Intel Leibniz Challenge 2013
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04.03.2013 Bausatzbeschreibung Für diejenigen unter euch, die noch keine oder wenig Erfahrung mit elektronischen Bauteilen haben, ist im Folgenden eine kurze Erläuterung zu den Bauteilen des Bausatzes zu finden. Für einige Bauteile findet ihr dort auch einen „Link“ zum Datenblatt des Herstellers. Im Allgemeinen sind die Bauteile ganz einfach an ihrem Aufdruck zu identifizieren. Die Bauteileliste wird euch helfen, die Bauteile richtig zuzuordnen. Bei den fett gedruckten Bauteilen ist unbedingt auf die richtige Polung beziehungsweise Einbaurichtung zu achten! Einige der Bauteile werden mehrfach verwendet. Die Bauteile können alle ganz einfach in das mitgelieferte Steckbrett gesteckt werden. Ein Lötkolben ist nicht erforderlich. Schaut euch bitte die Beschreibung der Experimentierplatine genau an. Bei der Verwendung der Experimentierplatine werden oft Fehler gemacht, die unnötig Zeit kosten können. Experimentierplatine Die Experimentierplatine bzw. Steckplatine besteht aus einem Plastikgehäuse mit Steckplätzen, die unterschiedlich miteinander verbunden sind (vgl. Abb. 1): - - Jeweils außen auf beiden Seiten sind die Steckplätze längs miteinander verbunden, d.h. auf beiden Seiten befinden sich zwei durchgehende Reihen. Üblicherweise werden diese für die Spannungsversorgung verwendet, eine Zeile für „Plus“ und eine Zeile für „Minus“. Wichtiger Hinweis: Zwischen Position 29 bis 32 der beiden Außenreihen in der Mitte ist keine Verbindung zur nächsten Reihe. Im mittleren Teil sind die nummerierten Reihen quer zu den äußeren Zeilen miteinander verbunden, d.h. in Reihe 1 sind beispielsweise die Plätze A, B, C, D, E miteinander verbunden sowie die Plätze F, G, H, I, J. Die Verbindung verläuft nicht über die Mitte, also sind E und F nicht miteinander verbunden. Tipp: Es wird empfohlen, das Modul in die Reihen B-I und das Timer-IC in die Reihen E-F einzubauen. J I HGF + - EDCBA 60 1 5 55 10 50 15 45 20 40 25 35 30 30 35 25 40 20 45 15 50 10 55 5 60 1 + - - + ABCDE FGHIJ - + Abb. 1 Experimentierplatine 1 04.03.2013 Bausatzbeschreibung Integrierte Schaltungen (Allgemeine Hinweise) Integrierte Schaltungen bzw. Mikrochips (engl. Integrated Circuit, IC) sind auf einem sehr kleinen Stück Halbleitersubstrat untergebrachte elektronische Schaltungen. Es werden viele Halbleiterelemente und Grundbausteine der Elektronik zu einem einzigen Baustein zusammengefasst. Ein aufwändiger Aufbau auf einer gelöteten Leiterplatte oder auch auf einer Experimentierplatine wird dadurch vereinfacht. Ein Beispiel für integrierte Schaltungen sind die Mikroprozessoren, auf denen mehrere Millionen Bauteile auf einem winzigen Halbleiterchip integriert worden sind. Wichtig: - - Achtet besonders auf die korrekte Einbaurichtung (z.B. Kerbe an einer der kurzen Seiten) und den Anschluss der Versorgungsspannungen (+ und -) der integrierten Schaltungen. Der negative Anschluss der Versorgungsspannung (Minus) wird an GND (Ground) angeschlossen. Integrierte Schaltungen sind empfindlich gegen elektrostatische Entladungen. Stellt sicher, dass ihr euch „erdet“ bevor ihr eine integrierte Schaltung anfasst. Bitte lauft bei dem Aufbau der Schaltung möglichst wenig herum. Sollten sich größere Metallstrukturen (Heizungsrohre, Wasserleitung, metallene Elektrogeräte) in der Nähe eures Arbeitsplatzes befinden, dann könnt ihr diese kurz berühren um eventuelle elektrostatische Ladung auf eurem Körper „abzubauen“. Integrierte Schaltungen dürfen nicht bei anliegender Spannung gesteckt oder herausgezogen werden! Controller-Modul Das Herzstück des Bausatzes ist dieses Jahr ein speziell für die Intel® Leibniz Challenge angefertigtes Modul mit einem Mikrocontroller, drei Tastern, zwei LEDs (Leuchtdioden) und einem Luftdrucksensor. Es wird leider immer schwieriger, Bauteile zu finden, die direkt in das Steckbrett eingesetzt werden können. Viele Bauteile sind nur noch mit ganz kurzen Anschlüssen erhältlich und lassen sich nur direkt auf einer Platine verlöten. Der Luftdrucksensor beispielsweise hat überhaupt keine Anschlüsse mehr, die in das Steckbrett eingesetzt werden können. Wenn ihr von der Seite mit einer Lupe in den schmalen Spalt zwischen Platine und Sensor schaut, könnt ihr ganz kleine Lotkügelchen ausmachen. Sie stellen den elektrischen Kontakt her und halten das Bauteil auf der Platine fest. Das Modul wird mit den Stiftleisten an der Unterseite in das Steckbrett eingesetzt und über das mitgelieferte USBKabel mit dem PC verbunden. Durch diese Verbindung ist die Energieversorgung des gesamten Bausatzes gewährleistet, sodass das Modul die restlichen Bauteile mit einer Spannung von 3,3 V versorgt. Überdies kann durch die Verbindung der Mikrocontroller programmiert werden. PD0 PE5 + A7 A6 A5 A4 A3 A2 hPa USB Mikrocontroller + E0 E1 E2 E3 E4 F5 PD3 PD2 Reset Abb. 2 Controller-Modul (Ansicht von oben) Wichtig: Die drei Taster sind sehr empfindlich, sodass sie nur mit einem stumpfen, nichtleitenden Gegenstand (z. B. stumpfes Ende eines Streichholzes) betätigt werden dürfen. Fingernägel sind für das Betätigen der Taster nicht geeignet! Für zerstörte Taster kann kein Ersatz geliefert werden! 2 04.03.2013 Bausatzbeschreibung Datenblätter: - http://www.atmel.com/Images/doc8386.pdf (Mikrocontroller) http://cache.freescale.com/files/sensors/doc/data_sheet/MPL115A2.pdf (Luftdrucksensor) Timer-IC ICM7555 Die integrierte Schaltung ICM7555 ist eine Weiterentwicklung des legendären NE555. Bei dem NE555 handelt es sich um ein Bauelement, das als Zeit- oder Taktgeber genutzt und seit 1972 hergestellt wird. Da die Anwendungsgebiete dieses Bauteiles sehr vielfältig sind, ist diese Schaltung die weltweit am meisten verkaufte integrierte Schaltung. Die dem Bausatz beiliegende Variante zeichnet sich besonders durch die hohe Energieeffizienz und eine kleine Versorgungsspannung aus, die für den Betrieb notwendig ist. Mit vier weiteren passiven Bauteilen und einem Feuchtesensor wird diese integrierte Schaltung zu einem elektronischen Hygrometer ausgebaut. Kerbe 8 7 6 5 1 2 3 4 Pin 1 Abb. 3 ICM7555 (Ansicht von oben) Datenblatt: http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn28/fn2867.pdf Lichtsensor GA1A2S100LY Der Lichtsensor ist ein integrierter Schaltkreis mit einem Sensor und einer Korrekturschaltung, welche die logarithmische Kennlinie des Sensors intern in eine lineare Kennlinie umwandelt (linearisiert). Diese Korrektur ermöglicht es, dass der von der integrierten Schaltung gelieferte Ausgangsstrom durch den Mikrocontroller einfach verarbeitet werden kann. Der nutzbare Messbereich wird dabei in einem gewissen Bereich nur durch einen Widerstand bestimmt, der zwischen dem Ausgang IO und dem Masse-Anschluss GND geschaltet wird. IO IO GND GND VCC VCC Abb. 4 Lichtsensor GA1A2S100LY Datenblatt: http://sharp-world.com/products/device/lineup/data/pdf/datasheet/ga1a2s100ss_ly_e.pdf Hallsensor A1222LUA (inkl. Dauermagneten) Der Hallsensor A1222 ist ein Sensor mit einem integrierten Speicher, der Magnetfelder erfassen kann. Seinen Schaltzustand speichert er bis zum Erkennen des entgegen gerichteten Magnetfeldes oder Abschalten der Spannung. Wenn sich der Südpol eines Magneten in der Nähe der Vorderseite (Schrift) des ICs befindet, wird der Ausgang VOUT auf null Volt geschaltet. In diesem Zustand bleibt das IC auch nach dem Entfernen des Magneten. Erst wenn sich der 3 04.03.2013 Bausatzbeschreibung Nordpol eines Magneten in der Nähe von der Vorderseite des Sensors befindet, wird der Ausgang VOUT auf eine Ausgangsspannung von 3,3V geschaltet. Neben zwei Hallsensoren enthält der Bausatz der diesjährigen Intel® Leibniz Challenge zwei Dauermagneten, die für die „Steuerung“ der Hallsensoren verwendet werden. Θ UOUT UOUT GND GND VCC VCC Abb. 5 Hallsensor A1222LUA Datenblatt: http://www.allegromicro.com/~/media/Files/Datasheets/A1220-1-2-3-Datasheet.ashx Feuchtesensor HCH-100-001 Bei dem kapazitiven Feuchtesensor handelt es sich um einen Kondensator, der seinen Wert in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit seiner unmittelbaren Umgebung ändert. Im Gegensatz zum normalen Kondensator darf dieses Bauteil nicht direkt an die Spannungsversorgung angeschlossen werden. Es muss immer mit einer Schutzbe schaltung betrieben werden. Diese Schaltung wird in der entsprechenden Aufgabe vorgestellt. r Abb. 6 Feuchtesensor HCH-100-001 Datenblatt: http://sensing.honeywell.com/index.php/ci_id/54698/la_id/1/document/1/re_id/0 Temperatursensor B57871S0103F002 Bei dem Temperatursensor handelt es sich um einen Widerstand, der seinen Wert in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur ändert. Der B57871 ist ein NTC (Negative Temperature Coefficient Thermistor bzw. Heißleiter), sodass sein Widerstandswert mit steigender Temperatur sinkt. Der Hersteller (vgl. Datenblatt) bezeichnet den NTC als „leaded disk“, wobei dies nicht als Hinweis auf den Bleigehalt des Sensors, sondern als Hinweis auf die Tatsache verstanden werden soll, dass der Sensor eine betrahtete Scheibe ist. Abb. 7 Temperatursensor B57871S0103F002 Datenblatt: http://www.epcos.com/inf/50/db/ntc_09/LeadedDisks__B57871__S871.pdf 4 04.03.2013 Bausatzbeschreibung Widerstände Der elektrische Widerstand ist die Eigenschaft eines Materials den elektrischen Strom zu begrenzen. Für den elektrischen Widerstand wird die Einheit Ohm (Ω) verwendet. Gleichzeitig werden Bauteile als Widerstände bezeichnet, bei denen diese Eigenschaft im Vordergrund steht und die u. a. zwecks Begrenzung von Strömen in elektrischen Schaltungen eingesetzt werden. Die einzelnen Widerstände unterscheiden sich insbesondere durch deren Widerstandswert, der in Form von Ringen auf ihnen aufgedruckt wird. Abb. 8 zeigt das elektrische Symbol und ein Foto von einem Widerstand. Tab. 1 zeigt welche Bedeutung die Ringe haben, die auf einem Widerstand aufgedruckt sind. Abb. 8 Widerstand Tab. 1 Farbcode für Widerstände Ringfarbe 1. Ring 2. Ring 3. Ring (nur bei 4 Ringen) 3. bzw. 4. Ring (Multiplikator) 4. bzw. 5. Ring (Toleranz) Schwarz - 0 0 *1Ω Braun 1 1 1 * 10 Ω 1% Rot 2 2 2 * 100 Ω 2% Orange 3 3 3 * 1000 Ω bzw. * 1 kΩ Gelb 4 4 4 * 10000 Ω bzw. * 10 kΩ Grün 5 5 5 * 100000 Ω bzw. * 100 kΩ 0,5% Blau 6 6 6 * 1000000 Ω bzw. * 1 MΩ 0,25% Violett 7 7 7 * 10000000 Ω bzw. * 10 MΩ 0,1% Grau 8 8 8 - Weiß 9 9 9 - Gold - - - * 0,1 Ω 5% Silber - - - * 0,01 Ω 10% Es gibt Widerstände, die mit vier oder fünf Farbringen versehen sind. Das Ablesen des Wertes eines Widerstandes ist relativ einfach und wird an folgenden Beispielen demonstriert: - Ein Widerstand mit vier Ringen (Braun, Rot, Rot, Gold) hat den Wert 1,2 kΩ (12 * 100 Ω = 1200 Ω) und eine Toleranz von 5%. Die Hersteller geben die Toleranz an, da der tatsächliche Wert eines Widerstandes aufgrund von Herstellungstoleranzen von dem angegebenen Wert abweichen kann. In diesem Beispiel kann der Widerstand einen Wert zwischen 1,14 kΩ (1,2 kΩ – 5%) und 1,26 kΩ (1,2 kΩ + 5%) haben. - Ein Widerstand mit fünf Ringen (Blau, Grau, Schwarz, Schwarz, Braun) hat den Wert 680 Ω (680 * 1 Ω) und eine Toleranz von 1%. 5 04.03.2013 Bausatzbeschreibung Kondensator Der Kondensator gehört zu den Grundelementen elektronischer Schaltungen und besitzt die Fähigkeit, elektrische Ladung zu speichern. Diese Fähigkeit wird als Kapazität bezeichnet und hat die Einheit Farad (F). Für die im Bausatz verwendeten Keramikkondensatoren ist die Polung unerheblich. Abb. 9 Kondensator Verbindungsleitungen Wenn ihr eine Verbindung zwischen unterschiedlichen Halbreihen der Experimentierplatine herstellen oder auch eine Halbreihe mit Plus oder Minus (Masse) verbinden möchtet, müsst ihr mithilfe einer Verbindungsleitung eine Verbindung zwischen den Reihen herstellen. Dazu wählt ihr eine Verbindungsleitung aus dem mitgelieferten, vierfarbigen Sortiment und schneidet sie auf die richtige Länge. Die Enden der Verbindungsleitung müssen auf ca. 4-5 mm Länge abisoliert werden. Am besten erledigt ihr dies mit einer dafür vorgesehenen Abisolierzange (Abb. 10). Evtl. könnt ihr dies auch vorsichtig mit einem Seitenschneider tun. Vermeidet dabei das Einritzen des Drahtes, da dieser abbrechen und sein Ende in der Platine stecken bleiben könnte. In diesem Falle solltet ihr die Platine von dem PC trennen und das abgebrochene Drahtende vorsichtig mit Hilfe einer Pinzette entfernen. Abb. 10 Abisolieren einer Verbindungsleitung Kurze Checkliste Um die Zerstörung der Bauteile zu vermeiden, überprüft vor dem Verbinden der Batterie mit der Experimentierplatine folgende Punkte: - Polung der Bauteile: Integrierte Schaltungen (Kerbe), Controller-Modul, Licht- und Hallsensor - Aufbau: Sind alle Bauteile angeschlossen? Sind die Vorwiderstände richtig dimensioniert? Sind alle Anschlusspins der integrierten Schaltungen gerade und richtig gesteckt? Gibt es Kurzschlüsse, zum Beispiel durch Berührung der Bauteile? - Abschlusstest: Schaltung vor dem Einschalten noch einmal von jemandem (mit Sachverstand) anschauen lassen, der nicht zu eurer Gruppe gehört! Viel Spaß und Erfolg beim Schaltungsaufbau! 6
