Die Familie der FORPHYS-Mess-Interfaces für den Physik-Unterricht

Neuerungen ab 2010            Alternative ARDUINO 2021

Es handelt sich um eine Familie von Messinterfaces, die bei einem Bauteilepreis von weniger als 20 Euro von Schülern unter Anleitung des Lehrers selbst zusammengebaut werden können. Sie beruhen alle auf Mikroprozessoren der Firma ATMEL. Zahlreiche Einsatzmöglichkeiten und ihr Grob-Aufbau sind im Buch "Physikalische Schülerversuche mit Mikroprozessor und PC - Wege zum forschenden Lernen" (2. Auflage, BOD, Norderstedt 2013, ISBN 978-3-8482-3256-7) von Horst Hübel beschrieben. Sie entstanden am Friedrich-Koenig-Gymnasium Würzburg aus dem Roboter-Prozessor des FKG-Robotermodells.

• Die Interfaces IFA sind dafür vorgesehen, Spannungen/Ströme, Widerstände, Magnetfelder, ..., Frequenzen, Zeiten (Auflösung 1 ms) zu messen, zu zählen und digitale Signale auszugeben, u.a. auch Rechteckssignale wählbarer Frequenz. IFA ist mit der einfachen Programmiersprache AVISE4 von Herrn Schemmert (Fa. CINETIX, Frankfurt) frei programmierbar; die wichtigsten Messbefehle liegen aber fertig vor. Angeschlossen werden können alle Sensoren, die ein Spannungs- oder Zeit- oder Frequenzsignal ausgeben. Mit Sensoren zu folgenden Messgrößen liegen Erfahrungen vor:
  • Magnetfeld
  • Position und damit Geschwindigkeit und Beschleunigung
  • Beschleunigung direkt mit einem Beschleunigungssensor ADXL202 oder ADXL210
  • Temperatur
  • Druck
  • Ultraschall
  • Bestrahlungsstärke (Licht)
    
• Interface IFB ist ein Lichtschranken-Interface für bis zu zwei Lichtschranken.
  
• IFC ist ein Interface zur Bedienung von bis zu zwei Sonarmetern verschiedener Hersteller. IFB und IFC sind mit BASCOM fest programmiert.
  

IFA mit ATMEGA32 fertig aufgebaut von POLLIN	IFA mit ATMEGA32 mit Bausatz von EMBEDIT (noch ohne Ein-/Ausgabe-Leitungen)	IFA ganz "zu Fuß" auf Lochstreifenkarte mit ATMEGA8/168 aufgebaut: Sie erkennen den Prozessor in der Mitte und verschiedene Anschlüsse.	IFB (Lichtschranken-Interface) bzw. IFC (Sonarmeter-Interface) mit AT90S2313  oder ATTINY2313 auf Lochstreifenkarte auf- und in ein Gehäuse eingebaut

Zu IFA gibt es eine Variante mit dem ATMEGA32, für die ein fertiger Bausatz von EMBEDIT  (ca. 20 Euro) angeboten wird, zu dem im Wesentlichen nur noch die Ein-/Ausgabe-Leitungen angebracht werden müssen. Vorteil dieses Prozessors ist auch, dass er zwei Differenzspannungseingänge mit Verstärker enthält. Auch ELEKTOR bietet im Heft Mai 2006 Platinen und Bausätze für ein Mini-Mega-Modul an, die mit AVISE-FORTH verwendet werden können.

POLLIN bietet ein Evaluations Board AVR an, das mit einem ATMEGA32 oder einem ATMEGA8/168 bestückt werden kann. Es wird entweder fertig aufgebaut oder als Bausatz geliefert. Man benötigt noch den Prozessor und einen USB-Serial Adapter, z.B. von Reichelt, und muss noch AVISE als Programmiersprache laden (Version 4.3). Das kann man für insgesamt ca. 30 Euro realisieren. Empfohlen wird noch ein Pegelwandler, so dass auch Wechselspannungen messbar werden, der dann auch noch einen einfachen Diodenschutz der Eingangskanäle enthält. Der ATMEGA32 hat aber zwei Differenzspannungseingänge mit Vorverstärker (1 : 10 : 200), mit denen man sogar kleine Wechselspannungen messen kann. Eine Beschreibung finden Sie hier, eine Stückliste hier. In der Beschreibung sehen Sie auch, wie einfach der Prozessor in AVISE programmiert wird.

Es gibt aber auch eine Variante zu IFA zum ATMEGA8/ATMEGA168, für die bei Interesse vom Autor eine geätzte Leiterplatine angeboten werden kann.

Vom Autor kann auch eine CD-ROM ("Messinterfaces und Software für den Physik-Unterricht mit ATMEL-Mikroprozessoren und PC") angefordert werden, in der die Schaltungen, der Aufbau und die zugehörige Mikroprozessor- und PC-Software enthalten sind. Die Mikroprozessor-Software (im Wesentlichen AVISE4) stammt weitgehend von Herrn Schemmert (Fa. CINETIX), die PC-Software vom Autor.

Schüler des Friedrich-Koenig-Gymnasiums Würzburg nach der Vorführung physikalischer Schülerversuche mit ihrem Roboter-Prozessor, einer Variante des FORPHYS-Mess-Interfaces, auf der Nürnberger Bildungsmesse 2003 am Stand von FORUM MULTIMEDIA	Schüler des Friedrich-Koenig-Gymnasiums Würzburg bei der Vorführung physikalischer Schülerversuche mit ihrem Roboter-Prozessor, einer Variante des FORPHYS-Mess-Interfaces, auf der Nürnberger Bildungsmesse 2003. Hier nehmen die Schüler eine Schwingung mit einem IR-Positionssensor auf.
Schülerversuch: Aufnahme von Strom und Spannung bei der Selbstinduktion. Das Auflageblatt sorgt für sicheren Aufbau der Schaltung durch die Schüler.	Schülerversuch: Registrierung einer harmonischen Schwingung mit dem Infrarot-Bewegungssensor. Das Interface links ist hier noch ohne Gehäuse.

Herr Dr. Schülbe vom Martin-Luther-Gymnasium Eisleben verfolgt mit einem vergleichbaren Projekt ähnliche Ziele. Er kooperiert mit einer Firma, die Bausätze und Lehrermaterialien mit Versuchsanleitungen vertreibt ( www.myavr.de ).

Neuerungen ab 2010

1. Heutige PCs und Notebooks haben in der Regel keinen COM-Port, sondern mehrere USB-Ports. Das ist aber kein Problem. Zwei Möglichkeiten haben Sie mindestens:

a) Z.B. von Reichelt electronic gibt es einen USB-Seriell-Converter (Bst.Nr.: USB2 seriell; Preis 4,80 Euro). Er endet auf der Interface-Seite mit Steckern (SUB-D-9). Man muss also einen Gender-Changer (Buchse-Buchse) zwischen Converterkabel und Interface schalten (ebenfalls z.B. bei Reichelt electronic mit Bst.Nr.  COM 991  zum Preis von 0,80 Euro erhältlich).

Mit dem Converter von Reichelt wird kein Treiber mitgeliefert. Dennoch arbeitete die Anordnung einwandfrei. Im schlimmsten Fall könnte das daran gelegen haben, dass früher ein anderer Converter (HAMEG) auf meinem PC eingesetzt wurde, zu dem ein Treiber installiert wurde. Möglicherweise wird aber mit Windows ein Treiber mitgeliefert.

b) Statt des SUB-D-9-Steckers am Interface wird gleich eine SUB-D-9-Buchse statt eines SUB-D-9-Steckers eingebaut. Dann kann der USB-Seriell-Converter ohne Gender-Changer verwendet werden. Das ist beim Evaluations Board AVR von POLLIN von vornherein der Fall.

In beiden Fällen wird so das 1:1-Kabel zwischen PC und Interface überflüssig, wenn die Kabellänge von ca. 1 m am USB-Seriell-Converter ausreicht.

2. Heutige PCs haben in der Regel auch keinen Parallelport mehr, an den ein billiger AVR-Programmierer (z.B. AVR-ISP-STK200) für die ATMEL-Prozessoren angeschlossen werden kann. AVISE kann auf diese Weise nicht mehr (z.B. mit BASCOM-AVR Demo ) in den Prozessor geschrieben werden. In diesem Fall muss man sich einen USB-Programmier für AVR besorgen. Es gibt verschiedene Varianten von ca. 20 Euro bis 50 Euro. Insbesondere die Hersteller-Firma von BASCOM (MCS Electronics) bietet einen speziell für BASCOM zugeschnittenen an.

3. Für die Interfaces werden die Prozessoren ATMEGA8 (32-beinig) oder Varianten bis ATMEGA168 (mit größerem RAM-Speicher) verwendet oder statt des AT90LS8535 der ATMEGA8535 oder - am besten - ATMEGA32  (40-beinig), also Varianten mit größerem RAM-Speicher. Dafür hat Herr Schemmert (Fa. CINETIX, Frankfurt) verschiedene AVISE-Varianten zur Verfügung gestellt (AVISE 4.3). Der Nutzer braucht sich eigentlich nicht um die Programmierung kümmern. Messworte und PC-Programme stehen kostenlos zur Verfügung. Aber eine freie Programmierung ist möglich.

Siehe: So schön geht AVISE

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4. Der ATMEGA32 kann auch Differenzspannungen auf maximal 2 Kanälen messen, die sogar mit den Verstärkungsfaktoren 1, 10 oder 200 verstärkt werden können. Das ist extrem praktisch zur Messung kleiner Induktionsspannungen oder zur Messung von Magnetfeldern mit linearen Hall-Sensoren. Programmierung mit AVISE4.3 und Einsatz finden Sie hier.

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(zuletzt aktualisiert 2013)