Elektronik-Projekt: Elektronischer Adventkranz


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Adventkranz im Betrieb

2. Schaltungsbeschreibung

Da die Schaltung zum elektronischen Adventkranz etwas umfangreicher ist wurde diese in zwei Teilschaltungen aufgeteilt:

  1. Mikrocontroller und Stromversorgung
  2. Schieberegister und LEDs

In dieser Reihenfolge erfolgt nun auch die Schaltungsbeschreibung.

Teil 1: Mikrocontroller und Stromversorgung

Die Abbildung 2.1 zeigt diesen Schaltungsteil.

Schaltung (Teil 1: Mikrocontroller und Stromversorgung)

Der Mikrocontroller (IC1) stellt die wohl wichtigste Komponente für dieses Projekt dar. Für diese Aufgabe wurde der Typ PIC16F87 ausgewählt. Dieser verfügt über eine ausreichende Anzahl an I/O-Pins, über ausreichend Programmspeicher, Datenspeicher und auch über einen nichtflüchtigen [1] Speicher. Weiters über eine vielfältige Anzahl an Hardwarefunktionen (Timer, I2C-Schnittstelle, RS232-Schnittstelle, usw.).

Eigenschaften des Mikrocontroller PIC16F87:

Weitere Eigenschaften:

Für den elektronischen Adventkranz wird jedoch nur ein geringer Teil dieser Eigenschaften benötigt.

Für die Takterzeugung dient eine Standardbeschaltung bestehend aus einem 20-MHz-Quarz (X1), zwei Kondensatoren (C3, C4) und einem Widerstand (R2).

Zur Erzeugung des Reset (für den Mikrocontroller) wurde ebenfalls eine einfache Standardlösung bestehend aus einem Widerstand (R1) und einem Elektrolyt-Kondensator (C1) gewählt. Da der Reseteingang des Mikrocontrollers (MCLR, Pin 4) auch gleichzeitig die Programmierspannung (ca. 13V) bei der ICSP-Programmierung ist, darf während einer Programmierung kein Reset ausgelöst werden. Durch die Diode D89 ist ein Reset durch das RC-Glied (R1 und C1) während einer Programmierung via ICSP nicht möglich.

Der Kondensator C2 dient zur Entkoppelung der Betriebsspannung für den Mikrocontroller. Für diesen Koppelkondensator sollte ein Keramiktyp verwendet werden. Dieser muss möglichst nahe an diesem IC angebracht werden.

Die ICSP-Schnittstelle[2] (K1) dient zur Programmierung (Brennen) des Mikrocontroller (IC1), wobei bei dieser Methode der Mikrocontroller nicht aus der Schaltung entfernt werden muss. (siehe auch Abschnitt 6 (Programmieren mit ICSP).

Mit den Tastern S1 bis S4 kann jede der vier "Kerze" unabhängig von den anderen eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Die Widerstände R3 bis R5 dienen hier als Pull-Up-Widerstände. Bei einem nicht gedrückten Taster (z.B. S1) liegt durch diesen Pull-Up-Widerstand (R3) am Portpin RB1 ein High-Pegel. Dieser wird durch das Drücken der Taste S1 auf low gezogen. Bei den Tastern S2 bis S4 gilt natürlich das gleiche wie für den Taster S1.

Die Stromversorgung besteht hier aus einer sehr einfachen Standardlösung. Ein Festspannungsregler (IC10) vom Typ 7805 übernimmt mit den Kondensatoren C13 bis C16 die Spannungsregelung. Als Spannungsquelle dient ein unstabilisiertes Universal-Steckernetzteil.
Die Diode D90 dient hier als Verpolungsschutz, und die Leuchtdiode D91 dient zusammen mit dem Strombegrenzungswiderstand R9 als Spannungskontrolle, falls der Jumper JP3 gesteckt ist.

Mit dem Schalter S5 lässt sich der Adventkranz einschalten bzw. ausschalten.

Die im Schaltplan (Abbildung 2.1) grau eingezeichneten Jumper (JP1 und JP2) mit den Pull-Up-Widerständen R7 und R8 sind für zukünftige Erweiterungen vorgesehen.

Teil 2: Schieberegister und LEDs

Die Abbildung 2.2 zeigt diesen etwas umfangreicheren aber sehr einfachen Schaltungsteil.

Schaltung (Teil 2: Schieberegister und LEDs)

Da der elektronische Adventkranz aus sehr vielen Leuchtdioden besteht (88 (!) Leuchtdioden, ohne der Spannungskontrolle D91) und alle (mit Ausnahme der acht roten Leuchtdioden je Kerze) unabhängig von den anderen ein- und ausgeschaltet werden, können diese nicht mehr "direkt" vom Mikrocontroller angesteuert werden. Eine so genannte Porterweiterung ist daher notwendig. Eine sehr einfache und für Leuchtdioden (und Lampen) sehr gut geeignete Methode ist die Verwendung von Schieberegistern (IC2 bis IC9, vom Typ 74HC595), die, so wie hier, auch hintereinander geschaltet (kaskadiert) werden können.
Für die serielle Datenübertragung vom Mikrocontroller zu den Schieberegistern sind drei Leitungen notwendig. Mehr zur Datenübertragung im Abschnitt 3 (Softwarebeschreibung).
Die grünen Leuchtdioden (D37 bis D88, diese bilden den Kranz) können direkt von einem Schieberegister-Ausgang mit je einem Vorwiderstand angesteuert werden, während die roten (D5 bis D36) und die gelben Leuchtdioden (D1 bis D4) mit je einem Schalttransistor (T1 bis T8) angesteuert werden müssen. Der Grund dafür ist, dass es sich bei den grünen Leuchtdioden um so genannte "low-current"-Typen handelt, die wenig Strom benötigen. Bei den roten und gelben Leuchtdioden aber um "Standard-Typen", da ich "Low-current"-Typen bei einer Baugröße von 10mm bzw. 20mm bei meinen Lieferanten nicht finden konnte.

Die Kondensatoren C5 bis C12 dienen auch hier zur Entkopplung der Betriebsspannung für die Schieberegister IC2 bis IC9 (also für jedes Schieberegister einen Koppelkondensator). Für diese Koppelkondensatoren sollten auch hier unbedingt Keramiktypen verwendet werden und diese müssen möglichst nahe bei den Schieberegistern angebracht werden.

Anmerkung zu den gelben 20mm-Leuchtdioden D1 bis D4:
Diese großen Leuchtdioden bestehen intern aus sechs Teilleuchtdioden, wobei drei in Serie und dazu jeweils eine parallel geschaltet sind. (siehe Abbildung 2.2, rechts oben). Die Angabe der Flussspannung UF (bzw. des Flussstroms IF) im Datenblatt ist etwas irreführend. Diese gelten nur für eine Teilleuchtdiode. Die Flusspannung der "Gesamt-Leuchtdiode" ist daher 3 x UF, also 3 x 2.1V = 6.3V, und der Flusstrom 2 x IF, also 2 x 30mA = 60mA. Als Betriebsspannung für die Leuchtdiode ist daher +5V nicht ausreichend, sodass hier als Betriebsspannung die Spannung vor dem Spannungsregler (IC10) verwendet wird. Weiters müssen diese Leuchdioden mit je einem Schalttransistor (T1 bis T4) eingeschaltet werden, da auch der "gesamte" Flusstrom durch diese Leuchtdioden mit 60mA zu gross für die Schieberegister sind, und weil die Betriebsspannungen von Leuchtdiode und Schieberegister unterschiedlich sind.

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1 Unter einem nichtflüchtigen Speicher versteht man einen Speicher, der seine Werte beim Ausschalten des Gerätes beibehält. Diese Speicherart hauptsächlich für Geräteeinstellungen verwendet.

2 ICSP steht für In-Circuit-Serial-Programming

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Autor: Stefan Buchgeher
Erstellt: 24. Januar 2010
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