Borg3d Bauanleitung

Achtung! Dies ist eine Baustelle!

Das Prinzip

Um die 8 x 8 x 8 LEDs einzeln anzusteuern greifen wir auf eine Matrixschaltung zurück, wobei es sich elektrisch gesehen bei dem Borg3d um eine 8 x 64 Anzeigematrix handelt. Das heisst konkret, dass zu jedem Zeitpunkt nur eine der 8 Ebenen aktiv ist, und 64 Leitungen die LEDs dieser Ebene individuell ansteuern können. In schneller Folge werden die 8 Ebenen aktiviert, jeweils das gewünschte Anzeigemuster auf die 64 LEDs gebracht. Nur Trägheit des menschlichen Auges lässt den Eindruck entstehen, dass LEDs unterschiedlichen Ebenen gleichzeitig aktiviert sind.

Die Darstellung unterschiedlicher Helligkeitsstufen wird dadurch erreicht, dass die entsprechende LED nicht in jedem Zyklus aktiviert wird. Wird eine LED z.B. nur bei jedem zweiten Durchlauf angesteuert, so wird sie, gemittelt über mehrere Zyklen, nur halb so viel elektrische Energie in Licht umsetzen wie eine, die bei jedem Durchlauf aktiviert ist -- also dunkler erscheinen. Allerdings ist die menschliche Helligkeitswahrnehmung nicht proportional zur Energie des Lichtstroms, den die LEDs emittieren -- auf diesen Zusammenhang werden wir später bei der Beschreibung der Software zurückkommen.

Die Hardware der Steuerplatinen

Als Mikrocontroller verwenden wir bei unseren Projekten bevorzugt einen Atmel ATMega32 oder ATMega644, dies sind die z.Z. grössten von Atmel verfügbaren Mikrocontroller im Lochrasterplatinen-freundlichem Dual-Inline-Package. Diese Mikrochips mit 40 Pins sind vollständige Computer mit einer 8 Bit RISC CPU, einigen Kilobyte RAM und 32 oder 64 Kilobyte Flash-Speicher für das Programm. Daneben haben sie sie eine Hand voll IO Komponenten wie z.B. eine serielle Schnittstelle oder Analog-Digital Konverter.

Diese Mikrokontroller bieten insgesammt 32 frei programmierbare Ein-/Ausgabepinne die wir benutzen um die oben erwähnten 8+64 Leitungen zu steuern. Wie steuert man mit 32 verfügbaren IO-Pins 72 Leitungen? Hier verwenden wir zwei unterschiedliche Strategien:

Für die 8 Ebenenansteuerungen benutzen wir ein 8-Bit-Schieberegister: Zu jedem Zeitpunkt soll nur eine Ebene aktiviert sein, und die Ebenen sollen der Reihen nach angesteuert werden. Dazu schieben wir eine 1 in den Eingang im ertsne Zyklus. In den kommenden 7 Zyklen schieben wir jeweils eine Null und lassen die 1 so durch das Schieberegister wandern. An den 8 Ausgängen sind MOS Fets als Leistungstreiber geschaltet, die jeweil

Die 64 Leitungen für die Spalten müssen dagegen wahlfrei möglichst schnell gesetzt werden. Wir benutzen 8 8-Bit breite FlipFlop Bausteine, deren Eingänge direkt mit 8 I/O-Pins unseres Mikrokontrollers verbunden sind. Der Mikrokontroller legt also die gewünschte Aktivität der ersten 8 von 64 LEDs auf seinen IO-Port und aktiviert das erste 8-fach FlipFlop; legt die Aktivität der nächsten 8 LEDs auf sienen IO-Port aktiviert das zweite 8-fach FlipFlop; usw. bis zum achten.

Bauteilliste für die Steuerung

Die Steurung besteht aus 2 Platinen: Eine mit dem Microcontroller und der Ebenenansteuerung, und eine Zweite mit den D-Flipflops für die Säulenansteuerung.

Bauteile für die Platinen

Anzahl	Beschreibung	Reichelt Bestell Code	Kosten
1	ATmega 32 Microcontroller	ATMEGA 32-16 DIP	3,10
1	Sockel für Controller	GS 40P	0,46
1	Quarz 16MHz	16,0000-HC49U-S	0,24
1	LED 5mm grün low current	LED 5MM 2MA GN	0,092
2	Lochraster Platine 160x100	H25PR160	3,60
1	Widerstand 1,5 k Ohm	1/4W 1,5K	0,10
1	Taster	TASTER 3301B	0,082
3	Wannenstecker, 10-polig	WSL 10G	0,216
4	36pol. Stiftleiste, gerade, RM 2,54	SL 1X36G 2,54	0,68
15	10pol. Buchsenleiste, gerade, RM 2,54	BL 1X10G8 2,54	3,39
1	Buchse für Netzteil	HEBW 25	0,20
1	Diode	1N4004	0,02
12	Kondensator 100nF	KERKO 100N	0,86
2	kondensator 27pF	KERKO 27P	0,082
2	Elko 470µF/16V	RAD 470/16	0,11
8	Mosfet Transistor	BUZ11	3,34
2	Schieberegister	74HC164	0,30
8	8 fach D-Flipflop	74HCT574	1,60
2	Sockel für Schieberegister	GS 14P	0,34
8	Sockel D-Flipflops	GS 20P	1,89
2	Pfostenbuchse, 10-polig	PFL 10	0,18
100	Widerstände 39 Ohm	1/4W 39	1,90
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LPT Programmier-Kabel

Mit diesem Kabel kann das Board über den Parallelport eines PCs programmiert werden.

Programmierung über LPT

Anzahl	Beschreibung	Reichelt Bestell Code	Kosten
10	Widerstände 330 Ohm	1/4W 330	0,33
1	Sub D Stecker 25 pol	D-SUB ST 25	0,10
1	Kappe für Stecker	KAPPE CG25G	0,13
1	Pfostenbuchse, 10-polig	PFL 10	0,09
1	Flachbandkabel AWG28, 10-pol., grau, 3m-Ring	AWG 28-10G 3M	1,85
			2,50

LEDs

Diese kann man nehmen z.B.

Anzahl	Beschreibung	Reichelt Bestell Code	Kosten
540	5mm LEDs Kingbright grün	LED 5MM 2MA GN	49,68

Zusätzlich

Anzahl	Beschreibung	Reichelt Bestell Code	Kosten
1	Steckerschaltnetzteil	SNT 2500	10,95
1	Versilberter Draht 0.8mm für Platinen, 7m	SILBER 0,8MM	1,80