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Dies ist der Projektbericht und aktuelle Stand meines Maturprojekts.
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Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 1
Projektbericht: LED-Uhr
Patrik Gumpold
5AEL – Technologische Fachoberschule Meran
„Oskar von Miller“
Maturaprojekt 2014/15
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 2
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 3
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!
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 4
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 5
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 6
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 7
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 8
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 9
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 10
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 11
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 12
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 13
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 14
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 15
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 16
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 17
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 18
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 19
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 20
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 21
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 22
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 23
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 24
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 25
Abbildung 2 Schieberegister Sekundenanzeige von 1 – 16
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 26
Abbildung 3 Schieberegister Sekundenanzeige von 16 - 32
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 27
Abbildung 4 Schieberegister Sekundenanzeige von 32 - 48
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 28
Abbildung 5 Schieberegister Sekundenanzeige von 48 – 60 und 4 Bits des ersten Segments
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 29
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)
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 30
Abbildung 7 Schieberegister der 4. Ziffer
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 31
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 32
Abbildung 9 Darstellung der Ziffer 1 der insgesamt vier 7-Segmente, das Ziehen der Wires wurde über die Verknüpfung der Wire-Namen vorgenommen.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 33
Abbildung 10 Ziffer 2 der 7-Segmente
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 34
Abbildung 11 Ziffer 3 der 7-Segmente
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 35
Abbildung 12 Ziffer 4 von 4
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 36
Abbildung 13 Beschaltung der Bedienplatine
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 37
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 38
Abbildung 2 Bauteilgruppen werden sortiert
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 39
Abbildung 3 Die Bedienplatine wurde als erstes geroutet
Abbildung 4 Der Kreis der Sekundenanzeige wurde gezeichnet
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 40
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 41
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 .
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 42
Abbildung 8 Die fertige Hauptplatine welche auch so hergestellt wurde
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 43
Abbildung 9 Board der Bedienplatine und der Sekundenanzeige, die Platine der Sekundenanzeige wurde sieben Mal kopiert und eingefügt
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 44
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 45
Abbildung 1
Abbildung 2
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 46
Abbildung 3
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Abbildung 4
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 48
Abbildung 5
Abbildung 6
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Abbildung 7
Abbildung 8
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 50
Abbildung 9
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 51
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 52
Abbildung 3 Ausschnitt aus dem LUT der Sekundenanzeige
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 53
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.
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 54
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
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 55
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
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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)
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 62
Maturaprojekt: LED-Uhr | Patrik Gumpold 63
Transistor BC337