Profilprojekt Astronomische Beobachtungen - Thema Controller-Steuerungen im Schuljahr 2009/10 im Fachbereich Informatik

Letztmalig dran rumgefummelt: 10.03.10 06:22:09

	M 31 - Andromeda (NGC 224) Objekt-Typ: Spiral-Galaxie Entfernung von der Erde: ÷ 2.500.000 Lichtjahre / 77.000 parsecs Durchmesser der Galaxie: ÷ 160.000 Lichtjahre Die Große Galaxie im Sternzeichen Andromeda ist die größte Galaxie in dem Galaxienhaufen, der auch unsere Milchstraße enthält. Unsere Schwestergalaxie M 31 enthält mehr als 300 Milliarden Sonnen. Sie wird von dreimal so vielen Kugelsternhaufen umkreist wie die Milchstraße. Aus unserer Perspektive ist sie um 13 Grad geneigt. M 31 ist auch das am weitesten entfernte Objekt, das mit freiem Auge sichtbar ist. Man kann den Andromeda-Nebel ohne Fernglas, weitab von der trüben und lichtvollen Umgebung der Städte sehen, wenn der Mond unter dem Horizont steht. Zwei Satellitengalaxien NGC 205 und M 32 können im selben Bereich gesehen werden. Das Sonnensystem: Sonne Merkur Venus Erde Mond Mars Jupiter Saturn Uranus Neptun Pluto Ida Eros Gaspra Unsere Nachbarn im Raum: Grosse Magellansche Wolke Kleine Magellansche Wolke M 1 M 5 M 8 M 13 M 15 M 16 M 17 M 20 M 27 M 42 M 45 M 51 M 55 M 57 M 66 M 83 M 104 M 106 NGC 2024 NGC 2264 NGC 2392 NGC 4565 NGC 4603 NGC 4631 NGC 4755 NGC 5128 NGC 6946 NGC 6960 NGC 7217
	1. Die Bezüge zum Thema: Astronomische Beobachtungen ... 2. Einfache Steuerungen & Regelungen 3. Theorie & Praxis der Mikrocontrollertechnik 4. Die Projektaufgabe 5. Lösungsvorschläge und Ideensammlung - Ausblick 6. Verwandte Themen
	fächerverbindender Unterricht Logo für den Profilunterricht Klasse 10 Astronomische Beobachtungen - Thema Steuerungen mit Mikrocontrollern inhaltlich auf korrektem Stand - evtl. partiell unvollständig ;-) Wissen für Fortgeschrittene

1. Die Bezüge zum Thema: Astronomische Beobachtunegn ...

Wer präzise astronomische Berechnungen anstellen will, muss in extremen Höhen unter dann auch extremen Umgebungsbedingungen exakte Steuerungen beherrschen oder aber unseren Erdball verlassen (Hubble-Teleskop) und dann noch von großer Entfernung aus präzise Abläufe steuern bzw. regeln.

Beispiele für Steuerungen im Bereich der automatischen Satelliten Pathfinder-Mission Gallileo-Mission Mars-Mission-Pathfinder Gallileo-Mission zum Jupiter 1. Aufgabenfeld Grundbegriffe der Informatik Informiere Dich über Ziele, Inhalt, Zeitraum und vor allem technische Realisierungen (was wurde wie gemacht?) dieser Missionen! Trage Beispiele von mindestens  zwei weiteren  unbemannten "Projekten" unter diesem Gesichtspunkt zusammen (evtl. Hubble-Teleskop, Voyager-Sonden)! Ganz schnell wird klar: hier werden Signale benötigt - hier auf Erden unterscheiden wir davon analoge von digitalen (deren Tendenz ist aus bestimmten Gründen gerade wieder stark zunehmend!) - aber was sind eigentlich digitale Signale und wodurch unterscheiden sie sich von analogen? Allen unbemannten Missionen ist gemein, dass sie automatisch ablaufen - recherchiere den Begriff "Automat" beginne mit der Frage: seit wann gibt es Automaten? Bei der Beschäftigung mit diesen Fragen wird man relativ schnell auf den Begriff "Steuerung" stoßen und dabei feststellen, dass wir diesen Begriff auch umgangssprachlich sehr oft verwenden. Aber was ist eigentlich eine Steuerung? Etwas später erfährt man besonders im Zusammenhang mit bemannten Missionen auch etwas über "Reglungen" - aber auch hier gilt: Was ist das eigentlich? Fertige ein entsprechendes "Web-Projekt" zum Thema an und verlinke es "angemessen"! Wie bremst eigentlich das "Shuttle"? Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zur besseren Vorstellung: das entspricht 72.000 km/h ... der Körper prallt an der Erdatmosphäre ab ... der Körper verglüht in der Erdatmosphäre ... ein kurzer Blick auf die Zusammenhänge - in diesem Falle die "Kosmischen Geschwindigkeiten" ... wobei es übrigens egal ist, ob man sie "kosmische" oder "astronomische" Geschwindigkeiten nennt - beide sind gleich und in jedem Falle hinreichend groß ... ;-)

2. Einfache Steuerungen & Regelungen

	Was immer mit Hilfe elektronischer Systeme gesteuert und/oder geregelt werden soll, es benötigt elektrische Größen als Input (Eingabewerte). Es ist nicht zu übersehen, dass, was immer ich auch messen will, heutzutage in ein elektrisches Äquivalent zu wandeln ist. Das erledigen zwischenzeitlich Wandler für eigentlich alle uns derzeit bekannten physikalischen Größen, wie zum Beispiel: Licht - einschließlich Infrarot sowie UV-Strahlung, Wärme, Magnetfelder, Längen, Radioaktive Strahlung aber eben auch Druck sowie Lageveränderungen. Was wir nicht direkt erfassen, können, messen wir indirekt, das kennen wir z. B. von GPS-Systemen oder auch Entfernungsmessern (die Engländer entwickelten dazu während des Zweiten Weltkrieges ein System mit der Bezeichnung RADAR). Putzigerweise fällt es uns nicht so schwer, nichtelektrische, wie die oben genannten Größen oder auch Magnetfelder oder Radioaktive Strahlung, zu messen. Viel mehr Aufwand müssen wir betreiben, um zum Beispiel Ströme Widerstände oder gar Kapazitäten meßtechnisch zu erfassen.
	AD-Wandlung Information, Nachricht und Signal Analoge Signale Digitale Signale D/A bzw. A/D-Wandlung
	Messen, Steuern, Regeln Automatisierungstechnik Prozessrechentechnik
	Elektrisches Messen elektrisches Steuern elktrisches Regeln
	2. Aufgabenfeld Messen, Steuern, Regeln Erstelle eine kleine Übersicht mit Definitionen, Verfahren und einfachen Beispielen für Steuerungen und Regelungen aus Deiner Umgebung! Finde jeweils mindestens einen Anwendungsfall für analoge bzw. digitale Steuerungen/Regelungen Beschreibe eine mechanische Regelanlage in ihrer Funktionsweise - zum Beispiel das Stauklappenwehr in Flöha/Plaue
	MOPS schafft ein Gefühl zur Programmierung generell der ist schon sehr leistungsfähig, aber gleichzeitig heftig in der Anwendung die interne MOPS-Seite Der LC-80 Emuulator
	3. Aufgabenfeld Programmieren mit MOPS Addiere zwei eingelesene Zahlen a und b - schreibe das Ergebnis auf c! Von anfangs zwei, danach drei eingegebenen Zahlen soll die größte auf d geschrieben werden! zwei eingegeben Zahlen sind zu vertauschen! erst zwei, dann drei eingegebene Zahlen sind zu sortieren!
	4. Aufgabenfeld Programmieren mit LC-80 Emulator Addiere zwei HEX-Zahlen, welche auf den Speicherplätzen 2100H sowie 2101H hinterlegt worden sind. Speichere das Ergebnis auf Platz 2102H! Gesucht wird das Produkt zweier HEX-Zahlen, welche auf den Speicherplätzen 2100H sowie 2101H hinterlegt worden sind. Speichere das Ergebnis auf Platz 2102H!

3. Theorie & Praxis der Mikrocontroller-Technik

	Mikrocontroller sind die moderne Bauform von "Embedded Technologies" - also eingebettete Technologien in den Gesamtzusammenhang. Gemeint ist, dass ein ziemlich klar abgrenzbares technisches Aufgabenfeld innerhalb eines Gesamtsystems (z. B. einer Maschine oder eines Autos) durch einen eigenständigen Steuerschaltkreis übernommen wird (Airbag-Steuerung, ESP, Anti-Schlupfregelung oder ABS). Das schließt nicht aus, dass die einzelnen Controller sich dann auch noch untereinander "verständigen".
	Wer mehr wissen will (muss man natürlich nicht!!!) ... Technische Informatik - das ist aber nicht jedermanns Hobby ... Lektion XVIII - Technische Informatik PIC-Schaltungen ... der Schnelleinstieg in die Welt der ATMEL-Controller ;-)
	Teure Möglichkeiten zum Experimentieren mit PIC-Controllern ... PIC Mikrocontroller Programmer & Experimentier-Boards K8048 E-Blocks Easy-PIC 5 Hardware der PIC Mikrocontroller Programmer & Experimentier-Board K8048 Hardware das E-Blocks-Kid Software Flowcode Hardware EasyPIC5-Developer Tool Software Mikro-ICD
	... die Software-Entwicklung erfolgt bei uns mit JAL ... die beiden Hauptdarsteller Schltungsumsetzung realisieren wir auf Experimentierplatinen Just Another Lanuage PIC16F628 PIC16F877
	PIC-Programmierung Das Problem besteht darin, erst einmal zu ergründen, was ich überhaupt will. Daraus leitet sich dann die Wahl des Controllers ab (logischerweise können die Controller mit wenig Anschlüssen nicht so viele Steuerungen gleichzeitig übernehmen, wie ihre großen Brüder - sie sind aber dafür preiswerter!) Controller-Programmierung Prinzipiell wird hier natürlich genau so vorgegangen, als handele es sich um ein reines Software-Projekt (was es ja auch eigentlich ist!). Praktisch müssen aber eben doch noch ein paar Eckdaten berücksichtigt werden, sonst wird es unter Umständen teuer oder unmöglich zu realisieren. Dies ist ein Beispiel für ein Programm in JAL, es lässt eine an Mikrocontroller-Pin 23 (c4) angeschlossene LED blinken: -- JAL 2.0.4 include 16f877 bert -- define variables var bit flag -- define direction of the signal of this pin pin c4 direction = output forever loop -- change pin 23 status flag = ! flag pin c4 = flag -- wait 100 milliseconds delay_100ms(1) end loop wenn ich das noch nicht habe oder nicht weiß, wie ich sonst dazu kommen soll ... ;-)
	PIC-Programmer K8076 der belgischen Firma Vellemann PIC-Programmer K8076 - Handbuch Interne Seite  für den PIC-Programmer K8076 Direktstart für den PIC-Programmer K8076 Direktstart für den PIC-Compiler zum K8076 PIC-Programmer K8076 - die komplette Software zum Download Vorgehensweise beim Programmieren: Obwohl es logisch erscheint, möchten wir hier darauf hinweisen, dass unsere Experimentierschaltungen keinesfalls mit 220 Volt Netzspannung betrieben werden dürfen eine 4,5 Volt Flachbatterie ist dagegen theoretisch für mehrere Jahre ununterbrochenen Betrieb ausreichend Das Programmieren erfolgt grundsätzlich unter Aufsicht den PIC lagerichtig in die Programmierfassung (falsche Richtung führt zur sofortigen Zerstörung!) Controller nicht anfassen - immer in Schaumstoff stecken fertig kompiliertes Programm auf Laufwerk O:\anmeldename bereithalten Programmieren können wir in jedem Unterrichtsraum an einer Stelle - das wird wohl der Lehrerplatz oder ein noch näher zu bestimmender Ort sein ;-)
	Bauelemente und Bauteile Anzahl Typ Einzelpreis gesamt muss kann 1 × PIC16F628 A 1,95 € 1,95 € 1 × PIC12F675 1,25 € 1,25 € 1 × Widerstand 2,2 kΩ 0,05 € 0,50 € 5 × Widerstand 10 kΩ 0,05 € 0,50 € 5 × Widerstand 33 kΩ 0,05 € 0,50 € 2 × Widerstand 47 kΩ 0,05 € 0,10 € 8 × Widerstand 270 Ω 0,05 € 0,40 € 1 × regelbarer Widerstand linear 1 kΩ 0,05 € 0,40 € 1 × regelbarer Widerstand linear 10 kΩ 0,05 € 0,40 € 2 × Kondensator 20 pF 0,10 € 0,20 € 1 × Quartz 20 MHz 0,80 € 0,80 € 2 × Transistor BC547 B 0,40 € 0,80 € 2 × LED rot 0,17 € 0,34 € 2 × LED gelb 0,16 € 0,32 € 2 × LED grün 0,16 € 0,32 € 1 × Fotowiderstand     1 × Infrarot-Sensor GP2Y0D340K     1 × Fotolichtschranke QRB1134       Mikroelektronik-Experimentier-Platine
	Was wir alles so als Hilfsmittel & Werkzeug brauchen können in einer Arbeitsgruppe - die Lehrer werden es jeweils einmal am Platz haben, benötigen dies aber selbst: 1 × Flachbatterie 4,5 Volt (möglichst neu!) 1 × Set Mikroschraubendreher 1 × Feinmechaniker-Zange 1 × Pinzette Stecknadeln

4. Projektaufgabe

	Zu programmieren ist ein Mikrocontroller vom Typ PIC16F628 oder PIC16F877 im Parallelbetrieb für den Port eins, welcher zur Ausgabe der reinen "Schaltdaten" genutzt werden soll. Zur Meßwerterfassung nutzen wir die Analogeingänge.
	... ein Muster zum Abgucken ;-) Entity-Relationship-Modelling SQL

5. Lösungs- und Ideensammlung - Ausblick

6. Verwandte Themen

	Wo fängt man hier an, geschweige denn davon zu reden, wo man aufhört. Läuft doch in diesem Punkt die gesamt Informatik und die Problemklasse Computer zusammen. Aber merke: Informatik ist nicht gleich Computer - dies als goldenen Worte aller derjenigen, die da meine, weil sie gerne etwas mit Computern machen, seien sie die geborenen Informatiker.
	Bereich Pädagogik Schulrechtliche Bestimmungen in Sachsen - Belehrungen und Hinweis auf gültige Verordnungen Bildungsstndort Deutschland Informatikunterricht Leitlinien und Prinzipien des Informatikunterrichts Paradigmen des Informatikunterrichts Pädagogik, Fachdidaktik sowie Methodik der Informatik Medienkompetenz oder informatische Bildung Bewertung und Zensierung der Pitko Informatik-Projekte am Gymnasium Flöha Informatikprüfung Informatik-Wettbewerbe
	Bereich Informatik Logische Struktur einer CPU Informatik Pardigmen des Informatikunterrichts

zur Hauptseite

© Samuel-von-Pufendorf-Gymnasium Flöha

© Frank Rost am 16. Januar 2010 um 18.01 Uhr