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

Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 1

Projektbericht: LED-Uhr

Patrik Gumpold

5AEL – Technologische Fachoberschule Meran

„Oskar von Miller“

Maturaprojekt 2014/15


Inhalt

1 Vorwort .................................................................................................................................................. 3

2 FAQ ....................................................................................................................................................... 4

3 Projektbeschreibung .............................................................................................................................. 5

4 Anlagenschema ..................................................................................................................................... 6

5 Planung ................................................................................................................................................. 7

a. Zeichnungen und Entwürfe ................................................................................................................ 9

6 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


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!


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.


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.


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.

1 Spannungsregler

2 Bedienplatine

3 LCD Display

4 Schieberegister

5 Zeitausgabe durch LED‘s


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, Stückzahl-

und Stückzahlbonus mit ein beziehen. Zu Beginn gibt es bestimmt kein Problem mit den Lieferzeiten, da


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.


a. Zeichnungen und Entwürfe

Die folgenden Bilder zeigen entworfene Skizzen von der Grundidee bis hin zum Endergebnis um die ideale

Anordnung der LED’s im 7-Segment festzustellen.


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 7-

Segmente 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.


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.


Bereits im Herbst wurde ein Anlagenschema erstellt um einen Grundüberblick zu gewinnen, es ist hier

noch angeführt um aufzuzeigen wie weit die Planung dieses Projektes zurückreicht.


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.


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.


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.

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 1: Eine der 5mm LED‘s

Abbildung 2 Eine 10mm LED


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.

Das Schieberegister besitzt folgende Pin-Belegung:

Abbildung 3

Das Schieberegister 74HC595


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


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 LM2576-

ADJ.

Dier Spannungswandler kann unterschiedliche Ausgangsspannungen

erzeugen, abhängig sind diese hierbei vom Verhältnis zwischen R1 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,

anstatt dem „*“ steht dort ein „+“.

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

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.

Abbildung 1 Spannungswandler LM2576

Abbildung 2 Pinout des LM2576


Umstellung der Formel auf

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

R1 (Ω) R2 (Ω) R2 (gerundet) Vout (ideal 5V)

1000 3065,041 3300 5,289

1200 3678,049 3300 4,613

1500 4597,561 4700 5,084 Verwendet!

1800 5517,073 5600 5,057

2200 6743,089 6800 5,032

4700 14405,691 15000 5,156

R1 Gewählter Widerstand um Bereich von 1kΩ bis 5kΩ

R2 Berechneter Wert aus der Formel

R2 (gerundet)

Der berechnete Wert auf den am nahe liebendsten Wert der E-Reihe gerundet

Vout 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.


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

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

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

Abbildung 1 Beispielbild des verwendeten Mirco Controller


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

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.

Abbildung 1 BC337 Transistor


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.

1 = b ʌ c

2 = a ʌ b ʌ d ʌ e ʌ g

3 = a ʌ b ʌ c ʌ d ʌ g

4 = b ʌ c ʌ f ʌ g

5 = a ʌ c ʌ d ʌ f ʌ g

6 = a ʌ c ʌ d ʌ e ʌ f ʌ g

7 = a ʌ b ʌ c

8 = a ʌ b ʌ c ʌ d ʌ e ʌ f ʌ g

9 = a ʌ b ʌ c ʌ d ʌ f ʌ g

0 = a ʌ b ʌ c ʌ d ʌ e ʌ f

Abbildung 1

Abbildung 2 Wahrheitstabelle für das 7-Segment


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.


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


Abbildung 2 Schieberegister Sekundenanzeige von 1 – 16


Abbildung 3 Schieberegister Sekundenanzeige von 16 - 32


Abbildung 4 Schieberegister Sekundenanzeige von 32 - 48


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


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)


Abbildung 7 Schieberegister der 4. Ziffer


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


Abbildung 9 Darstellung der Ziffer 1 der insgesamt vier 7-Segmente, das Ziehen der Wires wurde über die Verknüpfung der Wire-Namen vorgenommen.


Abbildung 10 Ziffer 2 der 7-Segmente


Abbildung 11 Ziffer 3 der 7-Segmente


Abbildung 12 Ziffer 4 von 4


Abbildung 13 Beschaltung der Bedienplatine


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 7-

Segmente 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


Abbildung 2 Bauteilgruppen werden sortiert


Abbildung 3 Die Bedienplatine wurde als erstes geroutet

Abbildung 4 Der Kreis der Sekundenanzeige wurde gezeichnet


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


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 .


Abbildung 8 Die fertige Hauptplatine welche auch so hergestellt wurde


Abbildung 9 Board der Bedienplatine und der Sekundenanzeige, die Platine der Sekundenanzeige wurde sieben Mal kopiert und eingefügt


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.


Abbildung 1

Abbildung 2


Abbildung 3


Abbildung 4


Abbildung 5

Abbildung 6


Abbildung 7

Abbildung 8


Abbildung 9


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


Abbildung 3 Ausschnitt aus dem LUT der Sekundenanzeige


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.


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


Beim Testen des Schieberegisters leuchtete eine LED der Sekundenanzeige nicht, nachdem im Programm

keine Fehler für dieses Problem zu finden waren, wurde die Suche auf der Platine fortgesetzt, zuerst wurde

das für diese LED zuständige 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






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€


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)



Transistor BC337

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