Elektronik_Header_3LŘftersteuerung mit ESP-01

 

Elektronische W├╝rfel

Wer kennt nicht die elektronischen W├╝rfel in unterschiedlichsten Ausf├╝hrungen?

Schon vor vielen Jahren kamen erste elektronische Nachbildungen des guten alten W├╝rfels auf den Markt, Anfangs von T├╝ftlern entwickelt und als Bauanleitung in Elektor, Funkschau oder anderen Zeitschriften mit ├Ąhnlichem Anspruch ver├Âffentlicht, sp├Ąter, nachdem Firmen die Zeichen der Zeit erkannt hatten, auch als fertige Baus├Ątze oder auch komplett aufgebaut.

In den meisten Versionen sind mindestens 2 IC am werkeln, ein Z├Ąhler und ein Decoder/Treiber f├╝r die Anzeigen, die wie bei einem W├╝rfel mit 7 Augen angeordnet sind.

Der Z├Ąhler bekommt sein Eingangssignal von einem Taktgenerator der mit m├Âglichst hoher Frequenz (im Kilohertz- Breich) arbeitet, um "mogeln" durch gezieltes Loslassen des Schalters zu unterbinden. Der Z├Ąhler ist meist ein Bin├Ąr- oder Dezimalz├Ąhler dessen Ausgang mit einem Decoder verbunden wird, der die Umwandlung in einen Code vornimmt, der die Anzeige des Wurfergebnisses in Augenform wie bei einem normalen W├╝rfel erm├Âglicht.

Auf dem Weg vom normalen W├╝rfel aus Holz, Kunststoff oder Glas zum elektronischen Pendant kommt man irgendwann am Ende an die Aufgabe, die per Tastendruck erw├╝rfelte “Augenzahl” anzuzeigen. Um alle Zahlen von 1 bis 6 durch Punkte bzw. Leuchtelemente anzeigen zu k├Ânnen, ben├Âtigt man 7 Lichter, von denen sechs wie die sechs Augen beim normalen W├╝rfel angeordnet sind. Das siebte Licht liegt in der Mitte zwischen den sechs anderen Lichtern an der Stelle, wo beim normalen W├╝rfel das Einser-Auge sitzt.

AugenanordnungBildlich hat man sich das etwa so vorzustellen (wobei im richtigen Leben die “Augen” auf der Oberseite des W├╝rfels angeordnet sein werden).

F├╝r die 7 Lichter w├╝rde man also im ersten Ansatz 7 getrennte Ausg├Ąnge schalten m├╝ssen, f├╝r jedes Licht einen.

 

 

(Das Bild ist ├╝brigens mit dem Zeichenprogramm von OpenOffice.org erstellt).

Wenn man sich aber mal die m├Âglichen Augenzahlen eines W├╝rfels ansieht, dann erkennt man, dass man die Ansteuerung der Anzeigeelemente stark vereinfachen kann.

Es gelten folgende Regeln:

  • Der mittlere Punkt muss f├╝r jede ungerade Zahl leuchten (1, 3, 5)
  • F├╝r gerade Zahlen werden immer mindestens 2 Punkte gleichzeitig ben├Âtigt (2, 4, 6)
  • Ungerade Zahlen sind zusammengesetzt aus der n├Ąchst kleineren, geraden Zahl und der 1 (wobei die ebenfalls ungerade 1 eine Ausnahme ist, denn deren n├Ąchst kleinere, gerade Zahl ist die Null, die wir erstens nicht w├╝rfeln k├Ânnen und zweitens nicht darzustellen brauchen).
  • Die Punkte f├╝r die gew├╝rfelte 2 liegen diagonal gegen├╝ber...
  • ...was impliziert, dass die beiden anderen Punkte f├╝r die 4 ebenfalls auf diagonalen Ecken liegen.
  • Damit ergibt sich die Lage der restlichen beiden Punkte wie im unteren Bild mit 4 gekennzeichnet.

AugenschemaWir sehen, dass wir insgesamt nur 4 getrennt schaltbare Ausg├Ąnge ben├Âtigen, die die nach folgendem Schema (auf unserem auf der Seite liegenden Musterw├╝rfel, Bild rechts) angeordneten Lichter ansteuern:

F├╝r die 6 w├╝rfelbaren Zahlen werden die Ausg├Ąnge

  • 1                               f├╝r 1
  • 2                               f├╝r 2
  • 1 + 2                         f├╝r 3
  • 2 + 3                         f├╝r 4
  • 1 + 2 + 3                   f├╝r 5
  • 2 + 3 + 4                   f├╝r 6

verwendet.


Mein erster elektronischer W├╝rfel (~1970) war ein Bausatz mit IC-Grab (na ja, 3 ICs insgesamt :-), Netzteil, dicken Treibertransistoren mit Vorstufen und Gl├╝hl├Ąmpchen in Schraubfassungen f├╝r die Anzeige, den ich in ein Sperrholzgeh├Ąuse mit ca 10 cm Kantenl├Ąnge eingebaut habe. Das reichte gerade so, um die rechteckige Platine aufzunehmen , bot aber im “Untergeschoss” noch reichlich Platz f├╝r das Netzteil.Elektronischer W├╝rfel im Holzgeh├Ąuse, nahezu antik, ~1970

Da das Holzgeh├Ąuse liebevoll verklebt ist kann ich leider keinen Einblick gew├Ąhren.

Bemerkenswert ist vielleicht noch, dass alle Digitalfunktionen, also Multivibrator, Z├Ąhler und Decoder, bei diesem W├╝rfel mit NAND-Gattern von Typ SN 7401 realisiert sind. Die Spannungsversorgung (5V) f├╝r die ICs ist diskret aufgebaut mit Zener-Diode und Transistor... kaum zu glauben, aber funktioniert :-)

Der Trafo mit Netzanschluss ist nat├╝rlich sicher und elektrisch isoliert in einem eigenen Abteil des Geh├Ąuses untergebracht, der Aufbau erf├╝llt die Bedingungen f├╝r den Betrieb nach Schutzklasse II.


Der n├Ąchste Versuch in Richtung besserer Handhabbarkeit des elektronischen W├╝rfelersatzes war deutlich kleiner, auf Platinen in mehreren Ebenen aufgebaut, hatte aber immer noch jeweils ein IC f├╝r Z├Ąhler und Decoder sowie Transistoren als Treiber f├╝r die LEDs, die diesmal als Anzeige dienten. Ein besonderes Schmankerl war bei diesem W├╝rfel der Sensortaster.Miniw├╝rfel mit Tipptaster

Auch hierf├╝r habe ich ein Holzgeh├Ąuse gebaut, diesmal jedoch nur f├╝r den W├╝rfel. Das Netzteil war in diesem Fall extern und wurde ├╝ber einen Klinkenstecker angeschlossen.

Der auf diesem und dem n├Ąchsten Foto sichtbare schwarze “Dreckrand” ist mit weichem Bleistift aufgemalt und dient als Sensorfl├Ąche f├╝r den Tastschalter, der das W├╝rfeln ausl├Âst. Entgegen der Darstellung im Schaltbild wird hier nur der Kontakt an der Basis des ersten Transistors verwendet. Die durch den K├Ârper eingekoppelte Brummspannung reicht aus, um den Taktgenerator zu starten.

Miniw├╝rfel, InnenansichtHier ist der Aufbau der Elektronik mit den drei ├╝bereinander angeordneten Platinen gut zu erkennen.

Auf dem Geh├Ąuseboden sieht man den ersten Versuch, die Oberseite des W├╝rfels zu bohren.
Das Material war zu d├╝nn, die L├Âcher wurden zu gro├č, aber als Einlage zum Abstand einstellen tut die Platte trotzdem ihre Dienste :-)

Die elektrischen Verbindungen (Dioden, Widerst├Ąnde, Spannungsversorgung) dienen gleichzeitig zur mechanischen Verbindung der einzelnen Platinen.

Die Schaltung f├╝r diesen W├╝rfel stammt von Horst Schneider.

Schaltbild des Miniw├╝rfels            (Click auf das Bild f├╝r volle Aufl├Âsung)

Nachtrag 10/2019
K├╝rzlich hat makibox850 auf thingiverse eine M├Âglichkeit ver├Âffentlicht, mit einem 3D -Drucker ein passendes Geh├Ąuse f├╝r den kleinen Holzw├╝rfel zu erstellen.


Meine Idee, einen wirklich kleinen elektronischen W├╝rfel zu bauen, lie├č mich irgendwann mal zu einer sehr ausgefallenen L├Âsung greifen:
Ein Bin├Ąrz├Ąhler vom Typ SN 7492 bekam als "Taktgenerator" zwei einander so eben noch nicht ber├╝hrende Drahtst├╝cke verpasst, die Ausg├Ąnge des Decoders mussten direkt die Elemente einer LED 7-Segment-Anzeige treiben, die aber keine Zahl anzeigte, sondern deren einzelne Segmente als Augen missbraucht wurden. Die Anzeige war diesmal nicht einem normalen W├╝rfel nachempfunden (die 6 wurde als 0 dargestellt, die 5 als H, 1 als Minus, 4 als I I und so weiter. Der Trick: Einfach die Anzahl der leuchtenden Segmente der Anzeige z├Ąhlen), daf├╝r besticht die Schaltung durch geniale Einfachheit :-)
Dem W├╝rfel habe ich eine Klarsichtverpackung spendiert, deren Kantenl├Ąnge etwas mehr als der L├Ąnge des 14pin-IC-Geh├Ąuses entspricht. Und es war mein erster W├╝rfel mit nur einem IC :-)

Da die Ausg├Ąnge des 7492 nat├╝rlich nicht das passende Bitmuster f├╝r einen W├╝rfel mit 7 Augen liefern, muss noch ein Decoder dazwischen geschaltet werden. Da Z├Ąhler und Decoder 1:1 aus dem obigen Design entnommen sind, gilt nachfolgende Beschreibung auch f├╝r den vorhergehenden W├╝rfel.

Wir haben an den 4 Ausg├Ąngen des 7492 folgende Kombinationen von Pegeln f├╝r die 6 darzustellenden Zahlenwerte:

 

A

B

C

D

1

H

L

L

L

2

L

H

L

L

3

H

H

L

L

4

L

L

H

L

5

H

L

H

L

6

L

L

L

H

                                                         ( H entspricht Highpegel, L entspricht Lowpegel)

 

Der Decoder ist durch 7 Dioden (1N4148 oder DUS = Diode Universal Silizium) realisiert, die die 4 Ausg├Ąnge des 7492 mit den 7 LEDs entsprechend dem folgenden Schaltbild verbinden.Schaltbild meines ersten Ein-IC-W├╝rfelsDurch die Verbindung der beiden Ausg├Ąnge A und D mit jeweils den beiden Reset -Eing├Ąngen des 7492 wird beim Erreichen des Z├Ąhlerstandes 7 der Z├Ąhler auf Null zur├╝ck gesetzt. Um das Design einfach zu halten, wurde auf die Unterdr├╝ckung der Null als erw├╝rfelbare Zahl verzichtet. Wir denken uns in dem Fall einfach, der W├╝rfel w├Ąre vom Tisch gefallen oder l├Ąge irgendwo schr├Ąg an ;-))

Im Schaltbild sind die LEDs einzeln gezeichnet, im wirklichen Leben (dieses W├╝rfels) entsprechen die LEDs den einzelnen Segmenten der verwendeten 7-Segment-Anzeige, wie schon weiter oben beschrieben.

Dem aufmerksamen Beobachter wird auffallen, dass nirgends Vorwiderst├Ąnde f├╝r die LEDs eingezeichnet sind. Nun, das ist Absicht und entspricht der ausgef├╝hrten Schaltung. Es hat sich gezeigt, dass die Treiberstufen des SN 7492 in Serie mit einer Diode und mindestens einer LED bei 5 V Betriebsspannung nicht sofort kaputt gehen. Gleiches gilt f├╝r die LEDs. Da dar├╝ber hinaus ein Dauerbetrieb des W├╝rfels sowieso nicht geplant ist, sondern ich das Ganze als Machbarkeitsstudie betrachte, kann auf die Widerst├Ąnde zugunsten der Abmessungen des fertigen Produkts und der Einfachheit der Schaltung verzichtet werden. Diese ├ťberlegungen bitte bei einem Nachbau im Hinterkopf behalten und eventuell zur Sicherheit Serienwiderst├Ąnde f├╝r die LEDs vorsehen.

Gew├╝rfelt wird durch Klopfen mit der Fingerspitze auf das Geh├Ąuse. Die Ersch├╝tterungen ├╝bertragen sich auf die Innereien des W├╝rfels, wodurch sich die beiden Dr├Ąhte ber├╝hren, den Kontakt also schlie├čen und wieder ├Âffnen und dabei lustig prellen. Die Prellimpulse schalten den Z├Ąhler weiter. Einfach aber wirkungsvoll :-)

fertig eingebaut in Klarsichtgeh├ĄuseHier eine Ansicht des fertigen W├╝rfels.

Das Geh├Ąuse habe ich aus etwas st├Ąrkerer Klarsichtfolie gebastelt. Die Kanten wurden mit einem Messer am Stahllineal entlang eingeritzt und lie├čen sich so sehr genau knicken. Vorsicht, die Ritze nicht zu tief schneiden, sonst bricht der Kunststoff.

Die entsprechende W├╝rfelabrollung hat bestimmt jeder schon im Matheunterricht gezeichnet. An f├╝nf strategisch wichtigen Seiten wird jeweils eine Zunge zum Kleben angef├╝gt, schon kann das Ganze mit transparentem Alleskleber zugeklebt werden.

Die gesamte Schaltung “h├Ąngt” an dem 7-Segment-Display, welches ebenfalls mit Alleskleber an den Deckel des W├╝rfels geklebt ist.

 

 

In den Detailaufnahmen sieht man im linken Bild einen Teil des “Diodendecoders”, im rechten Bild ist als oberstes Element innerhalb des Geh├Ąuses die Drahtkonstruktion zu sehen (man erkennt zumindest rechts eine der ├ľsen, die ich in die Dr├Ąhte gebogen habe, damit sie leichter schwingen).

mechanischer Aufbau und Dioden-Decodermechanischer Aufbau und Prell-Kontakt

 


Jahre sp├Ąter, als ich beruflich viel mit sogenanten PALs (Programmable Array Logic) zu tun hatte, poppte der Gedanke an meinen Ein-IC-W├╝rfel wieder hoch.

Es sollte machbar sein, die Gleichungen f├╝r den Decoder, den Z├Ąhler und auch den Taktgenerator in ein 20poliges IC vom Typ GAL 16V8 zu implementieren. Gesagt, getan... schnell den PAL-Compiler angeworfen, ein bisschen Bool┬┤sche Umformung, eine kleine State machine und eine R├╝ckkopplung eingehackt, und schon konnte ich mit dem Verifier sehen, dass der Gedanke machbar ist :-)

Die PALs haben recht starke Ausgangsstufen, die locker 40 mA treiben, ich konnte also auf Treiberstufen f├╝r die LEDs der Anzeige leicht verzichten. Als einziges externes Element habe ich einen Taster zum Starten des W├╝rfelvorganges ben├Âtigt (im Bild rechts). Ach ja, Vorwiderst├Ąnde f├╝r die LEDs musste ich nat├╝rlich ebenfalls vorsehen. Weil noch Platz auf der Platine war, habe ich auch noch einen Ein-Aus-Schalter spendiert (der gelbe Schiebeschalter links).

W├╝rfel mit einem IC, PAL-DesignDas Ergebnis ist zwar gr├Â├čer als das Minimaldesign mit der 7-Segmentanzeige, daf├╝r aber eine echte Hightech-L├Âsung ;-))

...mit dem immanenten Nachteil von manchen Hightech-L├Âsungen:
Der Stromverbrauch eines PAL ist selbst bei QuarterPower-Typen noch drastisch.

Fast 100 mA muss das Netzteil liefern, wenn die h├Âchste Augenzahl angezeigt wird. Selbst ohne Anzeige verbr├Ąt ein PAL der damaligen Generation (~1989) schon 80 mA.
 

F├╝r Batteriebetrieb ist diese L├Âsung also nicht unbedingt geeignet.

F├╝r Neugierige gibt es das PAL-Listing in LOGIC-Syntax.


Inzwischen ist als weitaus bessere Alternative f├╝r einen Ein-IC-W├╝rfel die Verwendung eines PIC in SMD-Ausf├╝hrung mit ebensolchen Chip-LEDs denkbar. Das sollte sch├Ân klein und auch weniger stromhungrig aufzubauen sein... mal sehen, was sich da machen l├Ąsst ;-))

Und weil ich zwischenzeitlich das eine oder andere Design mit Atmel-Chips gemacht habe, habe ich auch mal einen ATtiny13 als Antrieb f├╝r einen SMD-W├╝rfel verwendet.

 


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