Microcontroller-Bausatz Experimentierwürfel (elektronischer Würfel)

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Elektronischer Würfel / Experimentierwürfel
Digitaler Würfel mit roten Leuchtdioden

Dieser Bausatz ist der erste aus einer neuen Reihe von Lehrbausätzen und zugleich ein Lernspielzeug sowie Dekorationsmittel.

Technische Daten

Verwendeter Microcontroller: AVR ATtiny13A
Betriebsspannung: 2 bis 5 Volt, je nach LED-Sorte
Platine: ca. 33 mm x 33 mm groß, bleifrei verzinnt, mit Bestückungsdruck

Die Platine sowie sämtliche Bauteile sind RoHS-konform.

Einzelpreis: ab 6,95 Euro (inkl. Mehrwertsteuer, zzgl. Versandkosten) - Rabatt ab 5 Stück. ==> Bestellformular

Zielgruppe - für wen ist dieser Bausatz geeignet?

Der Experimentierwürfel bietet sich vor allem für Microcontroller-Interessierte an, die eine praktisch verwendbare und einfach zu lötende Anwendung zum Experimentieren und Spielen suchen. Ideal wäre es, wenn sie bereits über Grundkenntnisse in der Assembler-Programmierung verfügen und ihre Kenntnisse vertiefen möchten oder parallel zur Beschäftigung mit diesem Bausatz eine entsprechende Einführung durcharbeiten. Vorerfahrungen im Löten elektronischer Schaltungen sind dringend angeraten. Wer einfach nur basteln möchte und sich einen elektronischen Würfel wünscht, der etwas mehr kann als die üblichen Gerätchen dieser Art, ist hier natürlich auch goldrichtig... :-) Mit den Experimenten und vertiefenden Erläuterungen kann man sich später ja immer noch befassen.

Aufgrund der geringen Zahl von Bauteilen, der einfachen Anwendbarkeit und seines "Spaßfaktors" eignet sich dieser Bausatz ganz besonders als motivierender Einstieg in die Technik der Mikrocontroller, auch im technischen Schulunterricht, in Ferienspaßgruppen (unter fachlicher Anleitung) und ähnlichen Veranstaltungen – siehe auch unsere Bastler-Fotos!

Ideal für die dunkle Jahreszeit!

Kurze Tage, lange Bastelabende... Da sollte dieser Bausatz gerade recht kommen: Neben der interessanten Beschäftigung bietet er mit seinem Dauerwürfelmodus eine nette Dekorationsmöglichkeit mit Lichteffekten, die auch nach Weihnachten mit gutem Gewissen und ohne Kitschverdacht nutzbar sind. Elektronisch würfeln kann man aber selbstverständlich zu jeder Jahreszeit.

Kurzbeschreibung – was lässt sich mit diesem Bausatz anfangen?

Spielwürfelersatz für Technikfreaks. Die Grundfunktion des fertiggestellten Bausatzes besteht darin, einen normalen Spielwürfel zu simulieren (elektronischer Würfel). Die Augen des gewöhnlichen Würfels werden durch das Leuchten von LEDs (Leuchtdioden) ersetzt. Dank besonders sparsamen Leuchtdioden und dem Einsatz von Microcontroller-Stromspartechniken reicht ein Batterie- oder Akkusatz aus zwei Mignonzellen für hunderttausende von Würfeldurchgängen.

Dekoration. Die Schaltung lässt sich in einen Dauerwürfelzustand (Demo-Modus) versetzen. Sie würfelt dann selbstständig in zufälliger Folge eine Zahl nach der anderen. Daher kann sie hervorragend zur Dekoration verwendet werden (im Schaufenster, auf Partys, ...). Die Lichteffekte – nachempfundenes Rollen des Würfels und mehrfaches Aufglimmen der gewürfelten Augenzahl – machen die kleine Platine zu einem echten Blickfang. Zum wartungsfreien Betrieb im Deko-Dauereinsatz eignen sich besonders gut die Ausführungen mit großen Leuchtdioden (8 mm Durchmesser) und Netzteilanschluss.

Einführung in die Technik der Microcontroller. Die Bausätze aus der Microcontroller-Reihe der Dr. Schramm Softwareentwicklung sind mehr als nur ein Spielzeug. Die interessierte Bastlerin und der interessierte Bastler erfahren nebenbei viel über die Einsatzmöglichkeiten und Programmierung von Microcontrollern, denn die Hard- und Software werden im mitgelieferten 20seitigen Heftchen ausführlich erläutert, und es lassen sich etliche zusätzliche Experimente mit dem Bausatz durchführen, die das Verständnis vertiefen und ebenfalls im Heft beschrieben werden.

Elektronik-Basteln. Selbstverständlich soll auch der Elektronik-Bastelspaß nicht zu kurz kommen. Damit alles gut gelingt, gelangen nur hochwertige Bauteile und eine in Industrie­qualität gefertigte Platine (mit Lötstopplack und Bestückungsdruck) in den Bausatz-Beutel. Die ausführliche, bebilderte Bauanleitung in diesem Heft verhilft der Bastlerin und dem Bastler zum verdienten Erfolgs­erlebnis. Die klare Trennung von Funktion und Technik durch Unter­bringung der entsprechenden Bauelemente auf unterschiedlichen Platinenseiten stellt eine markante Besonder­heit dieses Platinenlayouts dar.

Bausatz-Varianten – welche Farbe soll's sein?

Der Bausatz ist in mehreren Varianten verfügbar, die sich in Farbe und Helligkeit bzw. Stromverbrauch der enthaltenen Leuchtdioden unterscheiden:
rot-ns / gelb-ns / grün-ns / rot-uh / gelb-uh / orange-uh / grün-uh / blau-uh

Hierbei steht ns für Niedrigstrom und uh für ultrahell. Die Leuchtdioden haben einen Durchmesser von 5 mm.
Bei den ns-Varianten werden Niedrigstrom-Leuchtdioden verwendet und im Bausatz mit 2 bis 3 mA betrieben. Diese Dioden im eingefärbten Gehäuse weisen einen besonders hohen Wirkungsgrad bei solch kleinen Strömen auf.
In den uh-Varianten stecken ultrahelle Leuchtdioden. Diese Lichterzeuger im transparenten Gehäuse leuchten bei etwas höheren Strömen deutlich heller als herkömmliche LEDs. In den Bausätzen werden sie mit etwa 4 bis 5 mA gespeist.
Sämtliche Varianten gehen sparsam mit den Batterien um; die ns-Würfel belasten die Batterien aber naturgemäß geringer. Für gemütliche Spieleabende bei Kerzenlicht sind die ns-Leuchtdioden gut geeignet. Soll der Würfel auch bei hellerem Licht eingesetzt werden, fährt man mit uh-LEDs besser.

Infrarot-Würfel
Auch eine Bestückung mit Infrarot-LEDs ist möglich ('Dunkelwürfel'). Mit bloßem Auge erahnt man allenfalls ein dunkelrotes Glimmen. Im Display einer Digitalkamera (oder Camcorder, HandyCam etc.) jedoch leuchten die LEDs intensiv weiß. Interessant z. B. als Lehrer-Exemplar mit Aha-Effekt in Bastelgruppen.

Bausatz ausgepackt
Bausatzbeutel-Inhalt, Variante mit roten Leuchtdioden

← Ausgepackt - das steckt im Beutel
Es sind sämtliche benötigten elektronischen und mechanischen Bauelemente enthalten - lediglich die Batterien sind nicht dabei (erforderlich sind je nach LED-Farbe zwei oder drei Mignonzellen, d. h. Größe AA, NiMH-Akkus sind verwendbar).

Außerdem braucht man einen 'ordentlicher' Lötkolben (mit runder Spitze, Spitzendurchmesser maximal 2,5 mm), Elektronik-Lötzinn mit Flussmittelseele (Durchmesser 0,5 - 1,5 mm) und das übliche Werkzeug wie Zange, Seitenschneider, Schere usw.

Begleitheft
Auszug aus dem Bausatz-Begleitheft

Das 20seitige Begleitheft im DIN-A5-Format enthält eine ausführliche Bauanleitung und genaue Beschreibung des Experimentierwürfels (Hardware und Software inkl. Programmlisting). Des Weiteren werden interessante Aspekte im Detail betrachtet, z. B. Erzeugung von Zufallszahlen, Helligkeitssteuerung (Dimmen) von Leuchtdioden per Pulsweitenmodulation, die Mindest-Versorgungsspannung des Controllers und Stromspartechniken. Darüber hinaus - und so wird der Experimentierwürfel seinem Namen gerecht - beschreibt das Heft eine Reihe von Experimenten, die zusätzlich mit dem Bausatz möglich sind. Diese Versuche bieten so manchen Aha-Effekt und vertiefen das Verständnis für die Abläufe im Microcontroller. Wer vielleicht noch ein wenig Hemmungen hat, einen µC als ein 'ganz normales' elektronisches Bauteil anzusehen und einzusetzen, sollte mit Hilfe dieser Experimente ganz nebenbei die Scheu vor der Handhabung dieser leistungsfähigen und gutmütigen Kleincomputer verlieren. Für einige der Experimente werden weitere Bauteile benötigt, die normalerweise in der Bastelkiste des Elektronikbastlers zu finden sind (Kabel, Widerstände, Kondensator, kleiner Lautsprecher oder Kopfhörer, möglichst auch ein Voltmeter bzw. Vielfachmessgerät).

Experimentierwürfel fertig gebaut
Digitaler Würfel / Experimentierwürfel fertig aufgebaut, mit roten Leuchtdioden

... und so sieht der Experimentierwürfel fertig gebaut aus, mit Funktions- und Technikseite.

Wer möchte, kann eine mitgelieferte Papierblende über die Leuchtdiodenbeinchen schieben, um die Lötstellen beim Würfeln zu verbergen.

Der Preis dieses Bausatzes beträgt (je nach Art der Leuchtdioden) ab 6,95 Euro (inkl. Mehrwertsteuer, zzgl. Versandkosten) - Rabatt ab einer Mindestabnahme von 5 Stück. Zum Bestellformular mit allen Bausatzvarianten und allen Einzelheiten (im neuen Fenster).

Geht es noch heller? Gibt es weitere Farben?

Ja! Aber für größere Lichtintensitäten ist der Batteriebetrieb nicht mehr ökonomisch. Daher gibt es den Bauatz in weiteren Varianten ohne Batteriefach, dafür mit Spannungsregelung auf der Platine und Anschlusskabel (ohne Stecker oder Buchse, da aufgrund der Vielfalt von 'Normen' bei Netzteilen nicht sinnvoll). Diese Würfel arbeiten intern mit 5 Volt und sind für den Anschluss an ein Netzteil mit 6 bis 12 Volt konzipiert. Diese Würfelsorte kann zwar prinzipiell auch zum Spielen verwendet werden, ist aufgrund der großen Helligkeit aber besser für Dekorationszwecke geeignet, bspw. auch im hinteren Teil eines größeren Schaufensters mit einigen Metern Abstand zum Betrachter. Hier sind besonders die Varianten mit größeren Leuchtdioden (8 mm Durchmesser) zu empfehlen. Die mittlere Stromaufnahme eines Würfels liegt nur bei maximal etwa 30 mA (hängt von der LED-Farbe ab); daher kann ein normales Netzteil Dutzende von Würfeln versorgen. Wird die Würfeltaste nach Einschalten der Stromversorgung nicht innerhalb von 5 Sekunden gedrückt, begibt sich jeder Würfel automatisch in den Dauerwürfelmodus. Sie brauchen also nur das Netzteil einzuschalten, und los geht's. Aufgrund der Verwendung des internen Microcontroller-Taktgenerators, dessen Frequenz von Exemplar zu Exemplar etwas streut, laufen die Würfel nur für kurze Zeit im langweiligen Gleichschritt. Spätestens nach einigen Minuten gibt es ein buntes Durcheinander, das natürlich viel reizvoller ist.

Noch ein paar Impressionen:

Experimentierwuerfel im flachen Design Links: ein besonders flacher Aufbau. Durch Verzicht auf die IC-Fassung (gute Löterfahrung vorausgesetzt und auf eigene Gefahr!) und Hinlegen der ursprünglich stehenden Widerstände lässt sich die Bauteilhöhe auf 5 mm begrenzen (Durchmesser des ELKOs).
Rechts:Experimentierwürfel mit ultrahellen 8mm-Leuchtdioden zum Anschluss an ein Netzteil.
Experimentierwuerfel mit 8mm-leuchtdioden

Bestellmöglichkeit für alle Bausatzvarianten über unser Bestellformular (erscheint im neuen Fenster).

Bitte beachten Sie auch unseren eleganten Experimentierwürfel in SMD-Ausführung für besonders löterfahrene Bastler.

Weiteres Material / Downloads

Sie besitzen schon die benötigte Hardware, möchten mal eben schnell einen digitalen Spielwürfel basteln, der die Fähigkeiten des hier beschriebenen Experimentierwürfels aufweist, und ein Lochrasteraufbau genügt Ihnen? Dann ist vielleicht das zugehörige eBook das Richtige für Sie! Für dieses Büchlein wurden LED-Port-Zuordnung und Layout so optimiert, dass sich ein ansprechender Aufbau ohne Leitungskreuzungen bei einseitiger Lochrasterplatinenbestückung ergibt.

Weiterführende Internet-Links (Klick erzeugt jeweils neues Fenster)

Elektronische Würfel werden schon seit Jahrzehnten gebastelt. Man kann an diesen Gerätchen gut die Entwicklung der Elektrotechnik verfolgen. Arbeitete man zunächst noch mit Glühbirnchen, kräftigen Treibertransistoren und aufwendigen diskreten Realisierungen der Steuerlogik, so wurden die Würfelschaltungen mit der Verfügbarkeit immer leistungsfähigerer integrierter Schaltungen und natürlich der Erfindung der Leuchtdiode laufend kompakter und sparsamer. Ausgezeichnet dargestellt und mit Schaltbildern sowie Fotos eigener Werke illustriert hat Harald Sattler die 'Geschichte' des elektronischen Würfels auf seiner Seite - unbedingt lesenswert! Darüber hinaus findet man hier viele weitere Ideen und Anleitungen für elektronische Basteleien.

Im ProgShop wird eine Schaltung vorgestellt, die mit dem älteren Microcontroller-Modell 89C2051 von Atmel arbeitet. Dieser Controller ist mit 20 Anschlüssen schon recht groß, und daher werden hier alle LEDs einzeln angesteuert. Im Grunde ist das nicht nötig, da die meisten LEDs immer paarweise gemeinsam leuchten - es genügt eben auch ein moderner, kleiner Microcontroller wie der ATtiny13, der zudem mit einem äußerst effizienten Stromsparmodus trumpfen kann.


Unsere Bausätze werden in Preisvergleich-Diensten gelistet:
metapreis.de