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Elektronik

Einleitung

Mit Hilfe eines / zweier AVR Controller soll eine Anzeige von Fußballpunkteständen aufgebaut werden. Bei der Anzeige handelt es sich um eine großflächige Anzeige, die 7-Segment Darstellung durch LEDs nachahmt und auf dem Gelände des SV-Viktoria Lippstadt angebracht werden soll.

Damit die Anzeige weithin sichtbar ist, soll sie aus ultrahellen LEDs diskret aufgebaut werden. Abbildung 1 zeigt einen Aufbau bestehend aus 70 LEDs, wobei jedes Segment aus 10 LEDs besteht. In dieser Konstellation ist eine Ziffer etwa 160 mm hoch. Bei einer Versorgungsspannung von 12V können 5 rote LEDs in Reihe geschaltet werden, so dass jedes Segment aus jeweils zwei Reihenschaltungen besteht. 

Zur Ansteuerung der LEDs soll ein AVR-Controller mit entsprechender Peripherie-Beschaltung verwendet werden. Insbesondere in der erste Ausbauvariante („kabelgebunden“) ist darauf zu achten, dass die Anzahl erforderlicher Leitungen zwischen Bedien- und Anzeige­einheit niedrig gehalten wird. Aus diesem Grund sollen die Daten zur Ansteuerung der LEDs seriell übertragen und die Segmente per Schieberegister angesteuert werden.

In einer ersten / einfacheren Ausbaustufe dient ein AVR-Controller dazu die Eingabe eines Bedienterminal zu verarbeiten und diese drahtgebunden an die Anzeigeeinheit weiter zu leiten. In einer zweiten Ausbaustufe soll die Kommunikation zwischen Bedien- und Anzeigeeinheit drahtlos funktionieren. Hierzu sollen die u. a. bei Pollin erhältlichen AVR-Funkmodule eingesetzt werden.

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Elektronik

Ausbaustufe 1: kabelgebunden

In dieser Ausbaustufe werden die Daten zur Ansteuerung der LEDs zwischen Bedieneinheit und Anzeigeeinheit kabelgebunden übertragen.

Die Schaltung besteht aus einer Bedien- und einer Anzeigeeinheit. Die Bedieneinheit besteht aus einer Spannungsaufbereitung, einer Steuereinheit, Tastern und lokalen Anzeigen. Die Anzeigeeinheit besteht aus einer eigenen Spannungsaufbereitung, zwei Schieberegistern, zwei Treiberstufen und den LED-Strängen.

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Spannungsversorgung

Die Bedieneinheit wird über ein externes Netzteil mit Wechselspannung versorgt. Die Spannungsaufbereitung der Bedieneinheit erzeugt 12V Gleichspannung zur Spannungsversorgung der Anzeigeinheit und 5 V zur Versorgung der Steuereinheit und Anzeigen.

Innerhalb der Anzeigeeinheit sind 5V zum Betrieben der Schieberegister erforderlich. Diese werden in der Anzeigeeinheit aus den 12V Gleichspannung erzeugt.

Im Maximalfall werden

2 x Einerstelle mit 2 Strängen je Segment bei 7 Segmenten 28 Stränge

2 x Zehnerstelle mit 3 Strängen je Segment bei 2 Segmenten 12 Stränge

1 x Doppelpunkt mit 1 Strang je Segment bei 2 Segementen 2 Stränge

Summe 42 Stränge

betrieben mit max. 20 mA je Strang = max. 840 mA. Zusätzlich sind 2 Sieben­segment­anzeigen, 4 LEDs (2 x Zehnerstelle, 2 x Power und der Controller zu betreiben, so dass ein Gesamtbedarf von max. 1 A besteht. In der kabelgebundenen Ausführung wird dieser Strom durch die Bedieneinheit geführt, so dass bei der Auslegung des Verbindungskabels auf eine ausreichende Dimensionierung der stromtragenden Adern zu achten ist.

Ein unstabilisiertes Netzteil /-trafo reicht aus, da mit 12V lediglich die LEDs betrieben werden, bei denen eine Restwelligkeit nicht maßgeblich ist. Die Spannungsaufbereitung zur Versorgung der MCU und der Logikbausteine muss durch die Schaltung ausreichend stabilisiert werden.

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Steuereinheit

Die Steuereinheit (ATtiny2313) ließt zyklisch die Tasten aus und verarbeitet Tastendrücke. Abhängig von einem internen Zustand werden die zwei 7-Segmentanzeigen und die LEDs angesteuert. Zusätzlich werden Daten seriell kodiert und zur Anzeigeeinheit übertragen.

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Steckverbindungen

Um die Anzahl erforderlicher Leitungen gering zu halten werden die Daten zur Ansteuerung der Segmente seriell übertragen. Ggf. ist eine weitere Leitung erforderlich, um die Anzeigeeinheit zu reseten, sofern dies nicht über ein Schalten der Versorgungsspannung möglich ist.

##offener Punkt: Steckverbinder zwischen Anzeige- und Bedieneinheit##

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Dekodierlogik

Zur Verarbeitung der seriellen Signale kommen zwei SerialInParallelOut-Logikbausteine 74HCT164 zum Einsatz. Da diese Bausteine maximal 7 V @ 20mA schalten können, wegen der in Reihe geschalteten LEDs jedoch 12V erforderlich sind, müssen die Signale über Treiberbausteine (ULN2803) verstärkt werden.

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LED-Stränge

Mit Hilfe einzelner LEDs sollen die Segmente einer 7-Segmentanzeige vergrößert nachgebildet werden. Jedes Segment wird aus zwei Strängen à 5 LEDs aufgebaut. Rote LEDs weisen eine Durchlassspannung von 1,9V auf, so dass eine Reihenschaltung von 5 LEDs zu einem Spannungsbedarf von 9,5V führt. Entsprechedn muss der Vorwiderstand eines Stranges zu
R = U / I, R = (12v – 9,5V) / 20 mA, R = 125 Ohm bzw. 150 Ohm nach E12 dimensioniert werden.

Anz. LEDs	Zündspg.	Speisespg.	Differenz	erf. Widerstand	Wid. a. Normreihe	result. Strom	Leistung
5	5 * 1,9 V = 9,5 V	12 V	2,5 V	125 Ohm	150 Ohm	16,667 mA	104 mW
4	4 * 1,9 V = 7,6 V	12 V	4, 4 V	220 Ohm	220 Ohm	20,00 mA	387 mW
4	4 * 1,9 V = 7,6 V	12 V	4,4 V	alternativ	270 Ohm = 220 + 50 Ohm	16,296 mA	315 mW

Bei der Auswahl der LEDs ist zu beachten, dass viele der ultrahellen LEDs zwar eine nominell hohe Helligkeit (bis zu 30.000 mcd) aufweisen, dies aber auf Kosten des Abstrahlwinkels, d. h. die Helligkeit wird im Wesentlichen durch die Fokussierung des Glaskörpers realisiert. Diese Eigenschaft ist für eine Anzeige, die unter einer weiten Blickwinkel sichtbar sein soll ungeeignet. Die hier ausgewählten LEDs mit 7.000 mcd bieten den bestmöglichen Kompromiss zwischen Helligkeit (mehr als ausreichend), Abstrahlwinkel (trotz relativ kleinem Abstrahlwinkel von 30° zeigt die Praxis, dass sie auch unter flachem Winkel deutlich rot leuchten) und nicht zuletzt der Preis.

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Marktspiegel LEDs

Stand 08.2009

Beschreibung	Art-Nr.	Preis	je LED	Kommentar
ø 5 mm - Lichtfarbe weiß - Vorwärtsspannung 3,2 V - Vorwärtsstrom 20 mA - Lichtstärke 9000 mcd - X 0,30 / Y 0,32 - Abstrahlwinkel 20...30° - 10 Stück	120 438	2,95 EUR	29,5 ct	niedriger Abstrahlwinkel 3,2 V bedingt viele Stränge und hohen Strom teuer
Ultrahelle Hochleistungs-LEDs mit weißem Licht und einer mittleren Lichtintensität von 13000 mcd. Diese LEDs eignen sich hervorragend für Beleuchtungs- und Signalzwecke. 10 Stück. Download verfügbar. Technische Daten: - ø 5 mm - Gehäusefarbe klar - Lichtfarbe weiß - Vorwärtsspannung 3,6 V - Vorwärtsstrom 20 mA - Abstrahlwinkel 15 °	120 587	ab 3 Stück = 1,25 Euro	12,5 ct	niedriger Abstrahlwinkel 3,2 V bedingt viele Stränge und hohen Strom sehr preiswert
Lichtfarbe gelb (bernstein) - Vorwärtsspannung 2,1 V - Vorwärtsstrom 20 mA - Lichtstärke 3000 mcd - Wellenlänge 590 nm - Abstrahlwinkel 50...60° - 10 Stück	120 436	2,75 EUR	27,5 ct	hoher Abstrahlwinkel relativ teuer

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Verkabelung

Alle Anoden werden durch rote Kabel auf eine gemeinsame Platine geführt, welche auch die Vorwiderstände aufnimmt.

Alle Kathoden eines Segments (bzw. der 2 Segmente der „1“ der Zehnerstelle) sind farblich kodiert, und werden auf eine Platinen zusammen mit Spannungsaufbereitung, Treiberstufe und Deseria­li­sie­rung geführt.

Bild anklicke für größere Darstellung

Segment	Kathode	Anz. Stränge	LEDs / Strang	Widerstand
A li und re	grau	2	5	150 Ohm
B li und re	gelb	2	5	150
C li und re	schwarz	2	5	150
D li und re	braun	2	5	150
Eli ud re	weiß	2	5	150
F li und re	blau	2	5	150
G li und re	grün	2	5	150
Doppelpunkt	grün	2	4	270
Einerstelle li	schwarz	6	4	270
Einerstelle re	grün	6	4	270

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Prototyp

Um die Funktion und Machbarkeit abzusichern wurde zunächst ein Prototyp erstellt:

Der Prototyp nutzt zur Umsetzung der Bedieneinheit das AVR-Evalboard (oben links im Bild). Das Eval-Board führt die meisten Ports des Controllers über eine 34polige Stiftleiste (in der Version < 2.0) heraus. Auf die Stiftleiste aufgesteckt ist eine Adapterplatine, welche die Signale auf Steckkontakte führt. Über diese ist das X-Board 7-Segmentanzeige (sh. Projekt X-Boards) per Patchkabel angeschlossen.

Die Anzeigeeinheit besteht aus dem Steckboard (Bildmitte), dem X-Board SubD9 bzw. ULQ-Treiber (unten links, senkrecht zu sehen), einer Platine mit Vorwiderständen (unten Mitte, senkrecht zu sehen) und den LEDs.

Über die Ports A0 und A2 werden die seriell kodierten Signale über ein grünesund ein gelbes Kabel zur Anzeigeeinheit übertragen. Die gesamte Schaltung wird mit 12V betrieben (rotes Kabel mit Krokodilklemmen). Auf der rechten Seite des Steckboard findet die Spannungsaufbereitung für den Logikteil statt. Die weißen Kabel verteilen die gemeinsame Masse.

Auf der linken Seite des Steckboards ist zur Kontrolle eine Siebensegmentanzeige angebracht. Deutlich ist zu erkennen, dass die Signale wegen des kathodenseitigen Schaltens der LED-Stränge invertiert sein müssen.

Prototyp mit teilbestückten LEDs

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Schaltplan

Portbelegung

Funktion	Port	Pin	ATtiny2313	Pin	Port	Funktion
Reset	PA2	1		20	Vcc	Versorgungsspg.
LED +10 links	PD0	2		19	SCK	Programmier­schnittstelle
LED +10 rechts	PD1	3		18	MISO
XTAL2	PA1	4		17	MOSI
XTAL1	PA0	5		16	PB4	Taste „links +“
	PD2	6		15	PB3	Taste „rechts +“
	PD3	7		14	PB2	Ansteuerung Anzeigeeinheit
Ansteuerung 2x7-Segementanzeige	PD4	8		13	PB1
	PD5	9		12	PB0
Versorgungsspg.	GND	10		11	PD6

Layout

Vorderseite

 Rückseite

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Ausbaustufe 2: funk-fernbedient

Dieses Kapitel befindet sich noch im Aufbau. Ein erster Test erfolgt auf Basis des Funk-AVR Evaluationsboards von Pollin. Leider beziehen sich die dort erhältlichen Codebeispiele auf die Fukmodule für das 433 MHz-Band. Da das 433 MHz Band jedoch wesentlich "verschmutzter" ist, als das später freigeschaltete 868 MHz Band habe ich Funkmodule für das letztgenannte erworben.

Software

Ausbaustufe 1: kabelgebunden

Ansteuerung der 7-Segmentanzeige

Die zweifach 7-Segmentanzeige wird parallel durch den Port C und Port B0..5 angesteuert.

Die Zuordnung von Pins, resp. Bits der PORT-Regsiter, ist stark abhängig von der konkreten Verdrahtung. Die 7-Segmentanzeige selbst ist als 16 poliges DIL Package mit 15,24 (6 * 2,54)mm Breite ausgeführt.

 

	Segment	Pin	Port	li <->re	Segment	Pin	Port
	A	15	C7		A	10	B4
	B	13	B1		B	12	B2
	C	1	C3		C	8	C0
	D	3	C5		D	6	C2
	E	2	C4		E	7	C1
	F	14	C6		F	11	B3
	G	16	B0		G	9	B5
	gem. Anode	4			gem. Anode	5

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Serielle Datenübertragung

Zur Kodierung und Übertragung der Daten kann auf das Modul SoftSPI zurück gegriffen werden. Diese Modul ist per Header so zu konfigurieren, dass die Signale wie folgt anliegen:

Port A0	SDO
Port A2	SCK

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Ausbaustufe 2: drahtlose Datenübertragung

Dieses Kapitel befindet sich noch im Aufbau.

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Konstruktion

Die Konstruktion soll auf möglichst einfach beschaffbaren Material basieren. Daher besteht die Konstruktion der Anzeigeeinheit aus einem Holzrahmen, Acrylglas- und Sperrholzplatten und Blechwinkeln. Der Bedieneinheit dient eine Doppel-CD-Hülle als Gehäuse.

Die Konstruktion muss die Elektronik der Anzeigeeinheit vor den Einflüssen des Wetters, z. B. Wind, Regen, Frost und Staub schützen, aber auch vor Vandalismus. Sofern die Anzeigeeinheit permanent im Außenbereich angebracht wird besteht in besonderem Maße die Gefahr, dass versucht wird diese zu beschädigen.

Anzeigeeinheit

Die Anzeigeeinheit besteht aus einem Rahmen, einer Platte zur Aufnahme der LEDs auf der Frontseite und der Elektronik auf der Rückseite, einer rückseitigen Abdeckung, einer Acrylglasplatte zur vorderseitigen Abdeckung.

Trägerplatte

Die Trägerplatte ist 555 x 240 mm groß und aus 3mm dickem Sperrholz, oder einem ähnlichen Material, das sich leicht bearbeiten lässt. Sie beherbergt auf der Vorderseite die LEDs und auf der Rückseite die Schaltung. Für jede LED sind zwei Löcher zu bohren, durch die die Anschlussdrähte gesteckt und auf der Rückseite auseinander gebogen werden. Die Bohrschablone kann im Maßstab 1 : 1 (DinA1) ausgedruckt und auf die Rückseite geklebt werden. Nach dem Bohren muss die Vorderseite matt schwarz lackiert werden, damit die LEDs einen hohen Kontrast zum Hintergrund haben.

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Inbetriebnahme

Erstes Foto:

Offene Punkte

Einstellige Darstellung ausreichend?

Die LEDs sind nach Stand 07.2009 wesentlicher Kostentreiber, da, um eine gewissen Anzeigenhöhe und damit Ablesbarkeit aus größerer Distanz zu erzielen, je Segment mindestens 10 LEDs erforderlich sind.

Um die Anzahl LEDs und damit die Kosten zu begrenzen ist vorgesehen, die Anzeige des Punkte­standes je Partei einstellig darzustellen. Im Amateurfußball können jedoch auch schon mal zweistellige Ergebnisse vorkommen. Ggf. kann hierzu die Anzeige um zwei Segmente zur Darstellung der „1“ im Zehnerbreich erweitert werden. Nach aktuellem Layout (10.07.09) sind hierzu zwei Segmente à 10 LEDs = 20 LEDs erforderlich, was die Gesamtmenge der LEDs auf 180 erhöhen würde (zzgl. ggf. bis zu 20 weiterer LEDs für den Doppelpunkt).

Entscheidung: Umsetzung der Zehnerstelle, jedoch mit zwei Segmenten à 12 LEDs, so dass die „1“ ähnlich hoch ist wie die restlichen Ziffern.

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