B. Kainka

Messen, Steuern und Regeln mit dem PC
in Haus und Garten

Hardware, Software und Know.How für die Praxis

Bezugsquellen und Zusatzinformationen


Vorwort

Wer sich aktiv mit Technik auseinandersetzen will, findet unzählige Aufgaben in Haus und Garten, für die es sich lohnt, Arbeit und Zeit zu investieren. Ob es um Alarmanlagen geht, oder die Gartenbeleuchtung, den Bau eines Brunnens oder die Verbesserung der Heizungsanlage, immer gibt es technische Lösungen, die noch besser sind. Eigentlich kann man nie aufhören, nach besseren Lösungen zu suchen. Die Unterstützung durch die Industrie ist groß. Man braucht nur durch einen beliebigen Baumarkt zu gehen, und schon gibt es wieder neue Ideen.

Für viele PC-Anwender hat das alles gar nichts mit ihrem Computer zu tun. Es wird sauber getrennt: Der PC ist für Textverarbeitung, Internet und Spiele da. Im übrigen Bereich regieren dagegen Schraubendreher, Lötkolben und Bohrmaschine. Aber es lohnt sich, einmal genauer hinzusehen. Auch der PC kann viele Aufgaben in Haus und Garten übernehmen. In gewisser Weise ist er sogar wesentlich universeller einsetzbar als alle anderen Werkzeuge. Denn je nach Programm kann er eine andere Aufgabe übernehmen. Diese Buch will Anregungen dazu geben. Es will neue und kreative Lösungen mit dem PC zeigen und zahlreiche praktisch verwendbare Anwendungen vorstellen. Der Einstieg gelingt mit geringen Kosten und ohne spezielle Vorkenntnisse.

Wer sich tiefer in die Materie einarbeiten will oder schon konkrete Erfahrungen hat, der findet in diesem Buch auch weitergehende Informationen und Hilfen. Nicht nur die Programmierung in unterschiedlichen Programmiersprachen, sondern auch der Bau eigener Geräte wird vorgestellt.

Ich wünsche allen Lesern viel Erfolg,

Burkhard Kainka


Inhalt

1 Einleitung 11

2 Der Umwelt-Spion 14
2.1 Kurzdaten des Umwelt-Spions 15
2.2 Online-Anwendungen am PC 18
2.3 Offline Datenaufzeichnung 24
2.4 Programmierung mit Spion-Basic 34
2.5 Anwendungen 38

3 Elektronik-Grundlagen 47
3.1 Messtechnik 47
3.2 Ladung und Strom 48
3.3 Leistung und Spannung 50
3.4 Der elektrische Widerstand 52
3.5 Drahtwiderstand 55
3.6 Reihenschaltung 59
3.7 Parallelschaltung 61
3.8 Vorwiderstände 62
3.9 Innenwiderstand 63

4 Messungen mit Digital-Multimetern 66
4.1 DMM-Easy 67
4.2 Messwerterfassung in Excel 67
4.3 Netzteilbetrieb 70

5 AD-Wandler an der seriellen Schnittstelle 72
5.1 Serai-8/1 73
5.2 Serai-6/10 74

6 Das Relais-Interface 77
6.1 Technische Daten 77
6.2 Die Software 78
6.3 Interface-Adressierung 81
6.4 Ein Beispielprogramm 83

7 Direkte Nutzung der seriellen Schnittstelle 86
7.1 Das Versuchsmaterial 87
7.2 Basisinformationen zur COM-Schnittstelle 88
7.3 PC-Schalter 90
7.4 LED Blinklicht 95
7.5 Leistungsschalter 96
7.6 Zeitgeber 99
7.7 PC-Eingänge 99
7.8 Ein Berührungssensor 101
7.9 Lichtschranke 101
7.10 Ereigniszähler 102
7.11 Widerstandsmessung 103
7.12 Messwertplotter 105
7.13 Spannungsmessung 106

8 CompuLAB und SIOS 108
8.1 Die Anwendersoftware Do-it 112
8.2 Digitale Ausgänge steuern 114
8.3 Eingänge abfragen 117
8.4 Spannungen messen 117

9 Überwachung analoger Messgrößen mit Do-it 122
9.1 Messungen an Batterien und Akkus 123
9.2 Temperaturverläufe 124
9.3 Lichtmessungen 127
9.4 Der Koordinatenschreiber 130
9.5 Kontakte und Schalter überwachen 132
9.5 Registrierung von Bewegungsabläufen 133
9.8 Eine Alarmzentrale 134

10 Programmierung mit Do-it 136
10.1 Ausgänge schalten 137
10.2 Zahlensysteme 139
10.3 Eingänge abfragen 141
10.4 Wiederholschleifen 143
10.5 Bedingte Ausführung 144
10.6 Einfache Automatisierungsprogramme 146
10.7 Schrittmotoren steuern 147
10.8 Telefonkarten auslesen 153
10.9 Akku-Ladestation 158
10.10 Do-it für SIOS 160
10.11 Compact2000 164
10.12 Die Programmierumgebung in Compact2000 166

11 Ortsunabhängige Datenerfassung 169
11.1 Das Grundgerät ZELLE 169
11.2 Die Sensoren und ihre Anwendung 174
11.3 Lärmmessungen 178

12 ModulLAB 184
12.1 Direkte Messungen 185
12.2 Programmierung 186

13 Versuche mit zusätzlichen Sensoren 188
13.1. Widerstands-Sensoren 188
13.2 Sensoren mit Spannungsausgang 190
13.3 Aktive Sensoren 191
13.4 Sensortabellen 193
13.5 Sensorauswertung für den Spion 198

14 Profilab Expert 202
14.1 Leistungsmessung 202
14.2 Ansteuerung des SIOS-Interface 202

15 Programmieren mit Visual Basic 205
15.1 Ansteuerung des CompuLAB 205
15.2 Großanzeige der Spannung 209
15.3 Eine Zeitschaltuhr 211
15.4 Ansteuerung des Spions mit VB 212

16 Der C-Control-Steuercomputer 221
16.1 Hardware 221
16.2 Programmierung mit CC-Basic 225
16.3 Ein Codeschloss 227
16.4 Infrarot-Fernbedienung 229
16.5 Telemetrie und Fernwirken 234
16.6 Das C-Control Experimentier-Board 241

17 Selbstbau von Interfaces 244
17.1 Aufbau eines 8-Bit- AD-Wandlers 242
17.2 CompuLAB-Eigenbau 247
17.3 Ein Minimalinterface mit dem CompuLAB-Prozessor 252
17.4 Leistungstreiber 255
17.5 Eigenbau des Umwelt-Spions 257
17.7 Hardware-Erweiterungen zum Umwelt-Spion 262

Anhang 263
Literatur 263
Bezugsquellen 263
Sachverzeichnis 265


1 Einleitung

Der übliche PC-Arbeitsplatz ist ein in sich geschlossenes System mit Bildschirm, Tastatur und Drucker. Eingaben erfolgen über die Tastatur oder eine Diskette. Ausgaben gehen über den Bildschirm, den Drucker oder über den Lautsprecher. Computer im industriellen Einsatz können dagegen wesentlich mehr: Sie steuern Maschinen und Roboter, erfassen Daten in Fabriken und Anlagen, oder sie helfen bei der Messung von Umweltdaten.

Doch auch im privaten Bereich lässt sich wesentlich mehr mit einem PC anfangen, wenn es gelingt, auf elektronischem Wege andere Ein- und Ausgangskanäle bereitzustellen. Es sollte z.B. für einen PC kein Problem darstellen, abzufragen, ob ein bestimmter Schalter geschlossen ist. Ebenso muss es möglich sein, ein Gerät einzuschalten, oder einen Messwert zu erfassen. Im allgemeinen fehlt es nur an den richtigen Anschlüssen. Deshalb muss ein Zusatzgerät, ein sogenanntes Interface, angeschlossen werden, das die erforderlichen Anschlüsse bereitstellt. Interface bedeutet soviel wie "Zwischengerät", was sagen will, dass es zwischen den PC und den außen angeschlossenen Geräten vermittelt, indem es Daten weiterleitet.

Es gibt zahlreiche verschiedene Interfaces für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Sie unterscheiden sich in der Art und der Anzahl ihrer Ein- und Ausgänge. Man unterscheidet zwischen digitalen Leitungen, die "An" oder "Aus" sein können, und analogen Leitungen, die eine größere oder kleinere Spannung besitzen können.

"Digital" heißt "schrittweise" oder "stufenweise". Wie ein Schalter nur die beiden Zustände An oder Aus kennt, so arbeitet auch ein Computer intern nur mit Ja/Nein- Zuständen.

"Analog" heißt "entsprechend". Ein analoges Voltmeter zeigt einen Zeigerausschlag, der der gemessenen Spannung entspricht, also mehr oder weniger groß sein kann.

Ein digitaler Eingang kann z.B. einen Schalter abfragen, ein digitaler Ausgang kann einen Motor einschalten, sofern er einen genügend großen Ausgangsstrom erlaubt. Dagegen lässt sich mit einem analogen Eingang z.B. die Spannung einer Batterie überwachen. Hier muss der Messbereich zur Batteriespannung passen, und es ist auf eine für die gegebene Aufgabe ausreichende Auflösung zu achten. Für einfache Anwendungen kommt man mit einer Auflösung von acht Bit aus, während Präzisionsmessungen 16 Bit oder mehr benötigen. Eine Auflösung von acht Bit bedeutet, dass 256 Spannungsstufen unterschieden werden können. Bei einem Messbereich von 5 V beträgt eine Stufe 0,02V oder etwa 0,4% vom Endwert.

Oft verwendet man zusätzliche Sensoren zu Erfassung nicht-elektrischer Größen wie Temperatur, Lichtintensität oder Geräuschpegel. Ein Sensor setzt die entsprechende Größe in ein messbares Signal um, das von einem Interface an den PC weiter geliefert wird.

Mancher mag sich jetzt fragen: wie soll man da anfangen und wie sich zurechtfinden. Es gibt in der Tat eine große Vielzahl von technischen Lösungen, die alle darauf zielen, den PC- für Mess- und Steuerungszwecke einzusetzen. In diesem Buch werden einige Systeme vorgestellt. Sie unterscheiden sich in ihrem finanziellen Aufwand und in den Anforderungen an Vorkenntnisse des Anwenders. Allgemein wird versucht, für jeden Anwendungsfall eine besonders einfache Lösung zu zeigen.

Der Umwelt-Spion ist ein neues Gerät, das speziell für einfachste Anwendungen bei geringen Kosten entwickelt wurde. Man kommt hier ganz ohne spezielle Vorkenntnisse aus, wenn es um die reinen Anwendungen der Grundfunktionen geht. Das Buch beschreibt daher zunächst den Umgang mit diesem Gerät. Dass noch viel mehr Möglichkeiten im Spion stecken, zeigen die spezielleren Programmier-Lösungen und Erweiterungen in den späteren Kapiteln.

Ein eigenes Kapitel über die Grundlagen der Elektronik dient der Klärung der wichtigsten Fachbegriffe und Grundprinzipien. Wahrscheinlich sind diese Grundlagen vielen Lesern bereits vertraut, so dass sie hier allenfalls einmal nachschlagen werden.

Bei höheren Anforderungen an die Messgenauigkeit und die Anzahl der Messkanäle kommen Geräte wie Digitalmultimeter oder spezielle AD-Wandler an der seriellen Schnittstelle zum Einsatz. Mit fertiger, leicht zu bedienender Software ist die Anwendung dieser Geräte nicht schwierig.

Wenn mehrere elektrische Verbraucher wie Lampen, Haushaltsgeräte, Motoren usw. automatisch gesteuert werden, dann empfiehlt sich der Einsatz eines Relais-Interface. Auch hier gibt es fertige Software, die den Einsatz erleichtert. Der fortgeschrittene Anwender kann aber auch eigene Programme schreiben und die Geräte in eine größeren Zusammenhang stellen.

Für viele Aufgaben reichen direkte Verbindungen mit der seriellen Schnittstelle des PCs oder sehr kleine Zusatzschaltungen. Eine Reihe solcher betont einfacher Lösungen wird hier vorgestellt. Es gibt jeweils fertige Programme, so dass keine großen Vorkenntnisse benötigt werden. So lassen sich sinnvolle Einsatzbereiche des PCs mit geringsten finanziellen Aufwendungen erschließen.

Immer dann, wenn komplexere Aufgaben gelöst werden sollen, benötigt man Geräte mit mehreren Ausgängen und Eingängen, Sie sind zwar meist etwas teuerer, stoßen aber dafür nicht so schnell an ihre Grenzen. Hier gibt es vielfältige Methoden der Programmierung, so dass praktisch keine Aufgabe unlösbar bleibt. Verschiedene Geräte und ihre Software werden vorgestellt. An zahlreichen Beispielen werden auch die spezielleren Lösungen gezeigt.

Das Buch stellt die Entwicklung eigener Programme zwar nicht in den Mittelpunkt, gibt jedoch zahlreiche Beispiele und führt in unterschiedliche Programmiersysteme ein. Damit wird der engagierte Anwender in die Lage versetzt, auch neue Ideen umzusetzen.

Ebenso werden spezielle Hardwarelösungen vorgestellt. Wer mehr will als nur fertige Geräte einsetzen, erhält hier wertvolle Hinweise. Der kreative Umgang mit der angewandten Elektronik eröffnet zahlreiche Möglichkeiten. Allgemein gilt, je mehr Fachkenntnisse der Anwender hat, umso mehr kann er auch aufwendige Verfahren selbst realisieren. Oft gibt es ganz einfache Lösungen, die das selbe leisten wie teure Messgeräte. Einige der käuflichen Geräte lassen sich auch selbst bauen, um Kosten zu sparen oder gewünschte Änderungen zu erreichen.


Das Buch ist inzwischen leider vergriffen, aber die Technik dahinter lebt weiter. Geräte wie das Relais-Interface und der Umwelt-Spion gibt es immer noch. Und zahlreiche Lernpakete und Bausätze sind bei Franzis neu hingugehkmmen. Also: Packen Sie’s an!