Die C-Control als Wetterstation und Helligkeitsmesser

von Dr. Wolfgang Strickling
English translation by Google

Nachdem meine bisherige "SoFi-Wetterstation" 2008 in der Arktis sich als wenig robust erwiesen hat, habe ich beschlossen, die Messungen während der Sonnenfinsternis 2009 mit einer neuen Hardware zu erledigen. Das Gerät sollte folgende Anforderungen erfüllen:
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).

BlockschaltbildDas 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 Mess- und Multimeterzwecke genutzt werden.

Der Controller verfügt schon über vorkonfigurierte Eingänge für eine serielle Schnittstelle und ein Standard-LCD-Display (2 Zeilen 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 verfügbare weitere freie Ausgänge können z. B. auch elektronische Kameras mit einem Kabelauslöser angeschlossen werden. Der Controller verfügt auch über einfach anzusprechende Frequenzausgänge mit Pulsbreiteninformation, über die sich handelsübliche Servos aus dem Flugmodellbau direkt anschließen und steuern lassen. So lässt sich der Controller auch sehr einfach zur Erledigung mechanischer Aufgaben nutzen.

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.

Die C-Control Geräte bei ihrem Einsatz zur
        SoFi in ChinaEin besonderes Bonbon sind die Pulsbreitenmodulations- (PWM-) Ausgänge, über die ohne zusätzliche Beschaltung mehrere handelsübliche Servos aus dem Modellbau angeschlossen werden können. Auf diese Weise konnte ich mit einer Digitalkamera eine automatische Fotoserie erstellen, obwohl die Kamera keinen Anschluss für Kabelauslöser hat (Aufbau 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. Der größere Mega128-Prozessor verfügt über ausreichend Reserven, dass sich zur Beobachtung von Sonnenfinsternissen selbst komplexe Aufgaben (komplette Wetterstation, Steuerung mehrere Kameras, Datenaufzeichnung) komfortabel erledigen lassen.

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

Mein Gerätesoftware erlaubt momentan 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




Das Himmelshelligkeits-Messgerät

der
        SQM-SensorDa 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 lässt sich für wenig Geld ein vollwertiges SQM selbst bauen und nach eigenen Vorstellungen gestalten. Nur zur Kalibrierung haben wir uns eines kommerzielle Originalexemplars 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.
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.

Das
        SQM mit C-Control MEGA 32Links: 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.


Dämmerungsverlauf mit dem SQM aufgezeichnet

In der Abbildung links ist der Dämmerungsverlauf bei klarem Stadthimmel in Haltern am See (51.745° N, 7.178 °E) aufgezeichnet. Zusätzlich eingezeichnet ist Depression der Sonne in Grad unter den Horizont auf der rechten Skala.

In den Grafiken unten ist der Verlauf der Himmelshelligkeit über eine Nacht und die Morgendämmerung an meinem Wohnort in Haltern am See aufgezeichnet. Im Süden erhellt eine etwa 8 km entfernte große chemische Fabrik den Himmel stark auf. Man erkennt, dass in mittleren Höhen und im Zenit die Himmelhelligkeit bis zur Morgendämmerung kontinuierlich abfällt. Die minimale Zenithelligkeit wurde zwischen 3 und 4 Uhr MESZ mit 20.14 mag/arcsec2 erreicht. Der Beginn der astronomischen Dämmerung war am 06.09.2010 schließlich um 4:48 MESZ. Die Ursache der plötzlichen Helligkeitszunahme am Osthorizont gegen 4:45 dürfte der Aufgang der schmalen Mondsichel sein.


automatische Sky Scan während
        einer NachtSkyScan der Morgendämmerung

Die Controller-SoftwareDie Feineinstellung aller Parameter kann bequem über einen PC und die serielle Schnittstelle vorgenommen werden. Dazu habe ich ein kleines Konfigurationsprogramm in Basic4PPC geschrieben (s. Screenshot 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, wie er auf dem Application Board von Conrad® fertig aufgebaut ist, direkt mit der C-Control IDE Programmierumgebung von Conrad® programmiert werden. Die Programme werden in einem speziellen C- oder Basic-Dialekt geschrieben, für das es auch ein recht gute deutschsprachiges Supportforum von den Entwicklern gibt. Künftige Erweiterungen meiner Software könnten z. B. noch eine Schnittstelle für ein Barometer umfassen.

Meine C-Control-Station und der Konfigurator enthalten wie beschrieben auch einen Modus für die Beobachtung von Sonnenfinsternissen. Er dient zur Registrierung des Wetters und Ansteuerung von Kameras, entweder direkt per Kabelauslöser oder über ein Servo.
Die Kommandosequenzen können komfortabel im Konfigurator eingegeben und bearbeitet werden und werden über die serielle Schnittstelle im EEPROM der C-Control dauerhaft gespeichert.

Eine Beispieldatei für die SoFi 2012 in Australien mit Zeiten in UTC,
die Geräte (Devices) sind: 0: interne Wetterstation; 1: Servo A; 2: Servo B; 3: Camera 1, 4 Camera 2; 5: Camera 3:

D0; C1;0s; i 30s; n 01; Dur 0.00s     'set Meteo Interval to 30s @ C1
D0; C2;-600s; i 20s; n 01; Dur 0.00s  'set Meteo Interval to 20s @ C2-5'
D0; C2;-120s; i 10s; n 01; Dur 0.00s  'set Meteo Interval to 10s @ C2-2'
D0; C3;120s; i 20s; n 01; Dur 0.00s   'reset Meteo Interval to 20s @ C3+2'
D0; C3;600s; i 30s; n 01; Dur 0.00s   'reset Meteo Interval to 30s @ C3+5'
D1; C2;-180s; i 20s; n 30; Dur 0.30s  'start 30 Servo1 exposures @C2-3', Interval 20s
D5; C2;-3300s; i 300s; n 11; Dur 0.30s'start 11 Camera3 Exposures @C2-55', Interval 5min (partial sequence)
D5; C2;-20s; i 2s; n 15; Dur 0.30s    'start 15 Camera3 Exposures @C2-20s Interval 2s   (diamond sequence)
D5; C3;-10s; i 2s; n 15; Dur 0.30s    'start 15 Camera3 Exposures @C3-10s, Interval 2s  (diamond sequence)
D5; C3;300s; i 300s; n 11; Dur 0.30s  'start 11 Camera3 Exposures @C3+5', Interval 5min  (partial sequence)
D3; C2;-300s; i 60s; n5; Dur 0.30s          
'start  4 Camera1 Exposures @C2-5', Interval 60s   (fisheye sequence)
D3; C2;-40s; i 10s; n7; Dur 0.30s     'start   7 Camera1 Exposures @C2-40s, Interval 10s   (fisheye sequence)
D3; C5;-20s; i 20s; n3; Dur 0.30s     'start   3 Camera1 Exposures @Mid-20s,  Interval 20s   (fisheye sequence)
D3; C3;-20s; i 10s; n7; Dur 0.30s          'start   7 Camera1 Exposures @C3-20s, Interval 10s   (fisheye sequence)
D3; C3;60s; i 60s; n5; Dur 0.30s           'start   5 Camera1 Exposures @C3+60s', Interval 60s   (fisheye sequence)

Downloads:

© Dr. Wolfgang Strickling, Drususstr. 15, 45721 Haltern am See. Tel: 0 23 64 / 16 76 91

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Programmierhandbuch zur C-Control Pro
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Das letzte Update war am  2014-03-03
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