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Aufbauanleitung für ein NachBau_V02-Board

Was ist ein NachBau_V02-Board?

Das NachBau_V02-Kit ist ein LED-Treiber für eine Matrix von bis zu 16x16 LEDs. Es eignet sich für den Aufbau von niedrig Aufgelösten Spielen oder Leuchtschildern.

Diese Anleitung ist nur noch zur Dokumentation da. Für das NachBau_V02-Board gibt es einen Nachfolger.

NachBau_V03-Anleitung

Bausatz

Das NachBau_V02-Board gibt es nicht mehr, sein Nachfolger ist das NachBau_V03-Board. Eine Platine und einen Bausatz für ein NachBau_V03-Board gibt es bei Elmotex.

NachBau_V03-Platine

NachBau_V03-Bauteilsatz

Wie funktioniert das?

Das NachBau_V02-Board treibt eine 16x16 Pixel-Matrix durch Multiplexing. Für den Menschen erscheinen die schnell durchgeschalteten Zeilen wie ein stehendes Bild. Diesen Effekt nennt man Nachbildwirkung.

Nachbildwirkung bei Wikipedia

NachBau_V02: Einleitung

1. Einleitung

Diese Anleitung beschreibt den Aufbau des NachBau_V02-Kits.

Von dem NachBau_V02-Kit gibt es verschiedene gleichwertige Chargen. Die einen haben eine weiße Platine, die anderen eine schwarze Platine. Sie sind völlig identisch. Hier haben wie im weiteren Verlauf eine schwarze genommen.

NachBau_V02: Die Patine

2. Die Patine

Die Platine des NachBau_V02-Kits in schwarz.

NachBau_V02: Uhrenquarz anlöten

3. Uhrenquarz anlöten

Zunächst löten wir den kleinen Uhrenquarz ein (X2). Dieser muß plan an der Ground-Plane anliegen, da wir ihn im nächsten Schritt daran anlöten müssen. Damit er plan liegen bleibt, befestigen wir ihn mit etwas hitzebeständigem Klebeband.

NachBau_V02: Uhrenquarzgehäuse anlöten

4. Uhrenquarzgehäuse anlöten

Nachdem der Quarz eingelötet ist, löten wir mit Hilfe des Lötfetts (siehe vorheriges Bild) das Gehäuse des Quarzes an die Ground-Plane. Der Quarz muß flach anliegen und darf nicht in Lötzinn ertränkt werden.

Damit wir es nicht vergessen verzinnen wir gleich noch den Mittelkontakt der Batterie. Einfach etwas Lötzinn aufbringen.

Dann reinigen wir den Quarz und den Mittelkontakt der Batterie mit Isopropanol (z.B. Teslanol® Isopropanol, Aktiv-Reiniger, 1000ml), es darf kein Lötfett übrig sein.

NachBau_V02: Warnung

5. Warnung

Dieser Schritt wird häufig unterschätzt, ist aber wichtig. Wenn das Quarzgehäuse nicht an der GND-Plane angelötet ist, läuft die Echtzeituhr häufig nicht an. Die Lötdauer darf aber 1,5 Sekunden nicht überschreiten!

Das war der kritischte Punkt des Aufbaus, jetzt geht es entspannt weiter.

NachBau_V02: Die 6,8 Ohm-Widerstände

6. Die 6,8 Ohm-Widerstände

Jetzt werden die 16 6,8 Ohm-Widerstände eingelötet (R12-R27). Diese Widerstände begrenzen den Strom der LEDs in der Matrix. Da die Matrix im Multiplexing-Verfahren betrieben wird, also die LEDs immer nur kurz leuchten, müssen die Widerstände nicht so hoch sein.

Sollte man die später erläuterte Funktion nutzen, und die Spannung an den Verstärker-Chips erhöhen, muß man eventuell andere Widerstände einlöten. Also am besten vorher überlegen, wie die Platine genutzt werden soll.

Bei der Verwendung von sehr guten LEDs kann man statt Widerständen auch Brücken einlöten.

NachBau_V02: Die Zener-Diode D4

7. Die Zener-Diode D4

Als nächstes kommt die Zener-Diode dran (D4). Sie hat eine Polarität und muß in der richtigen Richtung eingelötet werden. Sie hat einen Streifen am Gehäuse, das kleine Bild auf der Platine hat auch so einen Streifen. Über sie wird der DCF77-Empfänger mit 3,3 Volt versorgt.

NachBau_V02: Die Sperrdiode D5

8. Die Sperrdiode D5

Dann kommt die Sperrdiode (1N4007) dran (D5). Auch sie hat eine Polarität und muß in der richtigen Richtung eingelötet werden. Sie hat einen Streifen am Gehäuse, das kleine Bild auf der Platine hat auch so einen Streifen. Sie schützt die Schaltung, wenn man die Polarität der Spannungsversorgung vertauscht hat.

NachBau_V02: Der 16 MHz-Quarz X1

9. Der 16 MHz-Quarz X1

Jetzt wird der 16 MHz-Quarz eingelötet (X1). Er erzeugt den Takt für unseren Mikrocontroller. Das mittlere Loch bleibt dabei frei.

Eventuell hat Ihr Kit keinen Quarz, sondern einen 16 MHz-Resonator. Dieser hat drei Beine und wird dementsprechend in die drei Löcher gelötet.

Dann muß der nächste Schritt übersprungen werden.

NachBau_V02: Die 22 pF-Kondensatoren

10. Die 22 pF-Kondensatoren

Zu dem Quarz (X1) werden dann zwei 22 pF-Kondensatoren gelötet (C11, C12). Sie bilden mit dem Quarz den Schwingkreis für die 16 MHz.

Dieser Schritt darf nicht ausgeführt werden, wenn man einen Resonator verwendet. Ein Resonator enthält bereits die zwei Kondensatoren.

NachBau_V02: Die IC-Sockel

11. Die IC-Sockel

Die IC-Sockel werden jetzt eingelötet. IC-Sockel haben an einer schmalen Seite eine Einkerbung, eine Art Nase. Diese Nase muß auf die Seite zeigen, die auf der Platine markiert ist (die Sockel für die 74HC595-Chips zeigen nach rechts, der Rest nach links).

NachBau_V02: Batteriehalter fixieren

12. Batteriehalter fixieren

Der Batteriehalter (BT1) für die CR2032-Batterie hält nicht von alleine, wir verwenden hier wieder den Trick mit dem Klebeband.

NachBau_V02: Batteriehalter anlöten

13. Batteriehalter anlöten

Die kleine Batterie versorgt die DS1307-Echtzeituhr mit Strom, falls die Hauptstromversorgung ausfällt. Dadurch bleibt die Uhrzeit auch über einen Stromausfall hinweg erhalten.

NachBau_V02: Spannungsregler fixieren

14. Spannungsregler fixieren

Gleiches gilt für den Spannungsregler (U9). Er soll plan mit seiner Metallplatte auf dem Feld Open Hardware zum Liegen kommen, so kann er die Wärme über die Platine ableiten.

NachBau_V02: Spannungsregler anlöten

15. Spannungsregler anlöten

Der Spannungsregler regelt die Eingansspannung (7,5-12 Volt) auf 5 Volt herunter. Da er überschüssige Spannung in Wärme umwandelt biete sich ein 7,5 Volt-Netzteil zur Versorgung an. Mehr Volt bedeutet mehr unnötig als Wärme abgeleitete Leistung.

Der Regler kann erst ab 7 Volt richtig regeln. Wenn ein 5 Volt-Netzteil zur Verwendung kommt, muß er entfallen!

NachBau_V02: Die Entstörkondensatoren

16. Die Entstörkondensatoren

Jetzt werden die 100 nF-Entstörkondensatoren eingelötet (C1, C3, C4, C5, C6, C7, C9, C10, C13, C14, C15). Sie haben keine Polung, die Richtung ist also egal.

NachBau_V02: Der 220 Ohm-Widerstand R29

17. Der 220 Ohm-Widerstand R29

Als nächstes wird der 220 Ohm-Widerstand (R29) eingelötet. Er bildet mit der Zener-Diode zusammen den Spannungsteiler für die 3,3 Volt-Versorgung des DCF77-Empfängers.

NachBau_V02: Die 4,7 kOhm-Widerstände

18. Die 4,7 kOhm-Widerstände

Dann kommen die 4,7 kOhm-Widerstände an die Reihe (R6, R7, R30).
R6 und R7 ziehen die logischen Spannungspegel der Echtzeituhr auf Vcc, solange kein Signal anliegt. R30 schaltet die Ausgänge der Shift-Register aus, bis sie korrekt initialisiert worden sind.

NachBau_V02: Die 1 kOhm-Widerstände

19. Die 1 kOhm-Widerstände

Die 1 kOhm-Widerstände (R8, R9, R31) begrenzen den Strom für die Status-LEDs. Achtung, 1 kOhm und 10 kOhm-Widerstände sehen sich sehr ähnlich.

NachBau_V02: Die 10 kOhm-Widerstände

20. Die 10 kOhm-Widerstände

Die 10 kOhm-Widerstände (R1-R5) ziehen den logischen Spannungspegel der Taster auf Ground. R5 wird dabei nur benötigt, wenn die Enter-Taste Verwendung finden soll.

R28 (10 kOhm) ist ein Pull-Up-Widerstand für die Echtzeituhr und muß eingelötet werden.

R10 (10 kOhm) ist der Widerstand für den Spannungsteiler mit dem lichtabhängigen Widerstand.

NachBau_V02: Die Taster

21. Die Taster

Jetzt kommen die Taster an die Reihe (SW1-SW5). Auch hier wird SW5 (Enter) nur benötigt, wenn die Enter-Taste Verwendung finden soll.

Über jedem Taster finden sich zwei eng beieinander liegende Löcher. Über diese Löcher kann auch geschaltet werden, z.B. wenn zusätzlich Taster im Gehäuse untergebracht werden sollen.

Zum Testen der Platine sollten die Taster auf jeden Fall eingelötet werden.

NachBau_V02: Die Status-LEDs

22. Die Status-LEDs

Der nächste Schritt sind die drei Status-LEDs (D1, D2, D3). LEDs haben eine Polarität. Die Kathode gehört in das Loch am unteren Rand mit der Markierung. Die Kathode erkennt man am kürzeren Bein und der abgeflachten Gehäuseseite.

Die Farben sind
PWR = Power = Rot
GRN = Green = Grün
YEL = Yellow = Gelb

NachBau_V02: Die Hohlstecker-Buchse

23. Die Hohlstecker-Buchse

Jetzt wird die Hohlstecker-Buchse (P20; DC_IN) eingelötet. Sie ist center positive verschaltet, der Pin in der Mitte ist also Plus (Vcc). Das ist für die Auswahl des Netzteils wichtig.

NachBau_V02: Die Elektrolyt-Kondensatoren

24. Die Elektrolyt-Kondensatoren

Dann kommen die beiden Elektrolyt-Kondensatoren an die Reihe (C2, C8). Das sind die fetten Kondensatoren. Sie haben eine Polarität. Ein Bein ist jeweils am Gehäuse mit - gekennzeichnet. Der Minus-Pol von C2 muß nach rechts zeigen, der von C8 nach links. Die Minus-Pole sehen sich also an.

Auf der Platine sind bei den Plus-Polen zwei Löcher, weil mache Kondensatoren einen etwas größeren Beinabstand haben. Man nimmt einfach das Loch, das am besten passt.

Diese Kondensatoren glätten die manchmal etwas unsaubere Eingansspannung und stabilisieren den Spannungsregler.

NachBau_V02: Pinheader und Jumper

25. Pinheader und Jumper

Zu guter Letzt kommen die Pinheader und Jumper.

Mit K1 (PWR_SEL) kann man zwischen Stromversorgung über USB (bei Verwendung eines FTDI-Kabels) und Stromversrgung über das Netzteil umschalten (USB<->Wall).

Mit K2 (LED) kann man entscheiden, ob die Verstärker-Chips (UDN2981A) mit 5 Volt oder der externen Spannungsversorgung betrieben werden sollen (5V<->Vext). Bei einer externen Spannung werden die LEDs heller. Sie darf dann aber 7,5 Volt nicht überschreiten, sonst fangen auch nicht eingeschaltete LEDs an zu glimmen.

Über P7 (FTDI) kann ein FTDI-Kabel anschließen und den Mikrocontroller neu bespielen.

Über P13 (ISP) kann man einen ISP-Header anschließen und den Mikrocontroller neu bespielen.

An P1 (DCF77) kann ein DCF77-Empfänger angeschlossen werden.

NachBau_V02: Abschlußarbeiten

26. Abschlußarbeiten

Wenn man fertig ist, muß die Platinenrückseite mit Isopropanol (z.B. Teslanol® Isopropanol, Aktiv-Reiniger, 1000ml) von Flußmittelresten befreit werden. Diese führen ansonsten mit der Zeit zu Korrosion.

So sollte die Platinenrückseite aussehen.

NachBau_V02: Chips bestücken

27. Chips bestücken

Jetzt werden die Chips bestückt. Die Chips haben eine Nase. Diese muß mit der Nase der Sockel übereinstimmen.

NachBau_V02: Das fertige Board

28. Das fertige Board

Es sind jetzt noch ein paar Bauteile übrig. Den LDR (lichtabhängigen Widerstand) haben wir nicht eingelötet, weil er typischerweise irgendwo im Gehäuse verbaut und verkabelt wird.

Auch ein paar Anschlüsse haben wir noch nicht besprochen. Mit P41 (STACK_L) und P42 (STACK_R) kann man mehrere NachBau_V02-Boards miteinander verketten und so größere Displays aufbauen. Die Anschlüsse um die Echtzeituhr herum kann man verwenden, um statt der DS1307 einen ChronoDot zu verbauen.

Falls die LED-Matrix als Uhr betrieben werden soll, befinden sich hier eine Firmware und Anleitung: Downloads.

Wie geht es weiter?

Anwendungsbeispiele für das NachBau_V02-Board gibt es in der Galerie im Diskussionsforum (Link oben auf dieser Seite).

Bezugsquellen für diverse gefräste Gehäuse finden sich dort auch, ebenso Hinweise über den Bezug der Frontplatte.

zum Diskussionsforum

Stückliste

Name Art Quelle
X1 Quarz; 16 MHz Reichelt
X2 Uhrenquarz; 32,768 kHz; 12,5 pF Reichelt
D1 LED; grün; 5 mm Reichelt
D2 LED; gelb; 5 mm Reichelt
D3 LED; rot; 5 mm Reichelt
D4 Zener-Diode; 3,3 V Reichelt
D5 Sperrdiode; 1N4007 Reichelt
C1, C3-C7, C9-C10, C13-C15 Kondensator; 100 nF Reichelt
C11, C12 Kondensator; 22 pF Reichelt
C2, C8 Elektrolytkondensator; 100 μF Reichelt
R12-R27 Widerstand; 6,8 Ohm Reichelt
R6, R7, R30 Widerstand; 4,7 kOhm Reichelt
R8, R9, R31 Widerstand; 1 kOhm Reichelt
R1-R5, R10, R28 Widerstand; 10 kOhm Reichelt
R29 Widerstand; 220 Ohm Reichelt
R11 Lichtabhängiger Widerstand; 10 kOhm Reichelt
SW1-SW5 Kurzhub-Taster, aufrecht stehend Reichelt
BT1 Batteriehalter CR2032 Reichelt
P20 Hohlstecker; 2,1 mm Reichelt
U7, U8 Darlington-Arrays; UDN2981A Reichelt
U1, U2, U4, U5 Shift-Register; 74HC595 Reichelt
U3 Mikrocontroller; ATMEGA328-PU Elmotex
U6 Echtzeituhr; DS1307 Reichelt
U9 Spannungsregler; 5V Reichelt
Optionale Bauteile
Pinnleisten Reichelt
Kurzschlußbrücken Reichelt
Netzteil; 7-12 Volt Reichelt
Knopfzelle; CR2032 Reichelt
Programmierung des Mikrocontrollers
USB-BUB II Jee-Labs