ESP32
Digitale Messwerterfassung
Die digitale Messwerterfassung ermöglicht einen modernen Unterricht mit gut erfassbaren Messwertdarstellungen und übersichtlichen Diagrammen. Für elektrische Größen eignen sich dafür besonders Digitalmultimeter und Hand-Oszilloskope. Diese Geräte sind heute wesentlich günstiger als es noch vor einigen Jahren war.
Sensoren
Sensoren erfassen Messgrößen und wandeln sie in elektrische Messsignale. Die Messgröße muss nicht immer eine physikalische Größe, wie Temperatur, Spannung oder Kraft sein, sondern kann auch eine Anzahl, ein Geruch oder Geschmack sein.
- Aktive Sensoren wandeln die Energie der gemessenen Größe direkt in ein elektrisches Messsignal, z. B. dynamisches Mikrofon.
- Passive Sensoren brauchen immer eine Hilfsspannung und arbeiten meist als veränderlicher Widerstand, z. B. Fotowiderstand.
Sensorenbaugruppen geben ihr Messsignal in genormten Schnittstellen ab.
analoge Schnittstellen: Spannungsschnittstelle 0-10 V, Stromschnittstelle 4-20 mA
digitale Schnittstellen: I²C-Bus, SPI, UART
Microcontroller ESP 32
Vorbildlich sind die möglichen Erweiterungen mit externen Sensoren. Sie werden über die Bluetoothschnittstelle mit einem externen Mikrocontroller hinzugefügt. Auf ihm das notwendige Programm gespeichert.
Die Phyphox App
Die RWTH Aachen stellt die für den Unterricht entwickelte App Phyphox kostenlos zur Verfügung. Damit sind zahlreiche Experimente unter Nutzung der im Handy verbauten Sensoren möglich. Je nach Handymodell sind dies:
- Helligkeit
- Lautstärke
- Luftdruck
- Beschleunigung
- Magnetfeld
- Farbe
und deren abgeleitete Größen, wie Schwingung, Stoß, Spektrum
Mikrocontroller zu Phyphox
Um externe Sensorsignale an die Phyphox-App zu koppeln, wird ein Mikrocontroller benötigt. Hier ist es der Esp 32. Über dessen analogen Eingänge können Spannungen direkt erfasst werden. Digitale Sensoren werden über Schnittstellen, wie I²C ausgelesen.
Programmiert werden die Controller mit der Arduino IDE. Dort muss das angeschlossene Board ausgewählt und die entsprechenden Bibliotheken der Sensoren sowie die Phyphox BLE geladen werden.
Im GitHub von Heinrich Lauterbach werden zahlreiche Anwendungen
mit zugehörigem Programmcode vorgestellt.