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Mini LEDCube v0.2 cthn.de (Kai Lauterbach, Aaron Müller v0.2 - 30.10.2011)
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Zuvor sollte die Liste der Bauteile mit der in der Verpackung enthaltenen Anzahl verglichen werden.
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Allgemeines zum Aufbau:
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Begonnen wird mit dem Bauteil, dass die geringste Höhe nach dem Einlöten besitzt. Dies führt dazu , dass die
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höheren Bauteile beim Einlöten der anderen nicht im Weg sind.
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Warnhinweise! Der Mikrocontroller wird erst nachdem die Schaltung komplett aufgebaut ist und optisch und
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elektrisch getestet wurde eingesetzt. Bevor der LEDCube an die Schaltung angeschlossen wird, muss der Mikrocontroller
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konfiguriert (FuseBits gesetzt) und programmiert werden. Zudem muss die Funktion der Firmware zwingend geprüft werden.
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Sollte ein Fehler in der Schaltung (Bauteile vertauscht, ungewollte Lötbrücken, etc.) oder in der Firmware vorhanden
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sein, können die LEDs des Cube irreparabel zerstört werden.
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Werkzeuge/Hilfsmittel:
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Seitenschneider
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Elektronikzange
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Lötkolben mit möglichst feiner Spitze
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Dritte Hand mit Lupe
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Entlötlitze
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Aufbau:
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1. Zehner-Dioden
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D1,2 - 3V6 Zehner-Diode
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Der schwarze Ring an den Zehner-Dioden kennzeichnen die Kathode. Es muss auf die korrekte Polung beim ein löten
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geachtet werden. Die Bauteile werden liegend eingebaut.
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In Durchlass-Richtung funktionieren Z-Dioden wie eine normale Diode. In Sperr-Richtung dient sie zur Spannungsbegrenzung.
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In dieser Schaltung werden die beiden Z-Dioden in Sperr-Richtung betrieben. Sie dienen dazu die Spannungen an den beiden
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USB-Datenleitungen (D+ und D-) auf 3,3 Volt (von dem 5V Pegel des Mikrocontrollers) herab zu senken.
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Siehe http://vusb.wikidot.com/hardware (Solution B).
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2. Dioden
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D3,4 - 1n4148
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Auch hier kennzeichnet der schwarze Ring die Kathode und muss beim Einbau beachtet werden. Auch diese Dioden werden
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liegend eingebaut.
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D3 dient als Verpolschutz an der Versorgungsklemme X2.
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D4 verbindet den Ausgang des Spannungsreglers IC2 mit dessen Eingang. Hierdurch wird verhindert, dass am Ausgang
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eine höhere Spannung anliegen kann als am Eingang. Dieser Zustand kann zum zerstören des Spannungsreglers führen.
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3. IC-Sockel
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Der Sockel für den IC1 - ATTINY2313. Es muss darauf geachtet werden, dass die Markierung für den ersten und
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letzten Pin (Ausbuchtung in Form eines Halbkreises am Sockel und Mikrocontroller) korrekt auf der Platine aufgesetzt
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wird und dass der Sockel eben auf der Platine auf sitzt.
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4. Kondensatoren
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Alle Kondensatoren werden stehend eingelötet.
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C1,2 - 27pF
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Die Kondensatoren C1 und C2 werden dazu verwendet um das Quarz, dass den Mikrocontroller mit seinem Takt versorgt,
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in Schwingung zu versetzen.
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C3,4,5 - 100nF
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Diese sind Pufferkondensatoren und unterdrücken zum einen das rauschen der Versorgungsspannung(en)
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und stabilisieren diese zusätzlich auf einen möglichst konstanten Wert.
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5. Widerstände
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Die Widerstände müssen alle stehend eingelötet werden. Die Widerstände sollten dabei möglichst
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so gesetzt werden, dass die sich gegenseitig wenig durch gegenseitiges berühren unter mechanischer Spannung stehen.
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R3,4 - 69 Ohm Farbcode: Blau, Weiß, Schwarz, Gold
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Funktionieren mit den Z-Dioden als Spannungsbegrenzung.
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R2 - 1,5k Ohm Farbcode: Braun,Grün,Rot,Gold
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R2 ist ein PullUp-Widerstand, für die "D-"-Datenleitung. Ein PullUp-Widerstand
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hält eine Leitung auf einer konstanten Spannung. Hier auf ca. 3,3V da R2 und D2,
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wie oben beschrieben, die Spannung von 5V herunter begrenzen.
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R1 - 10k Ohm Farbcode: Braun,Schwarz,Orange,Gold
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Der Widerstand R1 wird dazu verwendet um den RESET-Pin am Mikrocontroller konstant auf 5V
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zu halten (PullUp). Der RESET-Pin ist ein sogenannter ActiveLow-Pin und setzt den Mikrocontroller
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zurück sobald die an diesem anliegende Spannung einen bestimmten Grenzwert unterschreitet
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(Bei 5V TTL-Pegeln ca. 0,8V). TTL = Transistor-Transistor-Logik.
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Da im ersten Schaltplan ein Fehler enthalten war, muss dieser wie folgt eingebaut werden:
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Die beiden Enden der Widerstände kommen jeweils in die Bohnung, die näher an der USB Buchse ist.
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Die beiden anderen Bohnungen, die weiter von der USB Buchse entfernt sind bleiben leer.
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R5 - 1M Ohm Farbcode: Braun,Braun,Grün,Gold
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Dieser Widerstand darf NICHT eingebaut werden. Er verhindert, dass eine USB-Verbindung korrekt
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aufgebaut werden kann.
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6. Stecker
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Diese Stecker sollten rechtwinklig (eben) auf der Platine aufgelötet werden. Die Stecker müssen
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so ausgerichtet sein, dass die schwarzen Leitungen alle näher beim Mikrocontroller aufgesteckt
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werden als die roten.
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SV1,2,3,4 - 3-Pin Stecker
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Hier wird später der LED-Würfel angeschlossen. Die Einbaurichtung muss beachtet werden, da sonst
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die LEDs im Würfel nicht korrekt angesteuert werden.
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An SV4 werden die Leitungen A,B,C ausgeführt, an SV1 die Leitungen 1,2,3 usw.
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7. ISP-Stecker
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Diese Stecker sollten rechtwinklig (eben) auf der Platine aufgelötet werden.
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SV5 - 2x3Pin Stiftleiste
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Die 6Pin Stiftleiste muss in 2 gleichgroße Teile getrennt werden. Über diesen 2x3 Pin Anschluss
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wird später der Mikrocontroller beschrieben. Die 6-Pin Buchse ist bei AVRs der Standard, um den
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ISP (= In System Programmer) daran anzuschließen.
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8. Anschlussklemme
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Diese Stecker sollten rechtwinklig (eben) auf der Platine aufgelötet werden.
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X2 - Anschlussklemme
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Diese Anschlussklemme kann dazu verwendet werden die Schaltung und die LEDs mit Strom zu versorgen.
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Die maximale Eingangsspannung sollte 5V nicht unterschreiten 12Volt nicht überschreiten.
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9. Spannungsregler
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Dieses Bauteil wird stehend aufgelötet. Es verbleibt eine Lücke von ca. 5mm zwischen Bauteil und Platine.
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Sieht man auf die flache Seite des Reglers während die Beine nach unten zeigen, dann entspricht das linke
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Bein dem Ausgang, das mittlere der Masse und das rechte dem Eingang.
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IC2 - 78L05
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Der 78L05 ist ein Festspannungsregler. Er wandelt die Eingangsspannung in eine feste Ausgangsspannung
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von +5V. Er benötigt am Ein- und Ausgang Kondensatoren um eine stabile und möglichst konstante Spannung
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zu erzeugen. Im Gegenteil zu einem 7805 Festspannungsregler kann der 78L05 einen maximalen Strom von
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100mA liefern.
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10. Quarz
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Auch dieses Bauteil wird stehend aufgelötet. Hier wird zwischen Bauteil und Platine möglichst kein platz
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frei gelassen.
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Q1 - 12 Mhz Quarz
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Das Quarz wird dazu verwendet um den Mikrocontroller mit einem Takt von 12MHz zu betreiben. Der Quarz
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wird stets dicht am Mikrocontroller angebracht, um so den Takt nicht durch andere Komponenten zu verfälschen.
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11. Elko
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Um den Elko aufzubringen, muss bei diesem zunächst die Anschlüsse so umgebogen werden, dass dieser
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stehend aufgebracht werden kann (nur bei axialen Bauteilen notwendig). Bei einem Elko (Elektrolytkondensator)
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ist auf die Polung dessen zu achten! Die Kathode (minus) ist hier meist mit einem Streifen, einer Kerbe oder
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einem oder mehreren "-"-Symbolen gekennzeichnet bzw. einem Pfeil markiert.
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C6 - 4,7µF
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Der Elko dient dazu um die Ausgangsspannung des Spannungsreglers weiter zu stabilisieren, zu filtern und bei
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Bedarf Stromspitzen auszugleichen.
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12. USB Buchse
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Auch hier ist wieder darauf zu achten, dass die Buchse eben aufliegt. Es müssen alle Pins und die
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Verlängerungen des Gehäuses aufgelötet werden. Diese dienen dazu die mechanische Festigkeit zu verbessern.
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X1 - USB Buchse
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Die Schaltung kann auch per USB betrieben/mit Spannung versorgt werden. Die Kommunikation mit dem Mikrocontroller
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muss jedoch noch implementiert werden.
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Inbetriebnahme:
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Bevor die Schaltung in Betrieb genommen werden kann muss diese zunächst geprüft werden. Die folgenden Schritte
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beschreiben diesen Vorgang. Der IC1 (AVR) ist bei diesem Vorgang noch nicht auf der Platine aufgesteckt!
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1. Optisch Prüfen und durchmessen
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Die Lötstellen müssen allesamt einzeln darauf geprüft werden ob benachbarte Leiterbahnen unbeabsichtigt
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mit verbunden sind. Diese Verbindungen können vorsichtig mit dem Lötkolben (in Verbindung mit Entlötlitze
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oder einer Entlötpumpe) entfernt werden.
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Sind keine solchen Verbindungen zu erkennen kann als nächstes mit einem Multimeter der Durchgang der einzelnen
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Lötstellen zu den im Schaltplan vorgesehenen anderen Lötstellen durchgemessen werden. Es empfiehlt sich auch
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die Leiterbahnen untereinander zu prüfen, die keine Verbindung haben sollten aber sehr nah beieinander liegen.
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Achtung, durch die Kondensatoren auf der Schaltung kann das Messgerät unter Umständen, zwischen manchen
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Leiterbahnen, kurz einen Durchgang anzeigen bzw. einen Ton von sich geben auch wenn keine direkte Verbindung vorhanden ist.
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2. Testen der Spannungen
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Ist die Schaltung geprüft kann nun eine externe Spannungsquelle (nicht USB) an die Schaltung über die
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Anschlussklemme X2 angeschlossen werden. Es sollte kein Kurzschluss entstehen. Wenn sich ein Kurzschluss
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abzeichnet muss die Schaltung nochmals geprüft werden.
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Zu prüfen sind die folgenden Punkte:
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an der Anschlussklemme X2 liegt die Eingangsspannung an (max. 12V)
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am Spannungsregler (Ausgang) liegen +5V an
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zwischen Pin 1 und Pin4, des USB-Steckers, liegen +5V an
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an allen Kondensatoren liegt eine Spannung von 5V an
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zwischen Pin 10 und 20 des IC-Sockels müssen 5V anliegen, wobei +5V mit Pin 10 und Pin 20 mit GND (-) verbunden ist
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zwischen Pin1 des IC-Sockels und GND (-) liegen ebenfalls +5V an (dies ist die RESET-Leitung)
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alle anderen Pins des IC-Sockel führen keine Spannung und sind nicht mit GND verbunden
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zwischen Pin 2 und Pin 6, des ISP-Steckers, liegen ebenfalls +5V an
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Pin 5 des ISP-Steckers ist mit Pin 1 des IC-Sockels verbunden
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3. Mikrocontroller
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Wenn die Schaltung erfolgreich getestet wurde, kann der ATTiny2313 eingesetzt werden (Schaltung Spannungsfrei).
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Darauf wird ein Programmiergerät an den ISP-Stecker angeschlossen und danach erst die Schaltung mit einer Spannungsquelle
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verbunden. Da die Schaltung bereits geprüft wurde, darf auch der USB-Stecker zur Versorgung verwendet werden. Im
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Git-Repository befindet sich im "firmware"-Verzeichnis (neben dem Sourcecode) ein Makefile, dass dazu verwendet werden
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kann um auf den AVR zuzugreifen.
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3.1 Fuse-Bits setzen
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Über die Fuse-Bits wird das grundlegende Verhalten des AVR festgelegt. Diese Bits werden beim ATTiny2313 durch 3 Byte
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repräsentiert (wir beachten nur die beiden nieder wertigen). Bei diesem Projekt beinhaltet das Byte mit niederer
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Wertigkeit (Lowbyte) den Hex-Wert 0xE4 und das höherwertige Byte den Wert 0xDF. Die Standardeinstellungen des
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Lowbyte ist der Wert 0x64. Der Unterschied zu unseren Einstellungen ist, dass der Systemtakt durch 8 geteilt wird
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(es wird der interne 8MHz Oszillator verwendet). Mehr Details zu diesen Einstellungen können hier eingesehen werden.
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- http://www.engbedded.com/fusecalc/
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Die Fuse-Bits können mit "make fuses" im AVR festgelegt werden. ACHTUNG!!! Falsch gesetzte Fuses könne dazu führen,
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dass der AVR nicht mehr per ISP programmiert und oder konfiguriert werden kann! Die Bits "RSTDISBL" und "SPIEN"
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sollten in der Standardeinstellung verbleiben.
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3.2 AVR mit Firmware flashen
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Sind die Fuses korrekt übertragen worden, kann die Firmware übertragen werden. Das Makefile beinhaltet bereits die
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Option "compile" zum kompilieren und "program" zum übertragen. Mit der Option "info" können weitere Informationen
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zum erzeugten Binary abgerufen werden.
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Unter Umständen muss noch ein Reset der Schaltung durchgeführt werden, bevor die Firmware aktiv ist.
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Achtung, die originale Firmware aus dem Projekt von Mosfetkiller beinhaltet keinen USB-Support und wird daher
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von keinem System als korrekt funktionierendes USB-Gerät erkannt. Es kann zu diversen Fehlermeldungen kommen,
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wenn die Schaltung per USB mit Spannung versorgt wird.
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3.3 Testen der Fimware
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In diesem Schritt soll die Firmware mit einem Multimeter getestet werden. Spannungen an den Steckverbindern SV1-4
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geprüft werden. Es müssen die folgenden Eigenschaften geprüft werden:
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die Spannungen zwischen den Pins an SV1-3 und den Pins von SV4 müssen deutlich geringer als 5V sein
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zwischen den Pins von SV4 zur Masse muss ebenfalls eine geringere Spannung als 5V gemessen werden können
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+5V (z.B. dem Ausgang des Spannungsreglers) zu den Pins von SV1-3 muss ebenfalls eine geringere Spannung als +5V
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angezeigt werden
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Damit ist der Aufbau abgeschlossen und der LEDCube kann mit der Schaltung getestet werden.
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