, INPUT_PULLUP);
pinMode(encoderPinB, INPUT_PULLUP);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(encoderPinA), countPulse, CHANGE);
}
void loop() {
// Berechne die Winkelgeschwindigkeit alle 250 Millisekunden
if (millis() – lastTime >= 250) {
// Deaktiviere Interrupts während der Berechnung
detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(encoderPinA));
// Berechne die Winkelgeschwindigkeit in rad/s
angularVelocity = ((float)pulseCount / pulsesPerRevolution) * 2 * PI * 4; // *4, da wir alle 250ms messen
// Gib die Winkelgeschwindigkeit aus
Serial.print(„Winkelgeschwindigkeit (rad/s): „);
Serial.println(angularVelocity);
// Setze den Zähler zurück
pulseCount = 0;
// Aktiviere Interrupts wieder
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(encoderPinA), countPulse, CHANGE);
// Speichere die aktuelle Zeit
lastTime = millis();
}
}
void countPulse() {
pulseCount++;
}
„`
Erläuterung des Codes:
Der Code ist sehr ähnlich zu Programm 1. Der Hauptunterschied liegt in der Berechnung der Winkelgeschwindigkeit. Anstelle der Berechnung der RPM wird die Formel ω = (2π * n) / 60 direkt implementiert. Da wir in Schritten von 250ms messen, multiplizieren wir das Ergebnis mit 4.
Verbesserungsmöglichkeiten und Erweiterungen
Die hier vorgestellten Programme sind ein guter Ausgangspunkt für eigene Experimente und Anwendungen. Hier einige Ideen für Verbesserungen und Erweiterungen:
- Genauere Messung: Erhöhen Sie die Messfrequenz oder verwenden Sie einen Drehgeber mit höherer Auflösung (mehr Impulse pro Umdrehung).
- Filterung: Implementieren Sie einen digitalen Filter, um Rauschen zu reduzieren und die Messwerte zu glätten.
- Datenlogging: Speichern Sie die Messwerte auf einer SD-Karte, um sie später auswerten zu können.
- Regelung: Verwenden Sie die Messwerte, um einen Motor zu steuern und eine bestimmte Drehzahl oder Winkelgeschwindigkeit zu regeln.
- Display: Verwenden Sie ein LCD-Display oder eine serielle Schnittstelle, um die Messwerte anzuzeigen.
Fazit
Der Arduino ist ein leistungsfähiges Werkzeug für physikalische Messungen. Mit den hier vorgestellten Programmen können Sie auf einfache Weise die Umdrehungszahl und die Winkelgeschwindigkeit messen und analysieren. Experimentieren Sie mit den Codes, passen Sie sie an Ihre Bedürfnisse an und entdecken Sie die vielfältigen Möglichkeiten, die die Verbindung von Arduino und Physik bietet. Durch das Verständnis der grundlegenden Konzepte und die Anpassung der Programme können Sie präzise und zuverlässige Messungen durchführen und Ihre eigenen physikalischen Projekte realisieren.