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Digitaler Würfel mit Mikroprozessor ATtiny13



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Digital mit CMOS oder mit Mikroprozessor?

Bis hierhin haben wir den Aufbau, die Anwendung und die Vielseitigkeit von Digitalschaltungen kennengelernt. Wir könnten jetzt nach der CMOS-Veranstaltung damit fortfahren auch noch andere Familien kennenzulernen, die heute so erhältlich sind, um digitale Aufgaben zu erledigen. Z. B. TTL, LS-TTL, TTL-HC, TTL-HCMOS u.v.a.m. Das ist aber schrecklich langweilig, weil es immer dasselbe wie unser CMOS ist, also Gatter, Flipflops, Zähler, Decoder, Treiber. Das alles, was wir schon kennen, nur mit mehr Stromverbrauch und nur mit 5 V zu betreiben, wofür es keine Batterien zu kaufen gibt (nur vier hintereinandergeschaltete Akkus zu je 1,2 Volt). Also keine Langeweile, deswegen kommt jetzt was wirklich revolutionär Neues.

Indirekt und lautlos haben wir an den Experimenten auch eine Reihe von Prinzipien erlernt, die in der Digitaltechnik wirklich grundlegend sind, wie z. B. Das ist so das Instrumentarium, das es braucht, um die nächste digitale Hürde anzugehen: die Mikroprofessoren (die meisten nennen sie Mikroprozessoren, ich nicht). Die sind so etwas wie die Fortsetzung der Digitaltechnik mit noch mehr Flexibilität und Möglichkeiten.

Das wird jetzt kein Kurs in Mikroprofessortechnik, dann würde es zu arg ausufern. Das folgende Experiment soll nur den Mund dafür wässrig machen, was man in einem achtpoligen IC heute so alles unterbringen kann und wie man auch noch selbst darüber bestimmen kann, an welchem Pin welches Signal ausgegeben wird.

Damit es auch was Praktisches hat, das wir unseren Nachbarn, den digitaltechnischen Laien, freudig unter die Nase reiben können und das sie nirgends fertig kaufen können, bauen wir einen elektronischen W¨rfel. Im Gegensatz zu den langweiligen Klötzchen, mit denen wir die Aufgabe sonst erledigen, taumelt unser Würfel ein wenig herum und macht damit Würfelspiele noch spannender.

Und was das Schönste ist: die Teile für unseren Spezialwürfel kosten gerade mal 4 bis 6 €, also nicht gerade die Welt. Für so ein Designerteil, was sonst auf der Welt keiner hat, jedenfalls recht billig.

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Die Schaltung

Wer jetzt Oszillatoren, Zähler, Gatter erwartet hat, wird von der Schlichtheit der Schaltung enttäuscht sein. Das ist es schon:

Schaltbild Würfel

Die Schaltung besteht aus dem Mikroprozessor ATtiny13. An vier Pins sind über 100Ω-Widerstände sieben Leuchtdioden angeschlossen, deren Nummerierung aus dem folgenden Bild hervorgeht.

LEDs Würfel

Gewürfelt wird mit dem Taster, der an einen weiteren Pin des Prozessors angeschlossen ist.

Der Reset-Eingang des Prozessors ist mit einem 10k-Widerstand an die Betriebsspannung gelegt. Der Abblockkondensator von 100 nF sorgt für eine saubere Betriebsspannung.

Die Versorgung der Schaltung erfolgt aus zwei AAA-Batterien mit zusammen 3 V. Und auch noch auf den Schalter können wir verzichten wenn wir den Würfel nicht in ein Gehäuse einbauen und nach dem Spielen einfach die Batterien aus der Halterung nehmen.

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Die Bauteile

Die LEDs, den Taster und den Abblockkondensator 100 nF kennen wir schon.

Der Mikroprozesser ATtiny13

Das Unscheinbare Ding hier ist ein Mikrocomputer.

ATtiny13

Wie Computer? Sind das nicht die Teile in riesigen Metall- oder Plastikkisten mit Netzanschluss und Bildschirm? Und mit Riesenstromverbrauch? Nun ja, das "Mikro-" vor dem Computer heißt so viel wie "Kleinst-", also ein Kleinstcomputer.

Das Ding ist halb so groß wie unsere CMOS-Dinger, enthält aber ein Vielfaches an Einzelteilen, MOS-Transistoren und vieles andere mehr. Die wichtigsten Bestandteile, die wir beim Würfel tatsächlich verwenden: In der kleinen Kiste wären auch noch 64 langsame Speicher zu je acht Bits, 64 nicht-flüchtige Dauerspeicher zu je acht Bits (die ihren Inhalt auch ohne Stromversorgung für mindestens 20 Jahre lang behalten), vier AD-Wandler (die an den vier Pins anliegende Spannungen in eine 10 Bit breite Binärzahl umwandeln können), ein Vergleicher (der zwei Spannungen an zwei Pins vergleicht und kleiner oder größer als Ergebnis ausgibt), einen Wachhundzähler (der den Professor aufwecken kann, wenn er eingeschlafen ist) und eine vierpolige Programmierschnittstelle (mit der sich der Inhalt des Programmspeichers und des nicht-flüchtigen Speichers von außen manipulieren lassen). Alles das wird im Würfel gar nicht verwendet, liegt aber in dem 8-poligen IC herum und ließe sich bei Bedarf verwenden.

Und das alles zusammen hat einen Stromverbrauch von weniger als einem Milliampere, also mehr als zehn mal weniger als eine einzige LED. Also für Batteriebetrieb auch über lange Zeit gut geeignet. Deshalb macht der Würfel nach zwanzig Sekunden die Lampen aus.

Wer alles das Extrazeugs im Mikrocomputer verwenden will, kann sich die Verwendung in der Präsentation anschauen (mit elf Aufgaben und ihren Lösungen) und braucht zwei ganze Tage dafür das alles zu lernen. Online ist die Präsentation hier anzuschauen. Alles über diese Familie von Mikroprofessoren und ihre Programmierung in Assembler und viele einfache und kompliziertere Anwendungsbeispiele gibt es hier anzuschauen.

Die Widerstände 100 Ohm

Die Widerstände von 100 Ω sehen so aus:

100 Ohm

Die Ringe sind braun (1), schwarz (0), schwarz (0) und schwarz (keine zusätzliche Nullen).

Der Widerstand 10 kOhm

Der Widerstand von 10 kΩ sieht so aus:

10 kOhm

Die Ringe sind braun (1), schwarz (0), schwarz (0) und rot (zwei zusätzliche Nullen).

Die Batteriefassung

Die Batteriefassung für zwei AAA-Batterien sieht so aus:

Batteriefassung

Der zulässige Spannungsbereich des Mikroprofessors reicht von 2,7 bis 5,5 Volt. Die LEDs sind mit den Vorwiderständen so eingestellt, dass sie bei 3 V Betriebsspannung optimal leuchten. Bei mehr Spannung steigt der Strom unverhältnismäßig an.

Bauteilliste

Die für dieses Experiment benötigten Bauteile sind in der Bauteilliste für den Elektronikladen Zimmermann in Darmstadt und für den Versandhandel Reichelt aufgelistet.

Eine Ausnahme ist der Mikroprofessor. Der muss vorher programmiert werden, damit er würfeln tut. Das Programm dafür ist in Assembler geschrieben und kann hier im Quellcode heruntergeladen werden. Der Quellcode muss mit einem AVR-Assembler assembliert werden (z. B. mit meinem, der heißt wie ich, nämlich gavrasm, und den gibt es für DOS, Windoof und Linux, siehe Google). Die erzeugte Intel-Hex-Datei muss mit einem Programmiergerät und passender Software in den Flash-Speicher des Prozessors geschrieben werden.

Wer das nicht kann, kann mir drei Briefmarken zu je 55 Cent und einen fertig frankierten Briefumschlag mit der eigenen Adresse zusenden und ich sende dann einen fertig programmierten Chip zu. Meine Adresse steht auf der Titelseite.

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Aufbau der Schaltung

Der Aufbau erfolgt so:

Würfel mit Zwei

In diesem Bild ist ein Sechser gewürfelt.

Würfel mit Sechs

Beim Einschalten macht der Würfel alle Lampen an. Ist der Taster beim Einschalten gedrückt, dann unterlässt er das Taumeln (für Nervöse, die keine Aufregung vertragen).

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Wie es funktioniert

Wer genau wissen will, wie der Würfelprozessor funktioniert muss sich der Mühe unterziehen, den Quellcode anzuschauen. Das geht mit einem einfachen Texteditor. Ich habe extra viele Erläuterungen hineingeschrieben.

Das hier ist der Würfel beim Programmieren. Das Programmieren erfolgt in der fertigen Schaltung bei angeschlossener Batterie. Das Programmiergerät (hier ein ATMEL AVR-ISP MK II) ist über einen sechspoligen Stecker an den Prozessor angeschlossen. Das Programmiergerät zieht den RESET-Eingang auf Low und leitet damit den Programmiervorgang ein.

Würfel beim Programmieren

Der Programmiervorgang dauert weniger als zwei Sekunden. Danach geht der RESET-Eingang wieder auf High (durch den 10k-Widerstand) und das Würfelprogramm startet.

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©2012 by Gerhard Schmidt