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ftNano Board: Arduino Nano für Fischertechnik

Fischertechnikmodelle eignen sich gut, um spielerisch mechanische Modelle zu bauen und Grundlagen der Physik zu erproben. Auch die Automatisierung mit einer SPS läßt sich ungefährlich und praxisnah erlernen.

Von Fischertechnik gibt es u. a. den TXT-Controller, mit dem sich die Aktoren und Sensoren wie Motoren, Lampen und Schalter über einen Mikrocontroller steuern lassen. Mit um die 360 Euro ist er aber sehr teuer und stark an die Fischertechnik-Welt gebunden. Fischertechnik hat auch selbst einen Versuch unternommen, den Calliope mini (ca. 45 €) einzubinden. Die Möglichkeiten sind aber sehr begrenzt, da es nur einen Motortreiber gibt und dieser nur 3,3 V liefert, also nicht für die üblichen Motoren von Fischertechnik geeignet ist.

Im Bereich des entdeckenden Lernen bietet sich der Arduino deutlich besser an. Es stehen diverse Programmiersprachen wie C/C++ und Scratch/Open Roberta zur Verfügung, so daß für jede Altersklasse etwas dabei ist. Zudemgibt es eine Vielzahl an Sensoren etc. die sich leicht integrieren lassen. Allerdings ist der Arduino nur für 5 V (bzw. 3,3 V) ausgelegt und kann keine größeren elektronischen Lasten wie Motoren oder die Lämpchen von Fischertechnik treiben. Zudem sind beim Einsatz von induktiven Lasten immer Schutzmechanismen notwendig, die eine Rückwärtsspannung unterdrücken. Auch die Eingänge für Schalter etc. sind nicht für die 9 V von Fischertechnik geeignet.

Es gibt bereits verschiedene Boards, die eine Brücke zwischen den beiden Welten schlagen. Diese gefielen mir nicht so ganz, weil beispielsweise kein Arduino-Modul genutzt wird, sondern ein fest verbauter Mikrocontroller. Wenn der Controller aufgrund falscher Ansteuerung defekt ist (zu hohe Last betrieben, falsche Eingangsspannung usw.), dann ist ein Austausch nicht möglich. Zum Schutz wird auf den Boards eventuell eine zusätzliche Hardware eingesetzt. Um über diese die I/O-Pins zu steuern, sind aber Software-Bibliotheken (Libraries) notwendig, die nicht für alle Programmiersprachen existieren und dann die Flexibilität des Arduinos beschneiden. Alternativ kann man die Pins zwar auch ohne Bibliothek ansteuern, kann dann aber nicht die Befehle aus dem Arduino-Universum nutzen, was gerade für Anfänger problematisch sein kann - immerhin ist die einfache Ansteuerung einer der Erfolgsgründe für Arduino. Die vielen Erweiterungen in Form von Shields usw. werden normalerweise direkt an die Pins des Arduinos angeschlossen und sind entsprechend zu 3,3 V/5,0 V kompatibel. Fehlen die passenden Pinheader, dann können die Shields nicht ohne weiteres genutzt werden und es bleibt die Beschränkung auf Fischertechnik-Komponenten.

Meine Idee war der Einsatz eines Arduino Nano V3 (ca. 20 €). Der kann genau das gleiche, wie der größere Arduino Uno und kann platzsparend auf mein Controller-Shield gesteckt werden, so daß er auch jederzeit ausgetauscht werden kann. Die Programmierung erfolgt (wie bei Arduino üblich) über die USB-Buchse und beispielsweise die Arduino IDE (als Doanload oder online im Cloud Editor). Die günstigen Nachbauten des Arduino Nano (mit billigem und manchmal problematischen USB-Controller vom Typ CH340) gibt es für um die fünf Euro frei Haus.

Die typischen Fischertechnik-Flachstecker können direkt in die Kontaktbohrungen auf der Platine eingesteckt werden und finden dort zuverlässig Halt. Neben den I/O-Kontakten gibt es mehrere Kontakte für Masse (GND) und 9 V (Spannungsquelle).

Um Fischertechnik-Teile (9 V) zu nutzen, existieren die besagten Signalpegel-Konverter. Weitere Features:

• bis zu 6 digitale Leistungsausgänge, davon 3 mit PWM-Funktion; inkl. Schutz vor Rückwärtsspannungen bei induktiven Lasten. Ansteuerung von Motoren mit Links-/Rechtslauf-Wechsel oder Lampen etc., max. je 9 V/200 mA
• bis zu 16 digitale I/O (Ein-/Ausgang), max. je 9 V/20 mA
• 4 analoge Eingänge 0 V - 10 V
• Buchsenleiste für OLED-Display
• Buchsenleiste für HC-06 Bluetooth-Modul (Version 1.0: WLAN-Modul NRF24L01)
• Wannenstecker für I²C (TXT-Controller-Belegung)
• Spannungsversorgung (9 V) über Hohlbuchse (Steckernetzteil) oder Schraubklemme (Batterie, Akku o. ä.) inkl. Verpolungsschutz
• Spannungsausgang 3,3 V und 5 V über Schraubklemme (Belastbarkeit je nach Arduino-Board, ca. 20 mA)

Damit zusätzlich alle I/O-Pins zugänglich bleiben, gibt es parallel zur Stiftleiste für den Arduino eine zweite Buchsenreihe. Bei der Nutzung ist nur darauf zu achten, daß die Pins nicht durch andere benutzte externe Bauteile belegt sind. Ebenso überschneidet sich die Belegung der digitalen I/Os teilweise. So kann bspw. entweder eine Last an M1.1 und M1.2 angeschlossen werden oder die GPIOs D3 und D5 können genutzt werden.

Mein Board ist unter der Bezeichnung ftNano erhältlich. Ein Arduino Nano ist zusätzlich erforderlich.

Benutzerhandbuch (PDF) und Zip-Archiv mit ausführlichen Beispielen in C/C++ und mehr. Für Fritzing gibt es ein Bauteil/Part, um Verdrahtungspläne zu zeichnen.