1. Allgemeine unterrichtliche Zielstellung 

Unabhängig von den konkreten aktuellen Inhalten des Unterrichtes ist das technische Gerät Computer im Informatikunterricht fast immer präsent. Dabei spielt auch die konkrete Art der Unterrichtorganisation oft keine Rolle. Selbst wenn die Schüler aktuell nicht direkt am Computer arbeiten, so dient er doch häufig der Motivation, zur Veranschaulichung, als Kontrollinstrument o.ä.

In der Regel sollen sich die Schüler den Computer dabei anschaulich als ein aus folgenden Komponenten bestehendes System vorstellen (nach [1:775]):

Diese als von Neumann-Architektur bezeichnete Struktur reicht in vielen Fällen auch aus.

Nun verlangen die für den Informatikunterricht gültigen Rahmenpläne im Zusammenhang mit Stoffgebieten der technischen Informatik auch die Vermittlung von "Einsichten in den Aufbau und die Arbeitsweise eines Computers und Kenntnisse über Automaten" [2:47]. Spätestens an dieser Stelle müssen den Schülern also auch detailliertere technische Details und Abläufe vermittelt werden. Ohne Zweifel hängt der Erfolg dieser Vermittlung auch sehr von den Möglichkeiten der praktischen Schülertätigkeit und gegenständlichen Veranschaulichung der Systeme und Vorgänge ab, denn trotz aller denkbaren didaktischen Vereinfachungen bleiben die technischen Abläufe doch recht komplex und müssen selbstverständlich sachlich korrekt dargeboten werden.

Hier erhebt sich die Frage, anhand welchen speziellen technischen Systems diese Vergegenständlichung und Veranschaulichung vorgenommen wird.

Wir wollen in diesem Teil unseres Projektes zur "Didaktik der Informatik" anhand konkreter Beispiele erläutern, daß es sinnvoll sein kann, statt des in der Regel im Unterricht verwendeten hochkomplexen PC-Systems ein wesentlich überschaubareres Microcontrollersystem zu verwenden. Einige seiner Vorteile seien hier kurz aufgezählt:

- Es arbeitet ebenso wie der PC nach dem von Neumann-Prinzip, benötigt aber wegen seiner geringeren Komplexität weniger spezielle, das Wesen dieser Architektur verdeckende Zusatzelektronik (z.B. Interruptcontroller, Grafikcontroller u.ä.).

- Nahezu alle Bestandteile sind der direkten Anschauung zugänglich und können von den Schülern daher auch schneller in ihren Zusammenwirken verstanden werden.

- Trotz der einfachen Struktur läßt sich die Universalität des Einsatzes durch Programmierung erlebbar machen.

- Die Schüler lernen ein anderes System als den PC und eine andere Programmiersprache (u.a. auch Assembler) als in der Regel Pascal kennen. Die enge "PC-Sichtweise" wird aufgehoben.

- Die Einfachheit des Systems und seiner Programmierung ermöglicht mit geringem Aufwand schnelle Erfolgserlebnisse, was sich positiv auf die Motivation der Schüler auswirkt.

- Das Microcontrollersystem ist gegenüber dem PC mit vergleichsweise geringem Aufwand leicht erweiterbar, d.h. die Schüler können (je nach Voraussetzung in den verschiedenen Klassenstufen) selbst eigene Zusatzschaltungen und -geräte entwerfen und realisieren. Durch die damit verbundene hohe Handlungsaktivität läßt sich ein positiver Effekt auch im Hinblick auf die zu vermittelnden theoretischen Aspekte erreichen.

- Die eigenen Erweiterungen können trotz ihrer Einfachheit durchaus sehr sinnvolle Anwendungen ergeben und somit einen realen Praxisbezug vermitteln (Stichwort Einsatz von Microcontrollern in elektronischen Geräten des Alltags, der Industrie usw.).

- Die Inhalte und Tätigkeiten verlangen auch Kenntnisse und Fertigkeiten aus anderen Fächern, vorrangig dem Physik- und Technikunterricht. Somit ergeben sich gute Ansätze für fächerübergreifende Unterrichtsprojekte oder auch Projekte im Rahmen von Arbeitsgemeinschaften. 

Das C-Control-Einplatinenrechnersystem verkörpert in seiner kompakten Bauweise nicht nur ein vergleichsweise unkompliziertes Modell eines von Neumann-Rechners und ermöglicht den Schülern damit wie erwähnt, die prinzipielle Arbeitsweise einer derartigen informations-verarbeitenden Maschine durch einfachste praktische und theoretische Übungen zu erlernen. An das Microprozessorsystem anschließbare Peripherie ermöglicht darüber hinaus ebenfalls die Erfassung von physikalisch-technischen Größen, die Steuerung von Geräten und Sensoren in komplexen Abläufen sowie die Kommunikation mit größeren PC-Systemen. Somit sind auch umfangreiche Meß-, Steuer- und Regelungsaufgaben lösbar. Derartige Fragen der Prozeßdatenverarbeitung gehören unbestritten zu den allgemeinbildenden Inhalten der informationstechnischen Grundbildung und finden sich demgemäß in den entsprechenden Rahmenplänen wieder (z.B. [2:39]).

2. Technische Beschreibung des Microcontrollersystems C-Control der Firma Conrad-Electronic

Auf dem Markt sind verschiedene Microcontrollersysteme erhältlich. Wir haben uns für die Verwendung des von der Firma Conrad-Electronic vertriebenen C-Control-Systems entschieden. Es bietet aus Sicht des Einsatzes in der Schule verschiedene Vorteile:

-  modularer Aufbau in verschiedenen Grundvarianten, die für verschiedene Anwendungs- fälle optimiert sind

-  Verfügbarkeit diverser Zusatzschaltungen und Sensoren, die ohne großen Aufwand  schnelle und sinnvolle Anwendungen ermöglichen (u.a. auch Funkdatenübertragung)

-  Verfügbarkeit verschiedener Varianten der Programmierung (Basic und Assembler oder grafische Symbolsprache) erlauben differenzierten Unterricht je nach Alter und Vorkenntnissen der Schüler;

-  verschiedene Varianten der Programmiersoftware für DOS und Windows 98 sichern die Unabhängigkeit von speziellen PC-Pattformen

- umfangreiche und gute Dokumentation (bis hin zu Schaltplänen und Interna des Betriebssystems)

-  wird zumindest mittelfristig von der Firma Conrad- Electronic weiter entwickelt und unterstützt

- Informationen, Aktualisierungen und Projektideen sind im Internet verfügbar (direkt von Conrad-Electronic unter www.c-control.de; private Kontaktforen, z.B. www.allround.de/CControlhelp/start.htm)

- Verfügbarkeit umfangreicher Sekundärliteratur (s. 5.)

- einfach zu besorgen

- im Vergleich mit sonstigen Lehrmittelangeboten günstiges Preis-/ Leistungsverhältnis

Im folgenden sollen die einzelnen Komponenten des Gesamtsystems beschrieben und ihre typischen Einsatzmöglichkeiten kurz erläutert werden.

2.1.    Main-Unit

Die auf der nächsten Seite beschriebene Main-Unit (auch als Steuercomputer bezeichnet) verkörpert das eigentliche Microcontrollersystem. Es vereint mit der CPU, dem Daten- und Programmspeicher sowie den passenden Anschlüssen für die Ein- und Ausgabe alle oben genannten Komponenten eines von Neumann- Computers.

Die in den nachfolgenden Abschnitten 2.2. und 2.3. beschriebenen Komponenten stellen nur auf spezielle Anwendungen zugeschnittene Erweiterungen dieses Systems dar und enthalten die Main-Unit.

Lediglich die in 2.4. beschriebene M-Unit ("Mini-Unit") ist zusammen mit dem Schnittstellenadapter ein eigenständiges System.

Abbildung [Quelle: 3]:

2.2. Starter-Board

Das nachfolgend beschriebene Starterboard ermöglicht einen unkomplizierten Zugang zu den Anschlüssen der im vorigen Abschnitt beschriebenen Main-Unit. Alle Signalleitungen sind übersichtlich so herausgeführt, daß verschiedenste Sensoren und Verbraucher sowohl  elektrisch als auch mechanisch auf leichte Art angeschlossen werden können. Beispiele für derartige Sensoren sind im Abschnitt 2.7. beschrieben.

Darüber hinaus sind alle Ein- und Ausgänge auch an ein Experimentierfeld mit 14x14 Lötaugen heran geführt, auf dem eigene kleine Anwendungsschaltungen sofort auf der Platine aufgebaut werden können. Zwei Relaisausgänge ermöglichen das direkte Schalten ange-schlossener Verbraucher.

Die C-Control-Unit wird einfach auf das Starter Board aufgesetzt, Löten oder Schrauben ist nicht erforderlich. Mit dem Anschluß eines 9 V-Steckernetzgerätes an dem Starter Board wird mit Hilfe der integrierten Spannungsstabilisierung auch die Unit automatisch mit versorgt.

Abbildung [Quelle: 3]:

2.3. Application-Board

An das Application-Board können eine Reihe fertig aufgebauter Zusatzschaltungen bzw.-geräte direkt und polungssicher angeschlossen werden. Damit ist es möglich, viele einfache Anwendungen schnell und sicher aufzubauen. Es eignet sich damit in hervorragender Art und Weise dazu, die Schüler einführend mit den Möglichkeiten der C-Control-Unit und den Grundlagen ihrer Programmierung vertraut zu machen.

Zu diesen in den folgenden Abschnitten noch näher beschriebenen Peripheriegeräten gehören z.B. eine Folientastatur und ein LCD-Display, ein Relaisinterface oder ein LED-Display. Besondere Einsatzmöglichkeiten ergeben sich aus der Möglichkeit des Anschlusses eines Telemetriesenders und –empfängers mit einer Reichweite von bis zu 1000m. Damit können z.B. von Sensoren erfaßte Meßdaten von einem C-Control-Application-Board zu einem anderen oder zu einem PC übertragen werden.

Neben der Verwendung bereits vorgefertigter Sensoren, die schnelle Erfolgserlebnisse garantieren und mit dem System vertraut machen, können die Schüler auch selbst kreativ eigene Sensortechnik entwickeln und konstruieren. Weiterhin kann ein integrierter piezokeramischer Schallwandler zur Ausgabe von Tonsignalen genutzt werden.

Abbildung [Quelle: 3]:

Die M-Unit ("Mini-Unit") ist eine vollwertige C-Control-Unit, die speziell für räumlich kleine Anwendungen entwickelt wurde. Wäh-rend der Prozessor derselbe ist wie auf der Main-Unit, fehlen aus Gründen der Platzer-sparnis jedoch LEDs, Taster, Schnittstellen-IC sowie die Pull-Up-Widerstände. Zusätzlich zur Ausstattung einer Main-Unit bietet die M-Unit dagegen drei Schnittstellen mehr:

Im Gegensatz zur Main-Unit verfügt die M-Unit über einen Reset-Baustein, der im Falle eines Spannungsverlustes das Anwendungsprogramm automatisch neu startet, sobald wieder 5V-Nennspannung anliegt.

Da die M-Unit (48 mm x 41 mm) keine RS 232-Schnittstelle hat, wird zu seiner Programmierung der M-Unit-Adapter benötigt. Die M-Unit wird dazu lediglich auf den Adapter aufgesteckt. Der Adapter enthält alle zur Kommunikation zwischen M-Unit und PC über die RS232-Schnittstelle notwendigen Bauteile.

Abbildungen [Quelle: 3]:

2.5. Station für Montage auf DIN-Schienen

In dem Gehäuse, in dem sich u.a. der 68HC05B6-Prozessor und der externe 8kB-EEPROM-Chip befinden, ist für die Montage auf der sog. DIN-Schine ("Hutschiene") ausgelegt und zielt damit auf die Entwicklung von Anwendungen, wie sie z.B. für die Installation in der Haushaltselektrik benötigt werden (Temperaturregelung, Zeitschaltuhr, Alarmanlage, Treppenlichtsteuerung o.ä). Dem entsprechend sind auch diverse für den 230V-Netz-betrieb dimensionierte Baugruppen integriert (siehe Tabelle unten).

Die Programmierung erfolgt wie bei den anderen C-Control-Systemen auch z.B. in Basic und über die serielle Schnittstelle. Zur Ausgabe von Tonsignalen enthält auch diese Station einen piezokeramischen Schallwandler.

Abbildung [Quelle: 3]:

2.6. Telemetrie-Zubehör (Sender, Empfänger, DCF77-Antenne)

Für das Telemetriemeßsystem gibt es noch weitere, nicht direkt zum C-Control-System gehö-rende Komponenten. Dazu gehören die sogenannte Telemetrie-Haupteinheit, ein externes Memorymodul zur Datenspeicherung oder ein separates Display zur Datenanzeige. Auf die Nutzung dieser Komponeneten soll hier aber nicht weiter eingegangen werden.

2.7. Sensoren und weiteres Zubehör (Relais-Interface; LED- Modul; LCD- Modul; Folientastatur)

Einer der wesentlichen Vorteile des C-Control-Systems ist seine offene Gestaltung, d.h. es ist aufgrund der bekannten Spezifikationen möglich, selbst eigene Sensoren und Anwendungsschaltungen zu entwickeln. Für einfache Anwendungen und zur Einführung in das System bietet es sich jedoch an, die zusammen mit dem System angebotenen Komponenten zu nutzen.

Beispielsweise sind für den direkten Anschluß an die AD-Wandlereingänge der Main-Unit folgende Meßfühler erhältlich:

-           Gleichstromsensor (0...2,55A / 0...25,2A)

-           Gleichspannungssensor (0...10V / 0...25V)

-           Temperatursensor (-27,5...+100°C / -50...+600°C)

-           Luftfeuchtesensor (10...90% rel. Feuchte)

-           Schallpegelsensor (35...120dB)

-           Füllstandssensor

-           Geschwindigkeitssensor (14...230km/h)

-           Drehzahlsensor (10...60000U/min)

Darüber hinaus werden weitere, komplexere Schaltungen bzw. Geräte zum Anschluß an die verschiedenen Boards angeboten. Beispiele hierfür sind:

-  Folientastatur für das Application-Board:

- LCD-Modul für das Application-Board:  

- LED-Modul für das Application-Board:  

- Relais-Interface für das Application-Board:

- DCF77-Funkantenne:

- Leistungsrelais und Netzteil für die C- Control- Station:

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