Suche Home Einstellungen Konto Hilfe   Benutzer: gast • Besitzer: matthias • Zuletzt geändert am: 2010/11/04 10:48:08

4.  Beschreibung selbst entwickelter Anwendungsschaltungen

4.1. C-Control-Box zur Anpassung des C-Control-Systems an die in der Schule verfügbaren Experimentiergeräte (Anwendung Starter-Board; Relaisinterface; Optokoppler zur galvanischen Trennung)

4.1.1.  Allgemeine Zielstellungen

Mit dem im folgenden als C-Control-Box bezeichneten Lehrmittel sollen folgende, aus unterrichtsdidaktischer Sicht abgeleitete Zielstellungen verwirklicht werden:

a) Herstellung der Kompatibilität zu in der Physik-Lehrmittelsammlung vorhandenen  Geräten; dies betrifft insbesondere die Größe der verfügbaren Kabel- und Buchsenverbindungen (i.d.R. 4mm) an Meßgeräten, Stromversorgungsgeräten usw.;

b) Beibehaltung der mit dem Starterboard gegebenen Funktionalität und Bereitstellung zusätzlicher elementarer, für einfache Versuche und Testschaltungen immer wiederkehrender  Funktionen (z.B. Schaltung von Geräten über Relais; Anzeige von Portzuständen mit LED; Setzen von Ports über Taster u.ä.)

Für das Starterboard haben wir uns entschieden, weil hier alle relevanten Microcontrolleranschlüsse übersichtlich herausgeführt wurden und mit externen Steckern versehen werden können; außerdem ist es von allen angebotenen Spezialboards dasjenige, das von vornherein am wenigsten auf bestimmte Anwendungen festgelegt ist; diese Offenheit erhöht seine Flexibilität für den Einsatz in möglichst vielen Unterrichtssituationen;

c) Erhöhung der Sicherheit des Systems gegen Beschädigung durch äußere elektrische Einflüsse (z.B. elektrische Funkenentladung bei Berührung oder zu starke Belastung der Ports);

d) hohe mechanische Robustheit, die den Anforderungen des Unterrichtsalltags gerecht wird; auch Schüler sollen mit dem Gerät ohne übertriebene Vorsicht arbeiten können;

e) Verbesserung der Transparenz des Systems; dazu sollten nicht nur alle Komponenten der  direkten Anschauung zugänglich bleiben, auch die Sichtbarkeit aller Anzeigen und Anschlüsse sollte verbessert werden (z.B. für Unterrichtsdemonstrationen)

f) Wahrung der Einfachheit im Aufbau, um weitere C-Control-Boxen anfertigen zu können (nach Möglichkeit durch die Schüler selbst);aus diesem Grunde auch Achtung auf Einhaltung bestimmter Kostengrenzen;

In der auf den nächsten Seiten beschriebenen ersten Version der C-Control-Box ist es uns allerdings noch nicht gelungen, alle diese Ziele zu verwirklichen. Wir werden bei der Beschreibung des Systems auf geeignete Verbesserungsvorschläge hinweisen.

4.1.2.  Beschreibung der äußeren Anschlüsse  

	9 10 11 12
8 7 6 5		13 14 1 2
	4      3

Zur Erreichung der in 4.1.1.a) beschriebenen Kompatibilität der Anschlüsse zu denen der in der Physik-Lehrmittelsammlung vorhandenen Geräte, sind die wichtigsten Pins des Microcontrollers als 4mm-Buchsen nach außen geführt.

In einer späteren Version könnten auch die hier noch fehlenden Anschlüsse der DCF77-Antenne, der Referenzspannungen sowie der Versorgungsspannungen herausgeführt werden. Die Möglichkeiten des Starterboards wurden um folgende Anschlüsse und Bedienelemente erweitert:

- Integration eines über die Digitalports steuerbaren Relaisinterfaces; dabei ist der Portstromkreis vom Relaissteuerstromkreis galvanisch getrennt (s. 4.1.4.)

die Relais sind so dimensioniert, daß sie alle an die Schülernetzgeräte anschließbaren Geräte schalten können;

- direkte Anzeige des Zustandes der als Ausgang geschalteten Digitalports mit LED´s

- direktes Setzen des Zustandes von als Eingang geschalteten Digitalports über Taster;

- manuelle Umschaltung der Digitalports in den Ein- oder Ausgabezustand;

Generell wird ein Port automatisch als Ein- bzw. Ausgang geschaltet, wenn er von einer entsprechenden schreibenden oder lesenden BASIC-Anweisung als solcher angesprochen wird. Zusätzlich dazu wird ein Port an der Box in der Regel durch einen Schiebeschalter (6) sichtbar als Ein- oder Ausgang geschaltet. Dies erhöht die Transparenz der jeweiligen Anwendungsschaltung und hilft, Fehlbedienungen zu vermeiden.

Ein Beispiel hierzu ist in 4.1.4 angegeben.

Das Holzgehäuse gewährleistet zwar wie angestrebt eine hohe mechanische Belastbarkeit, die  Transparenz konnten wir damit aber leider nicht in dem gewünschten Maße realisieren. In der uns zur Verfügung stehenden Zeit war es uns nicht möglich, Material für ein durchsichtiges Gehäuse z.B. aus Plexiglas zu beschaffen. Auch wäre für diese durchsichtige Gehäusevariante eine übersichtlichere Ausführung der inneren Kabelführung notwendig gewesen.

Da das Gehäuse nicht beschriftet ist, kann folgende Übersicht (z.B. als Arbeitsblatt) bei der praktischen Arbeit zur schnellen Orientierung verwendet werden:

Die folgenden Abbildungen zeigen verschiedene Details des inneren Aufbaus. Oben zunächst eine Komplettansicht der Box bei abgenommener Deckplatte.

Hier (oben) erkennbar ist das Starterboard mit dem aufgesteckten C-Control-Steuercomputer. Links und rechts befinden sich die Platinen mit den über Optokoppler von den Digitalports galvanisch getrennten Relais.

Mit Flachbandkabeln sind die Verbindungen von den Pfostensteckern der Platinen zu den Anschlüssen auf der Unterseite der Abdeckplatte realisiert.

Relais

(FRS1B-S)

Transistor

(BC548C)

Optokoppler

(4N28)

4.1.4.  Beschreibung einer einzelnen Digitalportschaltung

Die Abbildung zeigt die Schaltung, mit der ein Digitalport als Ein- und Ausgang umgeschaltet werden kann und galvanisch von dem von ihm geschalteten Relais getrennt ist. Sie umfaßt die in der Beschreibung des Abschnittes 4.1.2. mit den Nummern (6) bis (10) genannten Anschlüsse und Bedienelemente.

Die elektronischen Grundlagen dieser Schaltung sind Schülern, die einen Physik-Leistungskurs oder eine entsprechende AG besuchen, bekannt. Es sollte unter diesen Umständen also nicht darauf verzichtet werden, sie detailliert zu behandeln und den Schülern somit die praktische Relevanz des behandelten Unterrichtsstoffes bewußt zu machen.

Befindet sich der Umschalter (8) in der dargestellten Position, dann kann der Digitalport durch Betätigen des Tasters (7) auf low gezogen werden. Anderenfalls führt er standardmäßig high-Pegel. In dieser Position des Umschalters wird der Port also als Eingang verwendet.

Über die Steckbuchsen (6) kann der Taster aber auch umgangen werden, etwa durch Kurzschluß oder Anschluß elektrischer Bauteile oder Schaltungen mit einer maximalen Stromaufnahme von 10mA (stärkere Ströme können einem Digitalport nicht entnommen werden).

In letzterem Fall wird der Port auch bei dieser Umschalterstellung als Ausgang genutzt.

Ansonsten ist dazu der Umschalter nach oben zur LED hin umzuschalten. Dann reicht die Leistung des Ports aus, um sowohl die LED zum Leuchten zu bringen als auch die im Optokoppler (4N28) enthaltene IR-Diode zur Lichtemission anzuregen. Während die LED zur Anzeige des high-Pegels dient, führt das Licht der IR-Diode dazu, daß der ihr gegenüberliegende Fototransistor durchsteuert. Dessen Kollektor-Emitterstrecke bildet wiederum den Basisvorwiderstand des extern angeschlossenen Transistors BC548C. Sinkt also der Widerstand der Basis-Kollektorstrecke des Fototransistors, dann erhöht sich entsprechend die zwischen Basis und Emitter des BC548C abfallende Spannung. Er steuert durch und das Relais (FRS1B-S) zieht an.

Das folgende Programm demonstriert die Anwendung der Digitalports sowohl als Ein- wie auch als Ausgang.

  define zz word

  define Ausgabe byteport[1]

  define Start port[9]

  Ausgabe = OFF

  #loop1

    randomize timer

    #loop2

      wait 2

      if Start = ON then goto loop2

    wait 2

    #loop3

      wait 2

      if Start = OFF then goto loop3

    Ausgabe = OFF

    zz = (ABS(rand) mod 6)

    print zz+1

    looktab Zahlen, zz, Ausgabe

  goto loop1

  table Zahlen

    1 3 7 15 31 63

  tabend

Der Zufallszahlengenerator wird bei Programmstart mit einem vom internen Timer abhängigen Wert initialisiert. Anschließend wird in loop2 und loop3 solange gewartet, bis der Taster des Digitalports 9 (Start) gedrückt und wieder losgelassen wird. Die dann ermittelte Zufalls-zahl 1<= z <=6  wird mit print über die serielle Schnittstelle ausgegeben. Außerdem dient sie als Index, um aus der Tabelle Zahlen eine Zahl auszulesen, die an die Digitalports 1 bis 8 (Ausgang) ausgegeben wird und dort eine zz entsprechende Anzahl LED´s einschaltet. Die ersten 6 Bits des Byteports 1 müssen dazu als Ausgang geschaltet werden.

4.1.5.  Stückliste und Preise

Die nachfolgende Tabelle enthält die in der C-Control-Box verwendeten Bauteile. Angegeben ist ferner ihre Bestellnummer und der Preis, wie sie im aktuellen Katalog der Firma Conrad Electronic (Ausgabe 2000) angegeben sind. Zusätzlich zu den genannten Teilen werden natürlich noch ein geeignetes Gehäuse, Schrauben, Kleber (Klebepistole) usw. benötigt. So weit es ging, haben wir bei der von uns angefertigten Box noch vorrätige Teile verbaut. Damit genügt die farbliche Gestaltung zwar nicht immer den didaktischen Anforderungen (z.B. bei Steckbuchsen, Tasten und LED´s), dafür konnten wir aber einige der Kosten einsparen.

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