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9.2 Aufbau der elektronischen Platine

Wichtige Hinweise

Der Aufbau der Elektronikplatine ist nicht einfach, da die Lötpads relativ klein sind.
Sie sind so klein, dass man nicht mit der Lötspitze auf die Lötpadsgehen sollte, sondern das Beinchen des zu verlötenden Bauteils mit der Lötspitze erhitzen sollte und auch hier das Lötzinn dran halten sollte.
Das Lot fließt dann irgendwann entlang des Beinchens auf das Lötpad und der Lötvorgang ist abgeschlossen.

Bei einer guten Lötstelle bildet das Lötzinn eine glatte Oberfläche und liegt als Wölbung auf dem Lötpad (vergl. nachfolgendes Bild).
Ist das Lot nicht richtig geschmolzen beim Lötvorgang, oder wurden die zu verbindenden Elemente nicht ausreichend erhitzt, liegt manchmal das Lötzinn wie ein Tropfen auf dem Lötpad, oder bildet eine unregelmäßige Oberfläche. Die ist unbedingt zu vermeiden.
Um den Lötvorgang an einer mißlungenen Stelle zu wiederholen, muß das alte Lot erst entfernt werden.
Dies kann mit Entlötlitze (ein feines Geflecht von Kupferdraht) geschehen oder einer Entlötpumpe.

Achtung: Elektronikbauteile sind Hitzeempfindlich! - Deshalb:

Haben Sie Geduld, bis die Anwärmphase des Lötkolbens erreicht ist.
Stellen Sie den Temperaturregler an der Lötstation auf ca. 2/3 der Maximalleistung.
Der Kontakt mit der Lötspitze sollte deshalb keinesfalls länger als ein oder zwei Sekunden dauern.
Die Beinchen sollten erst abgeschnitten werden, wenn das Bauteil fertig verlötet ist, da diese gut die Wärme ableiten.

Bild 9.2-1: Anleitung zum Verlöten eines Bauteils (Lötspitze und Lötzinn an das Beinchen des Bauteils halten, da Lötpad i.d.R. klein)

Die im folgenden in der Übersicht gezeigten Layouts und Schaltpläne sind in vergrößerter Version in nachfolgendem .zip-File zu finden:

elektronik.zip - Download der folgenden Layouts und Schaltpläne

Als Aufgabe für alle wird nur der folgende Schaltplan umgesetzt (hier die Übersicht, Details im Download darunter, weiter unten Platinenlayout)
Im Anschluß am Aufbau dieser Grundvariante, übernehmen die einzelnen Gruppen den Aufbau und Test von Erweiterungen.
Die Erweiterungen sind: Serielle Schnittstelle, LCD-Anzeige, Funkmodul und Inkrementeller Drehgeber mittels Gabellichtschranke.
Das folgende Layout und der nachfolgende Schaltplan zeigen die endgültige Ausbaustufe.

Bild 9.2-2: Grundschaltplan in der Übersicht.

Bild 9.2-3: Aufbau der Platine samt aller Erweiterungen (Serielle Schnittstelle, Funkmodul, LCD-Anzeige).

Bild 9.2-4: Vollständiger Schaltplan in der Übersicht.

Das folgende Bild zeigt die fertige Platine des Prototypen (wurde leicht verändert) mit angeschlossener Spannungsversorgung, angeschlossenem Servo, angeschlossenem Sensor und angeschlossenem Programmiergerät.
Beachten Sie insbesondere die Polung des Steckers für das Programmiergerät!

Platine mit angeschlossener Peripherie. Achtung: Platine von Prototyp, wurde leicht überarbeitet! Insbesondere passen nun die Buchsen auf die Platine und müssen nicht über Drähte angelötet werden. Die Reihenfolge der Drähte stimmt aber weiterhin (Farben beachten!)

Bild 9.2-5: Platine mit angeschlossener Peripherie. Achtung: Platine von Prototyp, wurde leicht überarbeitet! Insbesondere passen nun die Buchsen auf die Platine und müssen nicht über Drähte angelötet werden. Die Reihenfolge der Drähte stimmt aber weiterhin (Farben beachten!)

Alle für die Tests in den einzelnen Bauabschnitten der Elektronikplatine vorbereiteten Programm sind in folgendem .zip-File vorhanden:
Achtung: Es kann die neuste Version von AVR-Studio, jedoch nicht die neuste Version von WinAVR verwendet werden sondern am besten: WinAVR-20060421-install.exe
Installieren Sie Ihre Programmierumgebung selber auf den PC.
Verwenden Sie bitte immer in zwei Gruppen das gleiche USB-Programmiergerät und bewaren eigenverantwortlich mit Ihren Materialien auf und benutzen immer wieder die gleichen PCs mit diesem Gerät.

coach_programme.zip - Mikrocontroller-Testprogramme

Der Aufbau der Elektronikplatine erfolgt in mehreren Abschnitten, die jeweils mit einem positiven Testergebnis abgeschlossen sein müssen, bevor der darauffolgende Abschnitt angegangen wird.
Jedem Abschnitt, außer für dem ersten, ist ein Mikrocontrollerprogramm zum Testen beigegeben.
Die Abfolge der Mikrocontrollerprogramme führt gleichzeitig in die Programmierung der COACH-Vehikel ein.
Die Bauabschnitt sind folgende:

Auflöten aller Drahtbrücken, Buchsen, IC-Sockel und der Entstörkondensatoren. Anschließend: Überprüfen Sie optisch die Lötstellen mit der Augenklemmlupe. Überprüfen Sie mit dem Multimeter, ob alle Masseflächen leitend miteinander verbunden sind (Einstellung zur Widerstandsmessung).
Auflöten des Quarzes und der Stützkondensatoren (2x22pF) und der Taster, der LEDs und der passiven Bauteile, die zum Betreiben der Programmierschnittstelle notwendig sind und Einsetzen des Mikrocontrollers. Im Anschluß: Erstes Programmieren des Mikrocontrollers mit Programmen zum Ansteuern der Taster und der LEDs.
Einsetzen des Motortreibers und Test des Motors.
Anschließen des Servos und Durchführen des Servotests.
Anschließen des Sensors und Durchführen des Sensortests.
Fertigstellung des Gesamtaufbaus und Durchführen eines Fahrttests.
Aufbau der im Projekt vereinbarten Zusatzperipherie am eigenen Vehikel.
Anbau der Peripherie an allen anderen Fahrzeugen (wenn zwei Gruppen die gleiche Peripherie verantworten, halbiert sich der Aufwand.)

1. Auflöten aller Drahtbrücken, Buchsen, IC-Sockel und der Entstörkondensatoren

Genereller Hinweis zum Layout: Das Layout zeigt die Schaltung, wenn man von oben, der Bauteilseite, darauf schaut. D.h. es ist so dargestellt, als wäre die Platine transparent und man sähe die Kupferbahnen, obwohl man von der anderen Seite darauf schaut. Wenn Sie unsicher sind, löten Sie nicht gleich alle Lötpunkte, sondern vergleichen mit anderen Gruppen, oder konsultieren den Dozenten.
Hinweis zu den Entstörkondensatoren: Die Elektrolytkondensatoren müssen richtig gepolt werden, sonst werden sie zerstört! - Im Schaltplan ist die nicht ausgefüllte Seite der Pluspol, am Bauteil ist der weiße Strich beim Minuspol.
Hinweis zu den Buchsen: Die Stecker/Buchsen-Kombinationen sind bereits mit Kabeln versehen. Achten Sie unbedingt auf den richtigen Einbau der Buchsen. Dem Layout kann die Farbreihenfolge entnommen werden, die sich ergeben muß. Rot ist in der Regel Plus.
Hinweis zu IC-Fassungen: Sinnvollerweise sollte die Einkerbung der IC-Fassung auf der Seite sein, wo die Einbuchtung beim IC ist (da wo der erste und letzte Pin ist).
Hinweis zu Drahtbrücken: Um auf Zweiseitige Leiterplatinen verzichten zu können, mußten Drahtbrücken eingeführt werden. Bitte isolierte Drähte von der Bauteilseite einfügen und nicht direkt von unten die Drähte anlöten, da das eine geringere mechanische Stabilität bedeutet.

Test1 : Überprüfen Sie optisch die Lötstellen mit der Augenklemmlupe.
Test2: Überprüfen Sie mit dem Multimeter, ob alle Masseflächen leitend miteinander verbunden sind (Einstellung zur Widerstandsmessung).

2. Auflöten des Quarzes und der Stützkondensatoren (2x22pF) und der Taster, der LEDs und der passiven Bauteile, die zum Betreiben der Programmierschnittstelle notwendig sind und Einsetzen des Mikrocontrollers.

Hinweis zum ersten Betreiben der Mikrocontrollerschaltung: Werkseitig wird er mit 1MHz vom internen Taktgenerator getaktet. Schalten Sie über die Fuse-Bits erst auf Quarztaktung um, wenn Sie schon einen ersten Funktionstest gemacht haben. Nur so können Sie unterscheiden, ob es ein Problem mit dem Quarz, oder der restlichen Schaltung gibt.
Schalten Sie schließlich in den Fuse-Bits die Quarztaktung ein und die JTAG-Option aus.
Das Programm "002_tasterleds" dient zum Testen der Taster und der LEDs.
Es kann von Ihnen leicht analysiert werden.
Grundsätzlich wird empfohlen für Ihre Eingeentwicklungen von einem der Testprogramme auszugehen und diese zu modifizieren.
Die Spannungsversorgung läuft über vier Mignonzellen, deren Batteriehalter über die entsprechende Buchse mit der Elektronikplatine verbunden wird.
Ein Spannungsregler wird nicht verwendet.
Achten Sie unbedingt auf richtige Polung der Spannungsversorgung!
Hinweis: große Kupfer-Flächen auf der Platine sind Masse (GND == Ground == "Minuspol").
Noch bevor Sie das erste Programm übertragen, können Sie das generelle Funktionieren daran erkennnen, dass beide LEDs des Programmiergerätes grün leuchten, wenn es mit PC und Mikrocontroller verbunden ist und die Spannungsversorgung am Mikrocontroller angeschlossen ist.
Falls Ihre Schaltung nicht so funktioniert, wie Sie das erwarten, entfernen Sie sofort alle Spannungsversorgungen und suchen den Fehler.
Es können besipeilsweise feinste Lötzinnspritzer Kurzschlüsse verursachen. Diese sieht man manchmal erst mit der Augenklemmlupe.

Notwendige Bauteile, um erste Tests mit Tastern und LEDs durchzuführen. Buchse für Spannungsversorgung ist zu sehen, jedoch die Entstörkondensatoren fehlen. Achtung: Platine von Prototyp, wurde leicht überarbeitet!

Bild 9.2-6: Notwendige Bauteile, um erste Tests mit Tastern und LEDs durchzuführen. Buchse für Spannungsversorgung ist zu sehen, jedoch die Entstörkondensatoren fehlen. Achtung: Platine von Prototyp, wurde leicht überarbeitet!

3. Einsetzen des Motortreibers und Test des Motors.

Die Lötarbeiten sind an diesem Punkt bereits weitestgehend beendet, jedoch können trotzdem noch fehlerhafte Verbindungen vorhanden sein, deren Existenz sich erst durch Fehlfunktionen der Peripherie (Sensor, Motor, Servo) erschließt.
Gerade der Motor erzeugt durch seine ständigen Umpolvorgänge an den Bürsten und den damit verbundenen Funken, starke hochfrequente elektromagnetische Störungen, die öfters einen Reset beim Mikrocontroller auslösen können. Dies ist wahrnehmbar, wenn ein Programm z.B. zwei hintereinander folgende Endloswhileschleifen besitzt und trotz Verlassen der ersten durch break, er in die erste zurückkehrt - sichtbar z.B. durch Ansteuern der farbigen LEDs.
Dies ist der Grund, warum an so vielen Stellen Entstörkondensatoren auf der Platine eingebaut sind.
Als Testprogramm dient "003_antrieb".
Falls eine im Programm ausgewiesene Vorwärtsfahrt ein Rückwärts drehen der Räder bewirkt, muß der Motor unbedingt umgepolt werden, damit alle Programm, auch die anderer Gruppen, auf jedem Fahrzeug lauffähig bleiben!

Bild 9.2-7: Ansteuern des Motors. Achtung: Platine von Prototyp, wurde leicht überarbeitet!

4. Anschließen des Servos und Durchführen des Servotests.

Vergleichen Sie die Kabelfarben des Servos und die Stellen, an denen sie mit dem Servo verbunden wurde: ROT=Plus, GELB=Servoeingang, SCHWARZ=Masse/GND/Ground/Minuspol
Bei im Programm ausgewiesener Geradeausstellung des Servos muß die Deichsel auch genau gerade stehen, wenn nicht: Deichsel ummontieren / ev. Deichsel um 180 Grad drehen.
Als Testprogramm dient "004_servos".

5. Anschließen des Sensors und Durchführen des Sensortests.

Untersuchen Sie auch hier, ob der Sensor richtig angeschlossen wurde anhand der Kabelfarben.
Als Testprogramm dient "005_sensor".

6. Fertigstellung des Gesamtaufbaus und Durchführen eines Fahrttests.

Das Verhalten mit dem Programm "014_fahrt7_ohnedreh" sollte dem des Prototypen entsprechen.

7./8. Aufbau der im Projekt vereinbarten Zusatzperipherie am eigenen Vehikel und dann an allen anderen.

Neben der Analyse der Datenblätter und ev. dem Umschreiben eines gegebenen Mikrocontrollerprogramms, sollten Sie auch einen Test entwickeln, mit dessen Hilfe Sie Ihre Peripherie leicht testen können und Fehler schnell beseitigen können.
Die Dokumentation Ihrer Arbeit erfolgt wie zuvor auch im Internet, jetzt bei Projektteil 2.
Projektthemen sind im zweiten Teil:

Ansteuerung eines LCD-Displays - Hinweis: Programm für ATmega8 vorhanden - muß umgeschrieben werden.
Ansteuerung eines Funkmoduls - Hinweis: ev. nur mit 10MHz Taktung möglich (RS232 geht dann nur alternativ), Programm für ATmega8 vorhanden - muß umgeschrieben werden.
Verbindung zum PC über RS232 - Hinweis: Tests, ob es auch mit 10MHz geht durchführen.
Aufbau eines inkrementellen Drehgebers zur Geschwindigkeitsmessung - Hinweis: über Gabellichtschranke an frei laufendem Zahnrad, Anschluß am Eingang ICP1 - Prinzip-Programm für ATmega 32 vorhanden.