Matura Projektbericht || Patrik Gumpold 5AEL || 2014/15

Projektbericht: LED-Uhr Patrik Gumpold 5AEL – Technologische Fachoberschule Meran „Oskar von Miller“ Maturaprojekt 2014/15

Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold

1

Inhalt 1

Vorwort .................................................................................................................................................. 3

2

FAQ....................................................................................................................................................... 4

3

Projektbeschreibung .............................................................................................................................. 5

4

Anlagenschema..................................................................................................................................... 6

5

Planung ................................................................................................................................................. 7 a.

6

Zeichnungen und Entwürfe ................................................................................................................ 9 Elektronik ............................................................................................................................................ 14

a.

LEDs ................................................................................................................................................ 14

b.

Schieberegister ................................................................................................................................ 16

c.

Spannungsregler.............................................................................................................................. 18

d.

Micro Controller................................................................................................................................ 20

e.

Transistor ......................................................................................................................................... 21

f.

7-Segment ....................................................................................................................................... 22

7

Shematic ............................................................................................................................................. 23

8

Board Routing: .................................................................................................................................... 37

9

Löten ................................................................................................................................................... 44

10

Software .......................................................................................................................................... 51

11

Fehlersuche ..................................................................................................................................... 53

12

GANTT-Diagramm ........................................................................................................................... 55

13

Kostenrechnung ............................................................................................................................... 60

14

Datenblätter ..................................................................................................................................... 61

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1 Vorwort Meine sehr geehrten Damen und Herren, mein Name ist Patrik Gumpold und ich freue mich ihnen mein Abschlussprojekt die „LED-Uhr“ präsentieren zu können. In diesem Projekt stecken nahezu zwei Semester Arbeit, dieser Bericht begleitet mein Projekt von der Idee bis hin zur letztendlichen Umsetzung. Der Projektbericht soll Einblicke in die Planung und Arbeit verschaffen. Ich zeige außerdem, meine Fähigkeit ein Projekt zu planen und umzusetzen.

Die Idee zu diesem Projekt kam spontan. Im Sommer 2014 habe ich mir zwar Gedanken gemacht und schon einige Notizen für mögliche Projekte notiert, allerdings fielen diese dann im Herbst schnell ins Wasser als ich die Idee der LED-Uhr hatte. Mir kamen dann sehr viele verschiedene Ideen für dieses Modell, alles in Skizzenform in meiner Projektmappe festgehalten. Auch die Möglichkeiten für und Ausbaumöglichkeiten sind bei einer Uhr enorm. Das Display mit den Zeitzonen habe ich gewählt, da ich ein sehr großer Japan- und Korea-Fan bin und die Uhr dann auf die jeweilige Zeit dort einstellen kann.

Hier eine kleine Selbstinterpretation meines Projektes: Im Laufe der Zeit wurde der Mensch klüger und musste sich den unveränderbaren Bedingungen Tag und Nacht anpassen, schon früh gab es erste Versuche den Tagesablauf durch Uhren zu planen, damals noch in der Form der Sonnenuhr. Mit dem Laufe der Zeit veränderten sich die Techniken und präzisere Modelle entstanden, diese Genauigkeit findet in der Atomuhr ihren Meister. Bis hin zu meinem Projekt vergingen mehrere tausend Jahre und nun liegt es an mir und meinem Projekt das Zeitalter der Digitaluhren auf ein neues Level zu befördern oder um es projektnahe zu sagen, um eine neue Zeit einzuleiten. Mit größter Sorgfalt, Mühe und dem nötigen Einsatz präsentiere ich ihnen nun die neue Ära der Digitaluhren!

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2 FAQ

Warum dieses Projekt?

Ich finde LEDs sehr schön, besonders in dunkeln Räumen kommen sie richtig zur Geltung! Zudem wollte ich ein Projekt welches für Außenstehende sehr einfach zu verstehen ist, eine Uhr lesen kann jeder, zudem kann ich eine Uhr noch in meinem Zimmer aufstellen.

Was ist ihr konkretes Ziel mit diesem Projekt?

Das Projekt ist das Ziel! Ich möchte ein Projekt haben welches ich auch noch ausbauen kann, zudem soll es mich motivieren und auch nach Abschluss noch einen Nutzen haben, was eignet sich da besser als eine Uhr? Wie realisieren sie ihr Projekt?

Ich denke mein Projekt hat die besten Voraussetzungen um erfolgreich zu sein!

Was motiviert sie dieses Projekt zu machen?

Die Motivation finde ich dadurch, dass ich weiß, dass mein Projekt am Ende ein gutes Resultat liefern kann, wenn ich mich reinhänge.

Kann man ihr Vorwort für voll nehmen? *Lacht* Nun ja, das überlass ich ihnen wie ernst sie so etwas aufnehmen.

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3 Projektbeschreibung Das Projekt besteht aus drei großen Gesamtplatinen, wobei sich eine der drei Platinen aus mehreren kleinen zusammensetzt. Die Uhr wird durch LEDs realisiert und hat eine Runde Form, in der Mitte befinden sich jeweils vier Paare von 28 LEDs, diese sind in einer „8“ Form angeordnet und können dadurch jede Ziffer darstellen, sprich ein 7-Segment. Diese vier 7-Segmente Stellen die Stunden und Minuten dar und werden von zwei LEDs in der Mitte zur besseren Unterscheiden getrennt. Darunter befindet sich ein Display welches die derzeitige Zeitzone zeigt und die dazugehörige Zeitverschiebung. Um die Sekunden anzuzeigen wird die Hauptplatine mit den 7-Segmenten und dem Display, von 59 LEDs umrahmt, welche sich in einer Kreisform befinden. Bei jeder vergangenen wird dann jeweils eine neue LED dazu geschalten, bei vollem Kreise vergeht dann eine Minute. Um die Uhr einzustellen wird eine Bedienung benutzt welche die dritte Platine darstellt. Mit ihr wird die Uhr beim Einschalten auf die aktuelle Zeit eingestellt, auch die Zeitzone kann festgelegt werden.

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4 Anlagenschema Das Anlagenschema gibt einen Überblick über die wichtigsten elektronischen Komponenten des Projekts, die detailliertere Beschreibung jeder einzelnen Komponente findet sich im weiteren Verlauf dieses Dokuments.

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Spannungsregler

2

Bedienplatine

3

LCD Display

4

Schieberegister

5

Zeitausgabe durch LED‘s

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5 Planung

Die Planung des Projektes läuft nicht nur vor dem Beginn an, sondern zieht sich wie ein roter Faden durch das gesamte Projekt, weswegen auch in GANTT-Diagramm immer wieder Zeit für Planung genutzt wird.

Zur Planung dieses Projekt musste zunächst einmal die genaue Funktion definiert werden, das heißt: Was kann es machen und was soll es nicht machen. Diese Punkte wurden allerdings schon in der Projektbeschreibung festgelegt.

Danach musste festgelegt werden wie denn die Uhr aussehen soll, die Entscheidung fiel auf eine klassische Kreisform, auch wenn die Platine aus Platzgründen sehr abstrakt wirkt! Bis zu diesem Modell des Projektes gingen viele unterschiedliche Skizzen voran, bis schließlich die endgültige Form festlag.

Neben der Form war natürlich auch die Anzeige der Uhrzeit ein Thema, wie soll es von statten gehen?

Die Lösung hierbei war ein 7-Segment welches durch mich selbst geplant wurden, wie die Zeichnungen belegen. Zur Bestimmung der idealen Zifferformwurden viele verschiedene Skizzen des 7-Segments angefertigt, ausschlaggebend bei der Zifferform waren die Größe des 7-Segmentes und dessen Neigungswinkel. Diese ideale Form stellte sich mir als um 10° nach rechts geneigtes und aus 28 LEDs bestehendes 7-Segment heraus, welches eine Höhe von 8cm und eine Breite 5cm aufweist. Insgesamt ergibt sich eine Gesamtanzahl von 173 LEDs, für die 60 Sekundenanzeige werden 59 LED’s benutzt, da die 60. Sekunde als „alle LED’s ausgeschalten“ symbolisiert wird, zudem viel die Wahl hierbei auf blaue diffuse LED’s mit dem Durchmesser von 10mm. Für das 7-Segment hingegen wurden die gleichen LED’s verwendet, nur mit dem Unterschied, dass der Durchmesser hier 5mm betrug. Für das gesamte Projekt mussten dann also 173 LED’s gesucht und bestellt werden.

Auch der Einkauf der Materialien stellte sich als Herausforderung dar, neben der Frage: Gibt es denn schon das Bauteil was ich brauche?“, muss man Faktoren wie Preis, Lieferzeit, Versandkosten, Stückzahlund Stückzahlbonus mit ein beziehen. Zu Beginn gibt es bestimmt kein Problem mit den Lieferzeiten, da Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold

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man noch nicht einmal die Platine hat, allerdings fallen einen mit der Zeichnung und Planung immer neue benötigte Bausteine ein. Auch sollte man einen kleinen Überschuss an Bauteilen, abhängig von deren Gesamtstückzahl, kaufen.

Dadurch, dass so viele LEDs verwendet wurden, musste eine Programmierung überlegt werden welche durch den µC realisierbar ist, da der µC nicht so viele Ausgänge zur Steuerung jeder einzelnen LED hat.

Die Lösung war hierbei ein Schieberegister, durch welches abhängig der Zeit, mehr zu der Funktion Programmierung des Schieberegisters im unteren Teil des Projektberichtes.

Auch die Stromversorgung musste geplant werden, neben Berechnungen war ein Netzteil mit einer vergleichsweise hohen Stromzufuhr nötig, nach welchem relativ lange gesucht werden musste. Auch die Dazugehörige Drossel von 12V, 5A auf 5V, 3A musste geplant und bestellt werden, näheres dazu unter den Punkt Elektronik und Bauteile.

Das Display hingegen bedurfte keiner allzu großen Planung, da ich jenes von dem „Demo-Board“ samt µC Verknüpfung übernahm und somit nur den Platz auf der Platine festlegen musste.

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a. Zeichnungen und Entwßrfe Die folgenden Bilder zeigen entworfene Skizzen von der Grundidee bis hin zum Endergebnis um die ideale Anordnung der LED’s im 7-Segment festzustellen.

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Die folgende Zeichnung zeigt schließlich die fertige Zeichnung welche durch die Skizzen entstand, dabei wurden auch auf die Maße für die Ziffern Rücksicht genommen, um sie dann auf dem Board einfacher und schneller zeichnen zu können! Durch diese Skizzen wurden die Größe und Neigung für die vier 7Segmente auf der Platine festgestellt. Auf dem Bild sind bereits die Maße und Abstände wurden bereits eingezeichnet. Das Maß und die Form wurden also händisch geplant und anschließend umgesetzt.

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Das folgende Bild zeigt den Helligkeitsvergleich zwischen den 5mm und 10mm diffuse LED’s. Das Ziel war den passenden Widerstand herauszufinden, damit erstens der Stromverbrauch von 173 LED’s den Stromverbrauch von 3A nicht überschreiten und die beiden LED’s auch in ähnlicher Helligkeit leuchten.

An beiden LED’s wurde eine Spannung von 5V angelegt, jeweils einem Potenziometer an den beiden LED’s wurde dann nach dem entsprechenden Widerstand gesucht. Als Ergebnis stellte sich ein Widerstand von 100Ω für beide LED’s heraus, da andere Widerstände entweder nicht in SMD-Form auf dem Markt sind oder höhere Widerstände eine schwächere Leuchtstärke bedeutet hätten. Zudem liegt man mit 100Ω sehr gut im Stromverbrauchsbereich und hat noch Sicherheit.

Mit dem Strommessgerät wurde der Stromverbrauch jeweils gemessen und dann auf die gesamte Schaltung hochgerechnet, dazu wurde immer der „worst case“ hergenommen, also der Status in welchem alle LED’s eingeschalten sind, im Normalbetrieb tritt dieser nie ein, jedoch ist es sicherer.

Wie dieser Stromverbrauch berechnet wurde ist im Unterpunkt „Elektronik“ vermerkt.

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Bereits im Herbst wurde ein Anlagenschema erstellt um einen Grund端berblick zu gewinnen, es ist hier noch angef端hrt um aufzuzeigen wie weit die Planung dieses Projektes zur端ckreicht.

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Dieses Bild veranschaulicht die Planung des Sekundenkreises, dabei wurde schon vorher ein Durchmesser der Uhr bestimmt, dieser orientierte sich an der Größe der vier 7-Segmente wenn diese nebeneinander und von den „Doppelpunkt-LED’s“ getrennt auf der Platine sind. Der Durchmesser bis zur inneren Seite der Sekundenanzeige betrug hierbei 14,5 cm, nach außen hin war dieser 17cm, da die Sekundenplatinen eine Breite von 2,5cm zugewiesen wurde.

Obwohl es nur 59 LED’s gibt, wurde die Verteilung trotzdem mit einem Winkelabstand von 6° zu jedem Mittelpunkt der 10mm LED’s vorgenommen, da diese fehlenden 6° optisch keinen großen Einfluss machten.

Die Zeichnung wurde später auch als Vorlage für die Maße in EAGLE verwendet um diese Sekundenform auf dem Board zu erhalten.

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6 Elektronik a. LEDs Zur Realisierung der Zeitanzeige wurden blaue diffuse LEDs verwendet, diese unterscheiden sich von gewöhnlichen LED’s dadurch, dass sie ein „weicheres“ Licht werfen. Dieses Licht hat die Eigenschaft eine Kontrast- und schattenarme beleuchtete Fläche zu erzeugen.

Die Spannungsquelle liefert 5V und 3A, deswegen darf der maximale Stromverbrauch den Wert von 3A nicht überschreiten.

Zur Berechnung des maximal verbrauchten Stromes wurden die Messwerte der beiden LED’s hergenommen, diese betrugen bei Versorgungsspanung 5V und Vorwiderstand 100Ω, 15mA an der 5mm LED und 17mA an der 10mm LED. Als Nennwert für den Verbrauch des µC wurden 30mA angenommen, welche hoch geschätzt sind. Für das Display werden ca. 150mA benötigt.

Berechnung:

Der maximale Stromverbrauch liegt knapp unter 3A, diese 2,893A kommen allerdings im normalen Betrieb nie zu Stande, da es keine Uhrzeit gibt bei welcher der alle vier 7-Segmente eingeschalten sind.

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5mm LED Im ganzen Projekt sind 114 LED’s dieser Art verbaut. Ihr Betriebsstrom liegt laut Datenblatt bei 20mA, allerdings beträgt er beim Projekt ca. 15mA, damit wird das volle Potential der LED zwar nicht ausgeschöpft, allerdings leuchtet sie dennoch sehr hell. Der Vorwiderstand beträgt 100Ω, genauso wie es auch bei der 10mm LED der Fall ist. Die gewöhnliche Betriebsspannung liegt bei 3,2V – 3,4V allerdings ohne Vorwiderstand.

Abbildung 1: Eine der 5mm LED‘s

10mm LED Von dieser Art LED sind 59 im gesamten Projekt vorhanden, der Betriebsstrom liegt bei 30mA, im Projekt jedoch liegt er bei 17mA, ca. die Hälfte ihrer Leuchtkraft wird nicht genutzt. Die Leuchtstärke liegt der der 5mm LED nahe, jedoch ist eine entsprechende Schwäche der Leuchtkraft zu erkennen. Da die beiden LED’s allerdings von verschiedenen Herstellern sind, sind ihre Leuchtfarben von Grund auf schon abweichend, das erkennt man auch an den Abbildungen (1) und (2). Diese Abweichungen stören das Projekt jedoch nicht Abbildung 2 Eine 10mm LED

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b. Schieberegister Im gesamten Projekt werden 11 Schieberegister vom Modell 74HC595 verwendet, jedes Schieberegister steuert 8Bit, Insgesamt müssen 87 Bit bewegt werden, das eine überschüssige wird einfach als „0“ mitgeschrieben und hat somit keinen Einfluss auf die Gesamtfunktion. Die Anzahl dieser 87 Bit ergibt sich aus den 59 Sekunden-LED’s und den 7-Segmenten welche jeweils 7 Bit benötigen,

. Die Aufgabe des Schieberegisters ist es,

die Bit so zu setzen, dass eine Uhrzeit mit laufenden Sekunden erkennbar ist. Durch das setzen eine Ausgangs leuchtet die LED.

Abbildung 3 Das Schieberegister 74HC595

Das Schieberegister besitzt folgende Pin-Belegung:

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Alle Schieberegister sind in der Reihe verbunden, sobald ein Schieberegister alle 8 Bit voll hat, wird bei einem neuen Bit das allererste Bit auf das hintere Schieberegister übertragen, so setzt sich das dann bei jedem weiteren kommenden Bit fort. Nur das allererste Schieberegister ist mit dem µC verbunden und zwar besteht diese Verbindung über PortB. Zur Steuerung der Schieberegister bedarf es lediglich dreier Pins des µC, weshalb es auch so gut für dieses Projekt eignet. Diese drei Pins sind der Datenleiter Data (Pin 14 DS) mit dem Wert des Bits 0 oder 1. Der Clock (Pin 11 SHCP) welcher ein Bit vom Wert 0 oder 1 in das Schieberegister schiebt, dieser Wert ist abhängig von Data. Und die Ausgabe / Übernahme (Pin 12 STCP).

Funktion Der µC gibt auf dem PortB0 den Wert des Bits vor, entweder 0 oder 1. Sobald nun Programmintern ein Clock auf das PB2 kommt wird der Wert von Data in das Schieberegister geschoben, allerdings noch nicht sichtbar, also nicht gesetzt. Gesetzt wird das Schieberegister durch das PB1 das die Ausgabe der Bit steuert, durch eine positive Flanke an ihm werden alle Bitwerte sozusagen aktiviert. Eine 1 im Register bedeutet hierbei, dass an jenem Pin des Schieberegisters nun +5V anliegen.

Pin-Beschreibung

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Diese Ports sind mit folgenden Schieberegister Pins verbunden

Port B (Ausgänge) Pin

Nutzen

PB0

Data (0 oder 1)

PB1

STCP (Ausgabe)

PB2

SHCP (Clock)

c. Spannungsregler Da der µC und die LED’s nur eine Spannungsversorgung von +5V benötigen, aber einen Gesamtstrom von 3A wird ein Netzteil verwendet, welches 12V und 5A liefert, diese werden dann vom Spannungsregler auf 5V und 3A herunter geregelt. Der verwendete Spannungswandler ist hierbei der LM2576ADJ. Dier Spannungswandler kann unterschiedliche Ausgangsspannungen erzeugen, abhängig sind diese hierbei vom Verhältnis zwischen R 1 und R2.

Damit eine Ausgangsspannung von 5V am Ausgang anliegen, mussten die Widerstände entsprechend dimensioniert werden.

Im Datenblatt liegt hierfür bereits eine Formel vor, welche allerdings falsch ist, Abbildung 1 Spannungswandler anstatt dem „*“ steht dort ein „+“.

LM2576

Die richtig notierte Formel lautet:

Das ideale Verhältnis der Widerstände musste nun bestimmt werden, sodass entspricht. Durch das umstellen der Formel auf konnte mit Excel eine Tabelle erstellt werden in welche man die Widerstandswerte für eingab, damit wurde dann der Widerstandswert für berechnet, als Werte für wurden allerdings nur jene Widerstandswerte verwendet welche schon im Schulinventar vorhanden waren um einer eventuellen Bestellung und damit Verzögerung des Zeitplanes zu entgehen. Vom Datenblatt ging Abbildung 2 Pinout des LM2576 zudem noch die Bedingung für hervor, dass der Wert zwischen 1kΩ und 5kΩ liegen muss. Die erhaltenen Widerstandswerte für wurden dann auch mit dem Schulinventar verglichen und die Rückrechnung nach durchgeführt um zu sehen wie viel die Ausgangsspannung vom Wert 5V abweicht.

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Umstellung der Formel auf

Diese Formel für

wurde anschließend in Excel eingefügt, folgendes Ergebnis kam hierbei heraus:

R1 (Ω) 1000 1200 1500 1800 2200 4700

R2 (Ω) 3065,041 3678,049 4597,561 5517,073 6743,089 14405,691 R1 R2 R2 (gerundet) Vout

R2 (gerundet) 3300 3300 4700 5600 6800 15000

Vout (ideal 5V) 5,289 4,613 5,084 5,057 5,032 5,156

Verwendet!

Gewählter Widerstand um Bereich von 1kΩ bis 5kΩ Berechneter Wert aus der Formel Der berechnete Wert auf den am nahe liebendsten Wert der E-Reihe gerundet Rückgerechneter Wert für den Ausgansstrom

Das Widerstandsverhältnis welches Oben gelb markiert ist, wurde verwendet, da beide Widerstände im Schulinventar vorhanden waren und der entstehende Ausgansstrom ideal ist.

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Abbildung 3 Beschaltung des LM2576, die Formel für Vout ist falsch angegeben

d. Micro Controller Der Micro Controller (µC) MC9S08AW60 stellt das Herzstück der gesamten elektronischen Schaltung dar. Neben der Steuerung des Schieberegisters, ist er auch für das Einlesen der Bedienplatine von PortD zuständig, desweiteren gibt er Informationen auf das Display aus. Versorgt wird er mit +5V. Der Quarz des µC besitzt einen Busclock von 19,6608 MHz, zur Berechnung des Realtimes wird die Formel verwendet, berechnet man nun diese Zeit kommt für als Ergebnis:

Da dieses Projekt eine Uhr ist, ist der Realtime besonders Abbildung 1 Beispielbild des verwendeten Mirco Controller wichtig, dieser ergibt sich programmintern dadurch, dass man zuerst diese zu macht. Davor müssen die allerdings noch mit multipliziert werden um die darauffolgenden Multiplikationen zu vereinfachen, das Ergebnis ist hierbei nun . Diese werden nun verwendet um die 10msec zu berechnen, diese werden nach erreicht, da . Um Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold

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nun auf eine Sekunde zu kommen erhöht der µC alle eine Variable um eins, bis diese den Wert erreicht. Mit dem Erreichen des Wertes weiß der µC nun, dass eine Sekunde vergangen ist, was das Programm dann genauer macht ist unter dem Punkt „Software“ festgehalten.

In dieser Tabelle sind die Pinbelegungen der Bedienplatine und dessen jeweiliger Befehl aufgelistet.

Port D (Eingänge) Pin

Nutzen

PD0

H+ (Stunde +1)

PD1

H- (Stunde -1)

PD2

M+ (Minute +1)

PD3

M- (Minute -1)

PD4

EINGABE

PD5

ZZ- (Zeitzone +1)

PD6

ZZ+ (Zeitzone -1)

Die gesamte Pinbelegung des µC ist unter dem Punkt „Datenblätter“, auf der Seite 24 des offiziellen Datenblatts von Freescale.

e. Transistor Zur Ansteuerung der LED’s werden NPN Transistoren des Typs BC337 verwendet. Eine kurze Erklärung wie ein Transistor dieses Typs arbeitet: zwischen Collector und Emitter besteht eine Sperrschicht, welche erst durch eine positive Spannung an Base aufgelöst wird und somit die beiden miteinander verbunden werden, deswegen ist ein Transistor ein Spannungsgesteuertes Schaltungselement.

Konzept der Schaltung Die Base ist jeweils mit einem Widerstand und einem Ausgang des Schieberegisters verbunden. Am Collector befinden sich ein Widerstand und eine LED, der Emitter ist mit Masse verbunden. Dadurch, dass Collector und Emitter von Beginn an nicht miteinander verbunden sind, kann man an alle LED’s +5V anlegen ohne dass sie Abbildung 1 BC337 Transistor leuchten, wird nun in ein Schieberegister eine „1“ geschireben, schaltet ein Ausgang des Registers +5V in die Base des Transistors, die Sperrschicht zwischen Collector und Emitter löst sich auf und sie sind verbunden, die LED leuchtet nun, da sie mit Masse verbunden ist.

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f. 7-Segment Für die Anzeige des Stunden und Minuten werden insgesamt vier 7-Segmente verwendet, jedes besteht aus sieben Segmenten welche in der Abbildung 1 des rechten Bildes mit ihrer jeweiligen Bezeichnung versehen sind. Da jedes der Teilsegmente aus vier LED’s besteht, ergibt sich pro 7-Segment eine Gesamtzahl von 28 LED’s. Alle vier LED’s eines Teilsegments sind mit demselben Schieberegisterausgang verbunden, weshalb sie auch zugleich geschalten werden, dadurch werden Ausgänge gespart und es muss nicht jede LED einzeln geschalten werden um eine Zahl darzustellen.

Zur Feststellung welcher der Teilsegmente aktiv sein müssen, damit die Zahlen „0 – 9“ dargestellt werden, wurde eine Wahrheitstabelle entworfen.

Abbildung 1

1

=

bʌc

2

=

aʌbʌdʌeʌg

3

=

aʌbʌcʌdʌg

4

=

bʌcʌfʌg

5

=

aʌcʌdʌfʌg

6

=

aʌcʌdʌeʌfʌg

7

=

aʌbʌc

8

=

aʌbʌcʌdʌeʌfʌg

9

=

aʌbʌcʌdʌfʌg

0

=

aʌbʌcʌdʌeʌf

Abbildung 2 Wahrheitstabelle für das 7-Segment

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7 Shematic Im Shematic (Schaltplan) des Projektes werden alle elektronischen Komponenten, welche das Projekt braucht, aufgezeigt und miteinander in Verbindung gebracht. Da der Schieberegisterblock eine interne Datenleitung hat, um den Übertrag von 8Bit in das jeweils dahinter liegende Schieberegister zu schieben, ist der Großteil des Shematics dem Schieberegister gewidmet, zudem passen auch nur zwei Bausteine des Schieberegisters (Schieberegister-IC) auf ein Blatt des Shematics.

Für dieses Projekt wurde zudem eine eigene Libary gezeichnet welche sich auf Abmessungen der Bauteile stützt. Insgesamt wurden mehr als zehn Bauteile dieser Libary hinzugefügt.

Die Schaltplanbilder (insgesamt 13) sind jeweils beschriftet und klären somit um welchen Teil der Gesamtschaltung es sich handelt. Die Bilder wurden mit der EAGLE-Funktion „Export“ im .png-Format exportiert.

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Abbildung 1 Folgende Komponenten der Schaltung sind auf der ersten Seiten des Schaltplanes: Spannungsversorgung, Beschaltung des µC, die Ein- und Ausgänge des µC, LCD Display, BDM Modul, „Doppelpunkt“ – LED‘s

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Abbildung 2 Schieberegister Sekundenanzeige von 1 – 16

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Abbildung 3 Schieberegister Sekundenanzeige von 16 - 32

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Abbildung 4 Schieberegister Sekundenanzeige von 32 - 48

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Abbildung 5 Schieberegister Sekundenanzeige von 48 – 60 und 4 Bits des ersten Segments

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Abbildung 6 Schieberegister der 7-Segmente Z1, Z2 und Z3 (Z steht hier „Ziffer“, n ist die jeweilige Nummer, beginnend von links mit 1 bis hin zum 4. 7-Segment)

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Abbildung 7 Schieberegister der 4. Ziffer

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Abbildung 8 Beschaltung des Sekundenkreises, die linke Schaltung wird im Board-Men端 von EAGLE 7-mal kopiert und muss deswegen nicht so oft gezeichnet werden.

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Abbildung 9 Darstellung der Ziffer 1 der insgesamt vier 7-Segmente, das Ziehen der Wires wurde 端ber die Verkn端pfung der WireNamen vorgenommen.

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Abbildung 10 Ziffer 2 der 7-Segmente

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Abbildung 11 Ziffer 3 der 7-Segmente

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Abbildung 12 Ziffer 4 von 4

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Abbildung 13 Beschaltung der Bedienplatine

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8 Board Routing: Die Platinen wurden innerhalb von acht Tagen geroutet, dies beanspruchte insgesamt 40 ½ Stunden.

Beim Routen wurden zuerst die einzelnen Bauteilgruppen aussortiert um eine Übersicht zu schaffen. Allein das beanspruchte schon sehr viel Zeit, da im gesamten Projekt über 550 Bauteile verwendet werden. Der Großteil dieser Zahl liegt hierbei in Widerständen, LED’s und Transistoren. Nach dem Sortieren wurde der Kreis für die Sekundenanzeige gezeichnet, als Vorlage dienten hierfür die Maße aus zuvor angefertigten Entwurfszeichnungen. Da EAGLE die nötigen Tools zur Erstellung von geometrischen Formen bereitstellt, war dieser schnell gezeichnet und musste nun in die entsprechenden Abschnitte unterteilt werden. Da die Sekundenanzeige aus sieben schaltungsidentischen Platinen besteht, musste diese nur einmal gezeichnet werden und konnte anschließend vervielfältigt werden. Die Bedienplatine wurde im Anschluss geroutet und beanspruchte keinen Zeitaufwand.

Der nächste Schritt war nun das Routen der Hauptplatine, auf dieser waren µC, LCD Display, Schieberegister und die vier 7-Segmente vorhanden. Als Ausgangspunkt wurden die Maße der vier 7Segmente aufgezeichnet, als Vorlage diente die Skizze der 7-Segmente welche die Maße mit sich führte.

Mit dem Abschluss der Anordnung der LED’s für das 7-Segment wurde der µC und die Spannungsversorgung geroutet, danach folgten das Display, die Schieberegister und zum Schluss die Transistoren und deren Pinheads. Nachdem der Routprozess abgeschlossen war, wurden um die Schaltungen noch Wires des Typs „Milling“ gezogen, diese wurden beim Herstellungsprozess als Fräßlinien verwendet.

Abbildung 1 Das Board zu Beginn des Routens

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Abbildung 2 Bauteilgruppen werden sortiert

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Abbildung 3 Die Bedienplatine wurde als erstes geroutet

Abbildung 4 Der Kreis der Sekundenanzeige wurde gezeichnet

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Abbildung 5 Die Maße der 7-Segmente wurden aufgezeichnet, die Bedien- und Sekundenanzeigeplatinen sind bereits fertig

Abbildung 6 Die 7-Segmente wurden mit den LED’s versehen, der µC, die Spannungsversorgung, das Display und der Großteil der Transistoren sind geroutet

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Abbildung 7 Das Board steht kurz vor dem Abschluss

Wie auf dem Board und auch auf der fertigen Platine zu sehen ist, wurden die Leiterbahnen alle sehr nahe und strukturiert angeordnet, der Abbiege Winkel von 45° wurde zudem auch immer eingehalten. Unter dem Quarz des µC befindet sich zudem eine breite Massefläche, welche er für eine sichere Funktion braucht .

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Abbildung 8 Die fertige Hauptplatine welche auch so hergestellt wurde

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Abbildung 9 Board der Bedienplatine und der Sekundenanzeige, die Platine der Sekundenanzeige wurde sieben Mal kopiert und eingef端gt

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9 Löten Vor dem Beginn des Lötprozesses mussten die einzelnen Platinen mit dem Seitenschneider aus der großen Gesamtplatine befreit werden. Das Abbildung 1, wie die Platine zu Beginn aussah, sie war noch in der Fassung der Gesamtplatinen. Auf dem Abbildung 2 sieht man die Platine wie sie mit dem Seitenschneider aus der Fassung befreit wird, dies ist nur ein Beispielbild um zu demonstrieren wie dieser Prozess von Statten ging, nach der Hauptplatine folgten die neun weiteren kleinen. Alle Platinen sieht man auf Abbildung 3. Das Bild Abbildung 4 zeigt die Platine im Programm EAGLE, darunter zum Vergleich die gefertigte Platine.

Nachdem die Platine auf mögliche Fertigungsfehler untersucht worden dar, konnte mit dem Lötprozess begonnen werden, der erste Schritt war hierbei das auflöten der Mirco Controllers und dessen Bestandteile, zu denen der Taktbaustein (Quarz, Kondensatoren, Widerstände) gehören. Der Lötprozess folgte der Regel „Kleine Bauteile zuerst“ vor. Nachdem die Funktion des µC sichergestellt war, wurde Lötprozess mit dem auflöten der weiteren Bauteile auf der Hauptplatine fortgesetzt, zuerst wurden die Widerstände dabei aufgelötet und im Anschluss die 5mm LEDs der 7-Segmente, welche dann in jeweils einer Viererreihe auf ihre Funktion getestet wurden Abbildung 5. Auf den folgenden Bildern sieht man das Fortschreiten des Lötprozesses. Abbildung 6 zeigt schon die fertig gelöteten 7-Segmente und auch einige Transistoren welche aufgelötet wurden. Auf Abbildung 7 ist die fertig gelötete Hauptplatine, die Stromversorgung ist funktionsbereit. Um diese zu testen, leuchten die beiden 5mm LEDs in der Mitte (Doppelpunkt LED’s) der Platine sobald sie mit Spannung versorgt werden. Auf der Abbildung 8 wurde auf dem µC ein Programm gespielt, bei welchem in jedes Schieberegister eine „1“ geschrieben wird und somit alle LEDs leuchten lässt. Zur vollständigen Uhr fehlen noch die Platinen der Sekundenanzeige welche außen um die Hauptplatine platziert werden, diese sind im Abbildung 9 zu sehen, wieder mit dem gleichen Programm, welches alle LED’s setzt. Durch dieses Programm wurde gleichzeitig die Funktion aller LED’s sichergestellt.

Die Platinen der Sekundenanzeige wurden nach dem Löten sofort auf ihre Funktion getestet, hier gab es keine Fehler, lediglich ein Problem mit der Befestigung einer LED, dieses Problem ist allerdings unter dem Punkt „Fehlersuch“ eingebracht. Als weiteres Problem stellte sich die Dicke der Dioden Füße des Spannungswandler heraus, da das Spannungsregler-Set bei einem Klassenkammeraden bestellt wurde, war der Ausgangspunkt für die Dicke der Dioden Füße, die Maße der Dioden welche wir auch im Labor verwenden, allerdings entsprach die Diode nicht dieser Vorstellung, ihre Füßchen waren viel dicker, weswegen sie mit Schmirgelpapier Dicke abgenommen werden musste, sodass sie in die Pads passten.

Die Verkabelung der sekundenanzeige Platinen mit der Hauptplatine fand durch Flachbandkabel statt. Die Flachbandkabel wurden mit den Pinheads auf den Unterseiten beider Platinen gesteckt. Die Pinheads sind auf den Unterseiten befestigt, da dies mehrere Vorteile bietet, neben der optischen Wirkung wird so auch die Montur eines Gehäuses erleichtert.

Die Bedienplatine der LED-Uhr wurde sehr schnell gelötet. Da es dort nicht viele Bauteile zum Auflöten gab, allerdings waren die Pads der Taster auf der Platine zu klein um die Füßchen dieser durchstecken zu können, weshalb sie im SMD-Stil aufgelötet wurden. Das bedeutet, dass die Füßchen nicht durchgesteckt und verlötet sind, sondern nur auf den Pads lagen und anschließend verlötet wurden.

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Abbildung 1

Abbildung 2

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Abbildung 3

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Abbildung 4

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Abbildung 5

Abbildung 6

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Abbildung 7

Abbildung 8

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Abbildung 9

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10 Software Die Software dieses Projekts wurde mit dem Freescale CodeWarrior in der Programmiersprache Assembler geschrieben. Das Programm hat die Aufgabe die aktuelle Uhrzeit auszugeben, zudem soll diese durch die Bedienplatine verstellbar sein. Bis zu diesem Zeitpunkt wurde das Starten der Uhr ab einem im Programm festgelegten Zeitpunkt realisiert, es noch Probleme mit dem Schieberegister, da sich manche Bits verschieben, was sie nicht sollten, beim Schreiben des Programmes erhielt ich Unterstützung vom Mitschüler Markus Müller. Soweit zum Stand des Programmes.

Mit dem Start des Programmes wird eine Startzeit initialisiert, diese lässt sich im Programm ändern.

Während eine Variable nun den Realtime zählt, werden in die Schieberegister die Bits der Buffer mit den Werten 0 oder 1 getaktet, abhängig von der entsprechenden Uhrzeit bedient sich das Programm an den jeweils vordefinierten Bitmuster für die 7-Segmente. Die Sekundenanzeige wird über einen Look up table (LUT) vorgenommen, in welcher die Bitmuster für alle 60 Sekundenstatus vorhanden sind. Sobald eine Sekunde vergeht, springt der Pointer für den LUT eine Position weiter. Der Fall, dass 60 Sekunden erreicht sind wird auch immer verglichen, falls eine Minute vergeht, wird dann ein anderes Bitmuster für die Minute angesprungen, zudem wird verglichen ob bereits 10 Minute erreicht sind, denn das hätte zu Folge, dass die Zehnerstelle erhöht wird, also das Bitmuster geändert wird. Sobald es 24:00 Uhr ist, startet die Zeitzählung von neuem, indem die Zähler zurückgesetzt werden.

Da für jedes 7-Segment nur 7Bits benötigt werden, aber ein Bit aus acht Zeichen besteht, musste eine Include geschrieben werden um dieses Problem zu lösen. Durch diese Include wird das erste Bit der Bitanordnung jeder Ziffer ignoriert und somit nur die verbleibenden 7 Bit verwendet und in die Schieberegister geschrieben.

Abbildung 1 Variablen für die Berechnung der Zeit und deren Range

Abbildung 2 Bitmuster für die Ziffer im 7-Segment

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Abbildung 3 Ausschnitt aus dem LUT der Sekundenanzeige

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11 Fehlersuche In diesem Abschnitt sind alle Fehler festgehalten welche während des Projekts aufgetreten sind, zudem wird erklärt wie diese Fehler gelöst wurden.

Die Spannungsversorgung mit einer anderen aber ähnlichen Schaltung geplant, welche allerdings nicht 5V und 3A ausgeben konnte, dieser Fehler wurde vor dem Anschließen an das Netzteil bemerkt. Dieses Problem konnte jedoch mit zwei Widerständen und dem Auftrennen einer Leiterbahn behoben werden.

Abbildung 1 Fehlerbehebung am Spannungsregler

Durch einen Kurzschluss wurde der µC zerstört, weshalb ein neuer aufgelötet werden musste. Dieser jedoch hatte das Problem, dass die zwei Quarzpins nicht richtig auf die Pads gelötet waren und diese somit locker waren. Unter dem Lichtmikroskop konnte festgestellt werden, dass die zwei Pins des Quarzes sich berühren. Beim Versuch einer Lehrperson diese zu trennen, geschah ein Fehler, sodass ein Pin unter den µC geriet und nicht mehr zu retten war. Es musste ein dritter µC aufgelötet werden, dieser gab zu Beginn den Fehler des Abbilds 2 aus, weshalb ich den Quarz wechselte, dies änderte jedoch nichts am Ergebnis.

Nach einem Austausch über dieses Problem mit Herr Professor Seiwald, welcher mir riet die Kondensatoren der µC Beschaltung zu wechseln, funktionierte der µC einwandfrei nachdem diese ausgetauscht wurden. Anscheinend wurden diese beim ersten Kurzschluss beschädigt.

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Abbildung 2 µC hat keinen Takt, da die Beschaltung aufgrund eines Kurzschlusses defekt war

Während dem Testen der Schieberegister leuchteten 2 LED’s immer zugleich, die Kontrolle der Software schloss einen Softwarefehler aus, auf der Platine der Sekundenanzeige der jeweiligen LED’s waren zwei Pads der Pinheads ungewollt beim Lötprozess mit Lötzinn verbunden worden.

Abbildung 3 Die Pads sind miteinander verbunden und verursachen somit den Fehler

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Beim Testen des Schieberegisters leuchtete eine LED der Sekundenanzeige nicht, nachdem im Programm keine Fehler f체r dieses Problem zu finden waren, wurde die Suche auf der Platine fortgesetzt, zuerst wurde das f체r diese LED zust채ndige Schieberegister kontrolliert, welches allerdings wie gefordert die +5V ausgab, vor dem Transistor stellte sich ein Widerstand als defekt heraus, er war in der Mitte gebrochen.

Abbildung 4 SMD Widerstand welcher in der Mitte auseinander gebrochen ist

12 GANTT-Diagramm Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold

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13 Kostenrechnung

Auflistung aller Bauteilkosten

In das gesamte Projekt flossen an die 250 Stunden Arbeit. Wäre ich ein Angestellter einer Firma und bekäme ich für jede Arbeitsstunde 20€, hätte ich der Firma 5.000€ gekostet.

Zudem kommen noch die Arbeitsstunden welche ich von anderen in Anspruch nahm, Markus Müller half mir insgesamt 10 Stunden bei diesem Projekt, das entspricht bei gleichem Lohn den Kosten von 200€

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14 Datenblätter LED 5mm

technische Daten laut Hersteller: Gehäuse: 5mm diffus Material: GaInN Farbe: blau Wellenlänge: 460nm - 465nm Lichtintensität: 1500mcd Abstrahlwinkel: 50° - 60° Spannung (typ.): 3.2V - 3.4V Betriebsstrom (typ.): 20mA Löttemperatur: 260° bis 5 Sekunden

LED 10mm

Color: Blue Peak Wavelength: 470 nm Package: Round 10 mm Lens type: Diffused, milky-white translucent Viewing angle: 50 degrees Intensity: 1,000 mCd typ. at 20 mA DC forward current: 30 mA Forward voltage (typical): 2.7 V Lead-free (RoHS compliant) Manufacturer: Betlux Electronics Manufacturer part number: BL-L101UBW Datasheet (PDF)

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Transistor BC337

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