Dieses Projekt enstand als Beitrag zum Wettbewerb "Jugend entwickelt Elektronik"
der Fachzeitschrift "funkamateur". In Zusammenarbeit mit meinem Bruder entwickelte ich
eine Elektronik, basierend auf der Basic Stamp 2,
um Wertungen während eines Judowettkampf
zu erfassen und darzustellen. Beim Wettbewerb belegten wir den zweiten Platz.
Aktuell:
Es gibt noch Probleme mit der großen Anzeigetafel. Scheinbar übersteuern wir die Anodentreiber so stark, dass die
Speicherzeit sich enorm verlängert. Im Klartext: die Treiber schalten nicht schnell genug ab, wodurch die Ausgabe
mehrerer Stellen überlagert erscheint. Sobald ich Zeit habe, probiere ich MOSFETs als Treiber aus.
Die elektronische Tafel soll die Zeit nehmen. Sie muss also eine Start-Stop-Funktionalität
für die Kampfzeit zur Verfügung stellen. Zusätzlich soll die Haltezeit gestoppt werden.
Die Kampfzeit läuft parallel dazu weiter. Maximale Haltezeit sind 25 Sekunden. Die maximale
Kampfzeit beträgt 3 oder 5 Minuten. Die beiden Zeiten müssen wählbar sein.
Wertungen
sollen sehr einfach erfasst aber auch wieder korrigiert werden. Pro Kämpfer
fallen drei verschiedenen Wertungen und drei Strafen an. Fehleingaben müssen abgefangen werden.
Ein deutliches Signal/Zeichen sollte klarstellen, ob die Zeitmessung geraude pausiert.
Wettbewerb: Der Mikrocontroller Basic Stamp 2 soll verwendet werden. Es sind keine weiteren
Controller erlaubt. In der Funkamateur
wurde eine Platine vorgestellt mit der die Funktionalität des Original-Moduls ohne
SMD-Bauteile nachgebildet wird. Nährere Infos:
Sander-electronic.de.
2. Umsetzung
Für jede Wertung jedes Kämpfers gibt es eine Taste und eine Anzeige. Die drei Strafen sind
als LED-Punkte aufgebaut.
Die jeweilige Anzeige wird unmittelbar bei
Tastendruck inkrementiert. Hält man während des Tastendruck die Zurücktaste, dekrementiert die
Tafel diese Wertung. Eine Rückgängigtaste (Undo) macht die letzte Änderung ungeschehen.
Ein Binärzahler, in Hardware realisiert, hält die Zeit in 1/128 Sekundenschritten fest. Der
Mikroprozessor speichert bei Beginn der Haltegriffzeit die aktuelle Zeit und stellt danach
die Differenz der aktuellen zur gespeicherten Zeit dar. Ein Schiebeschalter an der Seite
ermöglicht es, die Länge der Kampfzeit festzulegen.
Für die Kampfzeit haben wir drei Ziffern und für die Haltezeit zwei Ziffern genommen. Ein
LED-Punkt neben der Kampfzeit
informiert über den Pausestatus.
2.1 Bussystem
Wir haben uns für einen Datenbus mit 8 parallelen Leitungen sowie einen Adressbus aus 4 Leitungen
entschieden. Die Basic Stamp 2 stellt ingesamt 16 Ports zur Verfügung. Uns blieben noch 4 Ports
zur direkten Ansteuerung der Pause-LED,
des Summers und der Taktfreigabe des Zählers. Ein
Demultiplexer
am Adressbus aktiviert das Gerät mit der gewünschten Adresse. Eine Adresse bleibt gezielt
ungenutzt. Immer zwei Ziffern haben die gleiche Adresse. Der Datenbus wird bidirektional betrieben,
wir lesen und schreiben also darauf. Für die Großanzeige sind der Daten- und Adressbus nach außen geführt.
2.2 Sieben-Segment-Anzeigen
Jede Anzeige wird über den Standardlogikbaustein 74HC4511 gesteuert. Er ist ein
BCD-Dekoder,
Zwischenspeicher und LED-Treiber.
Das heisst, dass er die darzustellende Zahl in 4 Bit-Darstellung
entgegennimmt und dann die sieben Segmente ansteuert. Durch den Zwischenspeicher behält er die
Zahl bis zur nächsten Aktualisierung. Jeweils zwei Ziffern (2x4 Bit) teilen sich den 8 Bit-Bus.
2.3 Tasten
Bei den Tasten haben wir uns für recht hochwertige Modelle von Conrad (Artikel-Nr.: 709140 - 62) entschieden. Sie sind robust
und zudem Umschalter, es sind also immer zwei der drei Anschlüße verbunden. Bei mechanischem Druck
prellen Tasten immer. Auf der Leitung
ist das so, als ob die Taste mehrmals gedrückt und wieder
losgelassen wird. Unsere Entprellung geschieht durch RS-Flipflops.
Die Taste zieht den jeweiligen FF-Eingang
auf An. Über Pullup/Pulldown-Widerstände (je nach Flipflop) werden beide Eingänge auf Aus gesetzt.
Das erste Signal am Eingang triggert das Flipflop. Nachfolgende Impulse durch das Prellen sind
irrelevant, da nur der andere Eingang den Zustand ändern kann.
2.4 Aufbau
Die Schaltung ist auf fünf Lochrasterplatinen im Euroformat verteilt. Zwei davon bilden die Hauptplatinen
mit Tastenentprellung, Zähler etc. Dort wird die Basic Stamp angeschlossen. Für jeden Kämpfer
und die Zeit bauten wir eine eigene Platine um diese direkt hinter die Plexiglasscheibe zu
montieren. Die Tasten sind auf kleinen Platinenresten aufgelötet. Untereinander haben wir die
Platinen mit 14 bzw. 22-poligem Flachbandkabel verbunden. Die Tasten sind über einfache
Steckverbinder mit langen Kabeln integriert. Für die Verbindung zur Großanzeige hält ein Kabel
aus dem PC-Bereich her: normalerweise führt es den Parallelport vom Motherboard zum Slotblech.
3. Großanzeige
Für die Kampfrichter und andere, z.b. die Trainer, werden die Wertungen sowie ggf. die Kampfzeit
und die Haltezeit auf einer großen Anzeige dargestellt. Die Anzeige wird über ein einfaches
Parallelkabel (vom Drucker/Scanner) an das Pult angeschlossen und zeigt dieselben Werte an
wie das Pult. Wenn gewünscht können einzelne Ziffern, z.b. die Zeit, weggelassen werden.
3.1 Komponenten
Die Großanzeige besteht aus ca. 1000 roten LEDs,
32 steuerbaren Konstantstromquellen, 22
Anodentreibern, der Steuerelektronik und einer eigenen Stromversorgung. Da die Anzeige nicht
zum Wettbewerb gehört, verwenden wir hier den Mikrocontroller
Atmega 8515. Seine 35 verfügbaren
digitalen Ein-/Ausgänge ermöglichen es, ohne weitere Logikbausteine die Signale des Pults
zu empfangen und gleichzeitig die Stromquellen und die Anodentreiber zu schalten.
3.2 Ansteuerung der Segmente
Die Segmentanzeigen sprechen wir im Zeitmultiplexverfahren
an. Jeweils zwei Anzeigen werden
kurzzeitig über die Anodentreiber angeschaltet, dann die nächsten zwei usw. bis wieder die
anfänglichen Anzeigen leuchten. Jede Segmentanzeige braucht zwei Anodentreiber, die den gesamten
Strom durch die jeweilige Anzeige verkraftet. Jedes Segment hängt an zwei Stromquellen,
parallel mit bis zu 6 anderen Segmenten. Jeweils 6 bzw. 7 LEDs sind in Reihe geschaltet.
Es sind dann 30 Stromquellen, wobei 14 Segmente und 2 Punkte parallel
leuchten sollen (Schematische Darstellung) Die Punkte
benötigen nur eine Stromquelle, jedes Segment jedoch zwei, da ein Segment aus einer 6er- und einer
7er-Reihe LEDs besteht..
3.3 Anbindung an das Pult
Die erste Version des Bedienpults führt den 8 Bit breiten Datenbus sowie den 4 Bit Adressbus
zur Anzeige. Für ein zweites Pult ist eine serielle Übertragung der Daten geplant. Eine
der ungenutzen Leitungen im Kabel zwischen Pult und Anzeige wird den seriellen Modus in der
Anzeige aktivieren. Dadurch ändert sich die Leitungsbelegung der 12 Eingänge. Der
Atmega
liest die Daten dann seriell ein. Die Ansteuerung der Segmente verändert sich nicht.
3.4 Stromversorgung Großanzeige
Bei unseren LEDs muss die Versorgungsspannung mindestens 18V betragen, da über jeder Quelle
ungefähr 3-4 V abfallen müssen, damit sie korrekt funktioniert. Pro Segmentstrich sind
in der Spitze kurzzeitig mit 100mA zu rechnen, damit kommt man auf maximal 750mA pro Anzeige, inkl.
Punkt, der nur 50mA Pulsstrom benötigt.
Gleichzeitig können zwei Segmente leuchten, also beträgt der maximale geschätzte Stromverbrauch
in etwa 1.5A. Wegen dem Multiplexverfahren steuert man die LEDs mit einem höheren Strom an,
der aber nur für eine kurze Zeit fließen darf. Durch jede LED-Reihe lassen die Konstantstromquellen
einen Pulsstrom von etwa 50mA fließen. Maximaler Pulsstrom sowie Versorgungsspannung
sind stets vom Typ der LED abhängig!
3.5 Umsetzung
Die ca. 1000 LEDs finden Platz auf einer MDF-Platte mit den Maßen 140x45cm. Die Platte ist
mit schwarzem Fotokarton (2x 70x50cm) beklebt. Die Vorlagen sowie die Anordnung sind unter
Downloads zu finden. Wir haben die Markierungen auf das Holz gezeichnet
und dann für jede Ziffer eine Kopie der Vorlage auf Pergament gedruckt. Mit einem Dremel und
zwei Bohrern à 1mm bzw. 0.8mm (beide später abgebrochen) wurden die Löcher freihändig gebohrt.
Die LEDs sind einfach nur durchgesteckt und deren Beinchen umgebogen. Der harte Fotokarton gibt
ausreichen Halt, ggf. kann etwas Kleber nicht schaden. Für eine evtl. Wartung können LEDs
einfach ausgelötet und rausgezogen werden, oder man kann sie kurzfristig überbrücken.
4. Hintergrund (Judo)
Judo ist ein Wettkampfsport. In regelmäßigen Abständen finden Turniere statt, wo sich
die Judoka in Zweikämpfen messen. Das Ziel ist, den Gegner unmittelbar
aus dem Stand mit einer Judotechnik auf den Rücken zu werfen oder ihn in einem Haltegriff
am Boden festzusetzen. Alternativ sind je nach Altersklasse auch Würger und Hebel im Boden
und Stand erlaubt. Für Techniken, die nicht direkt zum Sieg führen, gibt es verschiedene
Wertungen (in aufsteigender Reihenfolge): Koka, Yuko, Wazaari.
Bei offiziellen Veranstaltungen gibt es einen Kampfrichter sowie ein bis zwei
Mattenrichter und die Zeitnehmer. Die Zeitnehmer sitzen hinter der Wertetafel und stoppen,
wie ihr Name schon sagt, die Kampfzeit und die Haltegriffzeit wie vom Kampfrichter
angezeigt. Des weiteren notieren sie die vergebenen Wertungen. Diese sollen für den
Kampfrichter sichtbar auf der Tafel gezeigt werden. Der Kampfrichter hat die alleinige
Entscheidungsgewalt. Er kann sich mit den Mattenrichtern, falls vorhanden, abstimmen.
Siehe auch Wikipedia (Judo)
Auf einigen Bildern sieht man noch in der Luft hängende Widerstände und Drähte, die
wir zum schrittweisen Testen der Schaltungen verwendet haben. Die schwarzen Striche
unten den Brücken sind sicherlich nicht schön, aber zum Glück sieht man sie später nicht.
Wenn Sie selber die Schaltungen aufgebaut haben (siehe dazu auch Lizenz),
wären wir sehr dankbar, wenn Sie uns Bilder Ihres Nachbaus zur Verfügung stellen
könnten. Schicken Sie uns dann eine Email an elektronik_KEINEWERBUNG@vbinside.de (Bitte
_KEINEWERBUNG beim Senden entfernen). Falls Ihr Name nicht genannt werden soll, geben
Sie dies bitte in der Email an.
Nachbau
Selbstverständlich dürfen Sie die Schaltungen nachbauen (auf eigene Gefahr),
dies allerdings nur zu nicht-kommerziellen Zwecken. Siehe dazu auch den Unterpunkt
Lizenz. Sollten Sie eine eigene Version aufgebaut haben,
würden wir uns darüber freuen, wenn Sie uns Bilder ihres Nachbaus zur Verfügung
stellen würden. Siehe Unterpunkt Bilder.
