von Dr. Wolfgang Strickling

Meine Wahl fiel auf den C-Control-Pro Microcontroller, denn er erfüllt  mit wenig zusätzlicher Hardware alle obige Forderungen, ist einigermaßen  preisgünstig und einfach zu programmieren. Es gibt die C-Control in zwei Versionen: die einfache Mega 32, die für kleinere Anwendungen ausreicht, und die Mega 128, die auch für größere Programme ausreichend Programmspeicherplatz bereithält. Und mit der Zeit wurde das Projekt so umfangreich, dass ich beizeiten auf die Mega128 umgestiegen bin. Bei der Entwicklung entstand als "Abfallprojekt" noch ein Nachbau des "Sky Quality Meters" (SQM).

Das Aufbau des Gerätes (s. Abbildung links) 

Der Controller wird über einen I²C-Bus mit einem batteriegepufferten Uhren- und Timerbaustein (DS3232), mit mehreren Speichermodulen (2 x 24LC1025 oder 24LC256), und bis zu 8 Thermometerchips (DS1621) verbunden.
Der Windmesser (Anemometer) und das Luxmeter (TSL230) nutzen zwei getrennte Frequenzmesseingänge des Controllers. Ein Feuchtigkeitssensor (HIH-4031) wird über den Analogeingang ausgelesen.  Alternativ kann dieser Eingang für einfache Multimeterzwecke genutzt werden.

Der Controller verfügt schon über vorkonfigurierte Eingänge für eine serielle Schnittstelle und ein Standard-LCD-Display (2Zeilen x 20 Zeichen), die von der Gerätesoftware gut unterstützt werden.
Weitere Ein- und Ausgänge des Controllers sind mit den Bedienungstasten verbunden. Hierüber können wichtige grundsätzliche Einstellungen des Gerätes auch ohne PC getätigt werden. Über die serielle Schnittstelle können mit Hilfe eines PCs alle Parameter konfiguriert werden, Messprotokolle heruntergeladen oder auch mitgeschnitten werden. An weitere freie Ausgänge können  auch elektronische Kameras mit einem Kabelauslöser angeschlossen werden.

Der Uhrenbaustein enthält auch ein batteriegepuffertes statisches RAM zur Zwischenspeicherung von Systemvariablen. Diese können auch im internen EEPROM des Controllers gesichert werden. Der Baustein kann über seinen Alarmausgang mit Hilfe des schaltbaren Low-Drop-Spannungsreglers (LF 50) das Gerät zu einem voreingestellten Zeitpunkt einschalten und nach Durchführung einer Messung wieder abschalten. So können sehr lange Messreihen ohne nennenswerten Stromverbrauch realisiert werden.

Download des Blockschaltbildes und des Schaltplanes.

Ein besonderes Bonbon sind die Pulsweitenmodulations- (PWM-) Ausgänge, über die ohne zusätzliche Beschaltung mehrere handelsübliche Servos aus dem Modellbau angeschlossen werden können. Mit Hilfe so eines Servos konnte ich mit einer Digitalkamera eine automatische Fotoserie erstellen, obwohl die Kamera keinen Anschluss für Kabelauslöser hat (s. Foto rechts).

Das fertige Gerät wird mit einem Akku oder einer Batterie, wie ich sie in meiner Digitalkamera auch nutze, betrieben. Die Wettersensoren sind über einen Stecker mit dem Gerät verbunden, so dass sie einfach gegen andere Hardwarekomponenten ausgewechselt werden können. So kann das Gerät je nach externer Zusatzhardware als Wetterstation, Himmelhelligkeitsmesser, Multimeter oder Kameratimer dienen.

Links: meine beiden Geräte bei ihrem Feldeinsatz während der Sonnenfinsternis 2009 in China

Das Gerät verfügt über verschiedene Betriebsarten: Den Uhrmodus, die Wetterstation, das Sonnenfinsternisprogramm, Nightsky-, SkyScan- und Multimetermodus, Fotoauslösung,  Servomodus und Setup-Modus.
Zur Bedienung sind fünf Tasten vorgesehen: Eine Resettaste, eine Moduswahltaste zum Umschalten zwischen den Normalbetrieb und Setup-Modus, eine Up-, Down und eine Enter-Taste. Im Normalbetrieb haben die Tasten folgende Funktionen:

Taste	Clock und Meteo	Eclipse	NightSky	SkyScan	Multimeter	Foto	Servo	Reset
Enter	Programmende	Foto	-> Frequenzmodus	Scan Sky	-> NightSky Modus	Fotosequenz starten	Servo-Foto starten	Mode Taste: Startet seriellen Bootloader
Up	Log Messwert	Log Wetter	Log Messwert			Intervallzeit erhöhen	Winkel erhöhen	-> Clock Mode
Down	Automatisches Logging ein- oder ausschalten					Intervallzeit erniedrigen	Winkel erniedrigen	"Werkseinstellung", Clock Mode

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Das Himmelshelligkeits-Messgerät

Da der Helligkeitssensor (TSL230) die Lichtintensität in eine Frequenz umsetzt, kam die Idee auf, das Gerät auch für Messungen der Nachthimmelshelligkeit zu verwenden. Solch ein Instrument wird von der Firma Unihedron als "Sky Quality Meter" (SQM) vertrieben. Es nutzt den etwas empfindlicheren TSL237 des gleichen Herstellers, der ebenfalls ein Licht-zu-Frequenz-Konverter ist.

Zum Nachbau haben wir in unserem Astroverein mehrere TSL237 bestellt und mit verschiedenen Hardwareumgebungen selbstgebaute Sky Quality Meters realisiert. Für ein einfaches SQM reicht die C-Control Mega32 auf bei weitem aus, man kann mit entsprechender Programmiererfahrung auch durchaus noch einfachere Controller für diesen Zweck einsetzen. So kann man für wenig Geld ein vollwertiges SQM selbst bauen und nach eigenen Vorstellungen gestalten. Nur zur Kalibrierung haben wir uns eines kommerzielle Originalexemplares bedient. Das Gerät gibt laufend die aktuelle Himmelshelligkeit in mag/arcsec² an, so wie das originale SQM. Mit der Anpassung einer einfachen Gerätekonstante im Speicher kann es an das Originalgerät angepasst werden.

Zum Vergleich der Messwerte mit dem SQM erscheint mir allerdings wichtig, dass man ein Filter mit einer ähnlichen Transmissionskurve wie das Hoya CM-500 in Unihedrons Gerät vor den Sensor montiert. Ich habe das IR-Blockfilter ("Hotmirror") aus einer alten Videokamera verwendet, es entspricht hervorragend dem CM-500. Um den Sensor gegen Streulicht abzuschirmen, habe ich ihn in ein schwarzes Filmdöschen mit 30° Öffnungswinkel montiert. Die Abbildung rechts stellt das CM-500 der Kurve meines Hotmirrors, eines einfachen IR-Blockfilters aus einen Diaprojektor und der Standardkurve für das skotopische Sehen (Nachtsehen) des menschlichen Auges gegenüber.

Bei der Sonnenfinsternis 2009 habe ich die Himmelshelligkeit an verschiedenen Punkten des Himmels in ihrem zeitlichen Verlauf messen. Dazu wurde der Sensor schwenkbar auf zwei Servos montiert (Bild oben links). Damit konnte ich jeden Punkt des Himmels anfahren und gezielt ausmessen. Mit den Servos an  den PWM-Ausgängen war die Ansteuerung kein Problem.

Links: das fertig aufgebaute Himmelshelligkeits-Messgerät,
Rechts: das Geräteinnere der MEGA-32-Version
mit Displaymodul (links oben), Akku (links unten), dem Controller mit Pegelwandler, Ansteuerchip für das Display und zwei Speichermodulen auf Lochrasterplatine montiert.




In der Abbildung links ist der Dämmerungsverlauf bei klarem Sadthimmel in Haltern am See aufgezeichnet. Zusätzlich eingezeichnet ist Depression der Sonne in Grad unter dem Horizont auf der rechten Skala.

Das Gerät verfügt über zwei Tasten für den Betrieb:
Eine Resettaste und eine Moduswahltaste, die zyklisch zwischen Uhr-, Nightsky, SkyScan und Frequenzmessung umschaltet. Diese Taste aktiviert beim Reset auch den seriellen Bootloader, um über die serielle Schnittelle eine neue Gerätesoftware aufzuspielen.

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Die Feineinstellung aller Parameter kann bequem über einen PC und die serielle Schnittstelle vorgenommen werden. Dazu habe ich ein kleines Programm in Basic4PPC geschrieben (s. Bild links). Damit können auch die Daten aus den EEPROMs ausgelesen werden. Da die Daten direkt im CSV-Format im EEPROM abgespeichert werden, können sie einfach in eine Tabellenkalkulation zur weiteren Verarbeitung oder grafischen Darstellung exportiert werden.

Das Gerät kann entweder über die serielle Schnittstelle oder über einen USB-Anschluss (die ist auf dem Application Board fertige aufgebaut) direkt mit der C-Control IDE Programmierumgebung  neu programmiert werden. Die Programme können in einem speziellen C- oder Basic-Dialekt geschrieben werden, für das es auch ein recht gute deutschsprachiges Supportforum von den Entwicklern gibt. Künftige Erweiterungen könnten z. B. noch eine Schnittstelle für einen Hygrometer-Baustein oder ein Barometer umfassen.

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