Magnetfeld und Beschleunigung
| Experiment | Magnetfeld und Beschleunigung |
|---|---|
| Category | Arduino library experiments |
| Used sensors | 49e, Arduino Nano 33 BLE (IMU) |
Der Arduino Nano 33 BLE verfügt über einen internen Beschleunigungs- und Drehratensensor. Außerdem ist er schlank genug, mit direkt aufgelötetem Hall-Sensor in Spulen eingeführt zu werden. Somit lässt sich ein kleines, kompaktes Multi-Sensormodul daraus bauen, also eine Kombination aus
https://phyphox.org/wiki/index.php/Externer_Magnetfeldsensor
https://phyphox.org/wiki/index.php/Drehrate_und_Beschleunigung .
Für die genaue Beschreibung wird also auf die oberen beiden Links verwiesen. Zu erwähnen ist aber Folgendes:
Obwohl der Drehratensensor die Werte in Winkelgrad pro Sekunde ausgeben sollte, musste ein Korrekturfaktor ins Programm, um vernünftige Messwerte zu bekommen. In den drei Views wären mehr Datenkanäle wünschenswert gewesen. Die Bibliothek erlaubt aber maximal fünf.
Sensormodul
Aufbau
siehe https://phyphox.org/wiki/index.php/Externer_Magnetfeldsensor
https://phyphox.org/wiki/index.php/Drehrate_und_Beschleunigung .
Der Signal-Pin des Hall-Sensors ist an den Arduino-Pin A6 gelötet. Der 10-kOhm-Pulldown-Widerstand ist rückseitig verlötet. Der 49e-Hall-Sensor wurde mit Heißkleber verklebt. Bei der Verdrahtung ist streng darauf zu achten, Kurzschlüsse zu vermeiden. Zum Schutz wurde alles mit Schrumpfschlauch versiegelt.
Programmierung
Der Arduino Nano 33 BLE wird über die Arduino IDE programmiert. Es müssen die Definitionen für den Nano 33 BLE und die phyphox-Bibliothek installiert sein. Siehe dazu das Video unter Category: Arduino library experiments.
Es ist darauf zu achten, dass jeder Nano eine eigene Kennung hat (diese wird in PhyphoxBLE::start("Nano33_Multi_1") festgelegt). Anschließend kann über das Plus-Symbol in phyphox ein Bluetooth-Experiment hinzugefügt werden, das Experiment wird dann automatisch geladen.
#include <Arduino_LSM9DS1.h>
#include <phyphoxBle.h>
int AnalogPin=A6; //Pin Hall-Sensor
float Messwert,x ,y ,z, OffsetX, OffsetY, OffsetZ, wx, wy, wz;
float Magnetfeld, Beschleunigung, Drehrate;
float Offset;
void setup() {
PhyphoxBLE::start("Nano33_Multi_1");
//Experiment
PhyphoxBleExperiment experiment;
experiment.setTitle("Nano33_Multi1_B");
experiment.setCategory("Arduino Experiments");
experiment.setDescription("Magnetfeld, Beschleunigung, Gyro");
PhyphoxBleExperiment::View view1;
view1.setLabel("Magnetfeld");
PhyphoxBleExperiment::View view2;
view2.setLabel("Beschleunigung");
PhyphoxBleExperiment::View view3;
view3.setLabel("a von omega");
//Value
PhyphoxBleExperiment::Value Value1;
Value1.setLabel("B = ");
Value1.setUnit("mT");
Value1.setChannel(1);
//Graphen
PhyphoxBleExperiment::Graph graph1; //B
graph1.setLabel("B - Offset");
graph1.setUnitX("s");
graph1.setUnitY("mT");
graph1.setLabelX("time");
graph1.setLabelY("B");
graph1.setChannel(0,1);
PhyphoxBleExperiment::Graph graph2; //ax
graph2.setLabel("ax");
graph2.setUnitX("s");
graph2.setUnitY("g");
graph2.setLabelX("time");
graph2.setLabelY("ax");
graph2.setChannel(0,2);
PhyphoxBleExperiment::Graph graph3; //ay
graph3.setLabel("az");
graph3.setUnitX("s");
graph3.setUnitY("g");
graph3.setLabelX("time");
graph3.setLabelY("az");
graph3.setChannel(0,3);
PhyphoxBleExperiment::Graph graph4; //az
graph4.setLabel("|a_res| aus ax und ay - Offset");
graph4.setUnitX("s");
graph4.setUnitY("m/s2");
graph4.setLabelX("time");
graph4.setLabelY("axy");
graph4.setChannel(0,4);
PhyphoxBleExperiment::Graph graph5; //axy von omega_res
graph5.setLabel("|a_res| von omega_res");
graph5.setLabelX("axy");
graph5.setUnitX("1/s");
graph5.setUnitY("m/s2");
graph5.setLabelX("omega_xyz");
graph5.setLabelY("axy");
graph5.setStyle("dots");
graph5.setChannel(5, 4);
PhyphoxBleExperiment::Graph graph6;
graph6.setLabel("Res. Drehrate");
graph6.setLabelX("omega_xyz");
graph6.setUnitX("s");
graph6.setUnitY("1/s");
graph6.setLabelX("time");
graph6.setLabelY("omega_xyz");
graph6.setChannel(0, 5);
view1.addElement(graph1);
view1.addElement(Value1);
view2.addElement(graph2);
view2.addElement(graph3);
view2.addElement(graph4);
view3.addElement(graph5);
view3.addElement(graph6);
view3.addElement(graph4);
experiment.addView(view1);
experiment.addView(view2);
experiment.addView(view3);
PhyphoxBLE::addExperiment(experiment);
//Offsetkorrektur Magnetfeld
Offset=0;
for(int i=0;i<100;i++){
Offset+=analogRead(AnalogPin);
delay(10);
}
Offset=Offset/100;
IMU.begin(); //Beschleunigungssensor starten
// Offsetkorrektur Beschleunigung
for(int i=0;i<100;i++){
IMU.readAcceleration(x, y, z);
OffsetX += x;
OffsetY += y;
OffsetZ += z;
delay(10);
}
OffsetX=OffsetX/100;
OffsetY=OffsetY/100;
OffsetZ=OffsetZ/100;
Serial.begin(38400);
}
void loop() {
IMU.readAcceleration(x, y, z);
Beschleunigung = 9.81 * sqrt(sq(x - OffsetX) + sq(y - OffsetY));
IMU.readGyroscope(wx, wy, wz);
Drehrate = 1.1148*6.28318530718*(sqrt(sq(wx) + sq(wy) + sq(wz))) / 360; //Kalibrierung Plattenspieler
Messwert=0;//Magnetfeld mitteln
for(int i=0;i<7;i++){
Messwert+=analogRead(AnalogPin);
delay(10);
}
Messwert=Messwert/7;
Magnetfeld=(Messwert-Offset)*(-0.0492)*40/9; //Kalibrierung überprüfen
PhyphoxBLE::write(Magnetfeld,x ,z, Beschleunigung, Drehrate); //leider nur 5 channels
Serial.println(Magnetfeld);
delay(10);
}
Arbeitsmaterialien
Ein mögliches Schülerarbeitsblatt (aktuelle Sicherheitsrichtlinien nach RISU beachten!) Das folgende Material ist im Rahmen einer Lehrerfortbildung im Jahre 2022 in Niedersachsen entstanden. Es richtet sich an Physiklehrkräfte, also Fachleute. Jede Lehrkraft ist selbst dafür verantwortlich, die aktuell geltenden sicherheitsrichtlinien nach RISU einzuhalten und im Vorfeld selbst eine Gefährdungsbeurteilung zu schreiben. Der Autor dieses Materials übernimmt keinerlei Haftung für Schäden, die bei der Anwendung entstehen.
