PDF, 10,6 MB - EMSP

Technische Universität Berlin 

Fakultät IV (Elektrotechnik und Informatik) 

Fachgebiet Elektronik und 

medizinische Signalverarbeitung 

Institut für Energie- und Automatisierungstechnik 

Projekt Elektronik WS 08/09 

Mastermind 

Abschlussbericht 

Gruppenmitglieder: 

Dustin Scholz 

Torben Hopp 

Wojciech Gora 

Jean-Francois Manga Ekobena 

Betreuer: 

Janis Döbler 

09.02.2009

Inhaltsverzeichnis 

1 Projektübersicht 3 

1.1 Projektidee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.2 Spielprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

1.3 Funktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 

1.4 Termine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 

2 LCD Anzeige mit Menü 5 

2.1 LCD Menü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 

2.2 LCD Ansteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 

3 Spielsteuerung 8 

3.1 Wahl des Näherungsschalters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 

3.2 Kapazitiver Näherungsschalter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 

3.3 Resonanzfall im RLC Reihenschwingkreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 

3.4 Auswertung der Kapazitätsänderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 

3.5 Layout des kapazitiven Bedienfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

3.6 Erfahrungen und Verbesserungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . 16 

4 LED-Spielfeld 16 

4.1 LED Auswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 

4.1.1 RGB LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 

4.1.2 Bicolor LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 

4.2 Ansteuerung der LEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 

4.2.1 LED Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 

4.2.2 Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 

4.2.3 Anwendung der PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 

4.3 Hardware-Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

4.3.1 Spaltentreiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 

4.3.2 Zeilenmultiplexer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

5 Sound 24 

6 Externe Speicherquelle (SD-Karte) 25 

6.1 Aufbau und Wahl einer SD-Karte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 

2

6.2 Ansteuerung der SD-Karte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

7 verwendete Microcontroller 28 

8 Fazit 29 

9 Schaltpläne unnd Boardlayouts 31 

9.1 Schaltplan LED-Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 

9.2 Schaltplan Kapazitive Taster . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 

9.3 Schaltplan Sound mit SD-Karte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 

9.4 Boardlayout LED Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 

9.5 Boradlayout Kapazitive Taster und Sound mit SD-Kart . . . . . . . . . . 35 

Abbildungsverzeichnis 36 

3

1 Projektübersicht 

1.1 Projektidee 

Die Gruppe Ele21 hat sich im Elektronik-Labor 08/09, unter Berücksichtigung der Grup- 

pengröße und des einschätzbaren Aufwands, zur Aufgabe gemacht eine elektronische 

Variante des Spieleklassikers Mastermind zu entwerfen. 

1.2 Spielprinzip 

Abbildung 1: Spielbrett von Mastermind 

Ein Spieler (der Codierer) legt zu Beginn einen, vom Gegenspieler nicht einsehbaren, 

vierstelligen Farbcode fest. Der Code besteht aus mindestens sechs Farben, wobei eine 

Farbe auch mehrmals verwendet werden kann. Der andere Spieler (der Rater) versucht 

den Code herauszufinden. Dazu setzt er einen gleichartigen Farbcode als Frage. Beim 

ersten Zug muss blind geraten werden, bei den weiteren Zügen gibt der Codierer Hin- 

weise. 

Auf jeden Zug hin bekommt der Rater die Information, wie viele Stifte er in Farbe und 

4

Position richtig gesetzt hat und wie viele Stifte zwar die richtige Farbe haben, aber 

an einer falschen Position stehen. Ein Treffer in Farbe und Position wird durch einen 

schwarzen Stift angezeigt, ein farblich richtiger Stift an falscher Stelle durch einen weißen 

Stift. Alle Fragen und Antworten bleiben bis zum Ende des Spiels sichtbar. 

Ziel des Raters ist es, den Farbcode mit möglichst wenigen Fragen zu erraten. Die Auf- 

gabe des Codierers nach dem Festlegen des Farbcodes ist vollkommen vorherbestimmt; 

er hat keinerlei Wahl, kann sich freilich noch irren, weshalb der Part des Codierers einem 

Computer anvertraut werden kann. 

1.3 Funktionen 

Grundfunktionen 

Als Grundfunktionen wurde durch die Teilnehmer die Funktionen klassifiziert, die als 

Mindestziel zum Ende des Projekts erreicht bzw. realisiert werden sollen. Dabei hat man 

sich auf die folgenden Grundfunktionen geeinigt: 

� Farbliche Visualisierung der Codes unter Verwendung von LEDs 

� Eingabemöglichkeit zur Steuerung des Geräts 

� LCD–Anzeige mit Menü 

� manuelle Codevorgabe 

� automatische (zufällige) Codevorgabe 

� Farbvergleiche und Auswertung anhand von LEDs (Grundspielprinzip) 

Zusatzfunktionen 

Als Zusatzfunktionen wurden die Funktionen klassifiziert, die als nicht zwingend notwen- 

dig zur Realisierung des elektronischen Spiels angesehen werden, jedoch wünschenswert 

wären. Diese Funktionen sind dementsprechend als variabel anzusehen und werden nur 

unter Beachtung des Zeit- und Budgetlimits ins Auge gefasst. 

5

Als Zusatzfunktionen haben sich dabei die nachfolgenden Punkte in absteigender Prio- 

rität herauskristalisiert: 

� verschiedene Schwierigkeitsstufen (Level) 

� Soundausgabe 

� Highscoreliste im LCD–Display mit zugehöriger Ausgabe der benötigten Versuche 

� PIN–Abfrage zum Löschen der Highscoreliste 

1.4 Termine 

Termin-Nr. Datum Ziel/Aufgabe 

5. 17.11.08 – 21.11.08 Wandplakat, Zwischenbericht 

6. 24.11.08 – 28.11.08 Platinenlayouts 

14. 03.02.09 – 07.01.09 Präsentationsfolien, Homepage 

A 09.02.09 Abschlussbericht 

P 11.02.09 Präsentationstermin 

2 LCD Anzeige mit Menü 

2.1 LCD Menü 

Für die elektronische Variante des Spiels ist eine interaktive Benutzerführung mittels 

eines LCD-Menüs unabdingbar. Dieses Menü ermöglicht den gewünschten Befehl intuitiv 

aus einer Liste auszuwählen und ausführen, ohne genaue Kommandos zu kennen. 

Das Menü ist dazu, wie in Abbildung 2 gezeigt, hierarchisch angeordnet. 

6

Abbildung 2: Baumstruktur des Menüs des LCD-Displays 

Die oberste Zeile des LCD-Menüs soll lediglich die Überschrift >>Mastermind

die entsprechende Funktion ausgeführt oder es erscheinen in einer dritten Zeile die zu- 

gehörigen Untermenüpunkte. Diese Punkte können ebenfalls ausgeführt werden oder 

öffnen eine weitere (vierte) Ebene. 

Bedienfeld 

Da das LCD-Display eine begrenzte Anzahl an Zeichen hat, wird nur ein Begriff pro Zeile 

dargestellt. Durch ein Bedienfeld können die Menüpunkte horizontal (links und rechts) 

durchgetoggelt werden. Um in eine andere Ebene zu gelangen kann vertikal durchgeschal- 

tet werden. Der gewünschte Befehl wird durch eine Eingabe-Taste ausgewählt. Um also 

durch das Menü navigieren zu können werden vier Richtungs-Tasten und eine Eingabe- 

Taste benötigt. 

Mit Hilfe einer Escape-Taste kann man aus jedem Untermenüpunkt heraus zu dem 

nächst höheren Menüpunkt wechseln bzw. in der Hauptmenü-Ebene zurück zum Start- 

bildschirm gelangen. (siehe Abb.3) 

2.2 LCD Ansteuerung 

Bei dem von uns eingesetzten LCD-Panel handelt es sich um einen 4 Zeilen und 16 

Zeichen Text-LCD-Display, der einen HD44780 Controller verwendet. Prinzipiell kann 

der LCD-Display im 4-bit-Modus und im 8-bit-Modus angesteuert werden. Der 4-bit- 

Modus hat den Vorteil, dass er nur vier Datenleitungen (DB4 bis DB7 am LCD) anstatt 

acht benötigt und daher bevorzugt wird. 

Neben den vier Datenleitungen werden noch die Steuerleitungen RS, RW und EN benötigt. 

Wobei RW auf Masse gesetzt werden kann. Die Gesamtanzahl der Leitungen zwischen 

Mikrocontroller und LCD beläuft sich somit auf sechs. 

� Über RS wird ausgewählt ob man einen Befehl oder ein Datenbyte an das LCD 

schicken möchte. Wenn RS Low ist wird das ankommende Byte als Befehl inter- 

pretiert. Ist RS high wird das Byte auf dem LCD angezeigt. 

� RW legt fest, ob geschrieben oder gelesen werden soll. 

8

� Der EN Anschluss signalisiert dem LCD-Display, dass die Datenleitungen einen 

korrekte Pegel angenommen haben und es die gewünschten Daten von den Daten- 

leitungen bzw. Kommandos von den Datenleitungen übernehmen kann. 

Der Anschluss des LCD-Displays an die restliche Schaltung erfolgt über eine von uns 

definierte Schnittstelle unter Zuhilfenahme eines 10adrigen Flachbandkabels. (Schnitt- 

stelle: siehe Abb.22) 

3 Spielsteuerung 

Einige elektronische Anforderungen an unser Projekt entstanden aus der Not heraus, 

die uns die gegebene Umwelt vorsetzte. So sollte unser Mastermind in einer Glasvitrine 

ausgestellt werden aber von außen jederzeit bedient werden können. Die Herausforde- 

rung bestand nun darin eine Lösung zu finden, die Abseits von nach außen gelegten 

Schaltern funktioniert. Die Elektrotechnik bietet dafür eine Vielzahl von Möglichkeiten 

dieses Problem zu bewältigen. 

3.1 Wahl des Näherungsschalters 

Welches Verfahren zur Abstandsmessung geeignet ist hängt von vielen umgebenen Fak- 

toren ab. So muss überprüft werden, welches Verfahren z. B. durch ein anderes Medium 

hindurch messen kann oder wie hoch die Empfindlichkeit des Sensors gewählt werden 

muss, um mit ausreichender Sicherheit messen zu können. 

Die für unseren Näherungssensor gegebenen Anforderungen sind: 

� Abstandsmessung bis 3cm Abstand 

� Abstandsmessung durch Glas (Vitrinenscheibe) 

� Abstandsmessung eines Objektes mit niedriger Dielektrizitätskonstante ɛr (nicht- 

metallisch) 

Viele verschiedene Messverfahren wie z.B. die optische Messung über Laser oder die Mes- 

sung über Radarwellen erfüllen diese Anforderungen. Wir haben uns in diesem Projekt 

auf die Messung des Abstandes mittels kapazitiven Näherungssensoren geeinigt. 

9

3.2 Kapazitiver Näherungsschalter 

Zwei Potentiale, die sich nicht ausgleichen können bilden zueinander eine Kapazität. 

Dabei ist eine Kapazität zwischen zwei Potentialen z. B. umso größer, je kleiner der 

Abstand zwischen diesen Potentialen ist. Zur weitern Erläuterung soll hier von einem 

Plattenkondensator ausgegangen werden. 

C = ɛ0 · ɛr · A 

d 

Wie in Gleichung 1 ersichtlich, verändert sich die Kapazität zusätzlich mit der Größe der 

Fläche A sowie der Dielektrizitätskonstante ɛr. Die Idee für den kapazitiven Näherungsschalter 

ist es, eine leitende elektrische Fläche fest vorinstalliert als ein Potential zu nehmen um 

dann die Änderung der Kapazität durch Veränderung des Abstandes d des zweiten Po- 

tentials zu messen. Das zweite Potential soll dabei der menschliche Finger erzeugen, 

der durch seinen Körper entweder eine Verbindung zur Erde oder ein anderes Potential 

besitzt. Das zweite Potential ist somit auf jeden Fall anders als das erste Potential der 

elektrischen Schaltung. 

Abbildung 4: Darstellung der Funktion des Menschen als zweite Kapazität für den Sensor 

Bei der Annäherung eines anderen Potentials (z. B. durch die Annäherung eines Fingers) 

wird die Kapazität im Reihenschwingkreis verändert welches auch eine Veränderung in 

der Resonanzfrequenz, wie in Gleichung 2 ersichtlich, bewirkt. 

fResonanz = 

1 

2π · √ L · C 

Die Güte eines Schwingkreises bestimmt die Empfindlichkeit eines Schwingkreises auf 

Veränderungen um die Resonanzfrequenz. Für unsere Aufgabe ist eine, etwas unüblich, 

10 

(1) 

(2)

kleine Güte gefordert, da hier der Schwingkreis schon bei kleinen Änderungen um die 

Resonanzfrequenz aus seiner Resonanz ausbrechen soll. 

3.3 Resonanzfall im RLC Reihenschwingkreis 

Um den Resonanzfall besser zu verstehen, ist es sinnvoll, die dort fließenden Ströme 

etwas genauer zu betrachten. Die Richtung der Ströme der Bauteile zueinander, sowie 

deren Anteil an imaginärem Strom sind entscheidend für den Effekt im Resonanzfall. 

Wie oben schon beschrieben sind im Reihenschwingkreis Widerstand Spule und Kon- 

densator in Reihe geschalten. Durch Spule und Kondensator fließt derselbe Strom; an 

der Spule bildet sich aber eine gegenüber dem sinusförmigen Wechselstrom um 90� vor- 

eilende Spannung aus, am Kondensator eine um 90� nacheilende. Die Spannungen sind 

gegeneinander gerichtet, so dass deren Summe dem Betrage nach stets kleiner ist als je- 

de Einzelspannung. Im Sonderfall heben sie sich auf, was einem Kurzschluss entspricht. 

Dieser Fall heißt Reihenresonanz oder Serienresonanz eines LC-Reihenschwingkreises. 

Er wird erreicht bei der Resonanzfrequenz des Schwingkreises. 

Bei dem zu implementierenden kapazitiven Näherungsschalter wird also ein Reihenreso- 

nanzschwingkreis, bestehend aus einer Spule und einem Kondensator, aufgebaut, welcher 

sich in Resonanz befindet. Dazu wird an den Schwingkreis eine Wechselspannung mit 

entsprechender Resonanz-Frequenz angelegt. 

Wobei zu beachten ist, dass bei einem realen LC-Schwingkreis immer eine Widerstands- 

komponente auch ohne die Verwendung eines Widerstandsbausteins enthalten ist. 

Es wird also ein realer RLC-Reihenschwingkreis gemäß der folgenden Abbildung (Abb. 

5) aufgebaut: 

Parallel zu der in der Abbildung befindlichen Kapazität wird zusätzlich noch eine Kon- 

densatorplatte bestehend aus einer einfachen Kupferfläche angeordnet. 

Wird nun wie schon im Bild 4 schematisch dargestellt ein Finger in die Nähe der Kup- 

ferfläche gebracht, so bildet der menschliche Körper die zweite Kondensatorplatte. 

Da die Kupferplatte parallel zu dem im Reihenschwingkreis verwendeten Kondensator 

angeschlossen ist, gilt demnach die folgende Formel zur Parallelschaltung von Konden- 

11

Abbildung 5: Reihenschwingkreis bestehend aus Widerstand, Spule und Kondensator 

satoren: 

Cges = CSchwingkreis + CKoerper 

Somit wird die Eigenfrequenz des zuvor in Resonanz schwingenden Reihenschwingkrei- 

ses verändert, wodurch dieser nicht mehr in Resonanz schwingt und somit einen höhere 

Impedanz besitzt. 

Dieser Effekt lässt sich am besten anhand eines Zeigerdiagramms erläutern. 

Unter Berücksichtigung der jeweils an der Spule und dem Kondensator auftretenden 

Phasenwinkel von +90 ◦ an der Spule und −90 ◦ an dem Kondensator zwischen Strom 

und Spannung, ist es möglich ein zum Schaltbild (Abb.5) gehörendes Zeigerdiagramm 

zu skizzieren, welches das Zustandekommen der Impedanz deutlich macht. 

Befindet sich der Schwingkreis also in Resonanz, so sind die beiden Zeiger XL und XC 

zueinander entgegengerichtet und gleich groß, wodurch sie sich gegenseitig aufheben 

und die Gesamtimpedanz Z = R sich ausschließlich aus dem Ohmschen Widerstand der 

Schaltung R ergibt. 

Wird nun die Kapazität des Schwingkreises aufgrund der Fingerberührung erhöht, so 

verringert sich die Impedanz der zwei parallel zueinander geschalteten Kondensatoren 

12 

(3)

Abbildung 6: Zeigerdiagramm des Reihenschwingkreises aus Abb.5 

gemäß der folgenden Formel: 

XC = 

1 

jω(CSchwingkreis + CKoerper) 

Entsprechend dieser Formel wird auch der Zeiger, der einen Phasenwinkel von −90 ◦ auf- 

weist kleiner und die Gesamtimpedanz Z wird gemäß der Formel Z = � R 2 + (XC − XL) 2 

größer. 

Nun könnte man die Widerstandsänderung unter Zuhilfenahme einer Wheatstone-Brücke 

messen und auswerten. Jedoch würde man dabei den eigentlichen Effekt des Resonanz- 

schwingkreises nicht ausnutzen und die Änderung wäre genauso groß wie bei einer RC- 

Reihenschaltung mit parallel geschalteter Kapazität. 

Deshalb wird nicht die Widerstandsänderung gemessen, sondern die über der Spule ab- 

fallende Spannung. 

Denn diese Berechnet sich gemäß der folgenden Formel zu: 

UL = jωL 

Z Ue = ωL 

|Z| Ue 

π 

j( 

e 2 −ϕ) 

Wird nun aufgrund der Erhöhung der Kapazität, der Schwingkreis aus dem Resonanzfall 

herausgebracht und somit die Gesamtimpedanz vergrößert, so bricht auch die zuvor im 

Resonanzfall an der Spule auftretende relativ hohe Spannung plötzlich ein. 

Dieser Effekt wird in dem folgenden Bild gut Sichtbar: 

13 

(4) 

(5)

Abbildung 7: Spannungsverlauf UL zu Ue in Abhängigkeit der Frequenz am RLC- 

Schwingkreis (L = 470µH, R = 20Ω) 

In dem Bild wird deutlich, dass die Spannungsverstärkung bei Änderung der Kapazität 

um nur ∆C = 33nF vom ca. 5-fachen der Eingangsspannung UL = 5Ue auf ungfähr nur 

noch das doppelte UL = 2Ue abfällt. 

Noch stärker wirkt sich der Effekt auf die Kondensatorspannung UC aus, die nach fol- 

gender Formel berechnet wird: 

UC = 

1 

jωC · Z Ue = 1 

ωC|Z| Ue 

π 

−j( 

e 2 +ϕ) 

Der Effekt wird dabei anhand der Abbildung 8 deutlich. Hier fällt die Verstärkung der 

Eingangsspannung sogar vom 5-fachen UC = 5Ue auf das 1-fache UC = Ue ab. 

14 

(6)

Abbildung 8: Spannungsverlauf UC zu Ue in Abhängigkeit der Frequenz am RLC- 

Schwingkreis (L = 470µH, R = 20Ω) 

3.4 Auswertung der Kapazitätsänderung 

Zur Verwertung der Spannungsänderung wird die Schaltung des kapazitiven Sensors 

noch um den Spitzenwertgleichrichter erweitert. 

Mithilfe der in Bild 9 dargestellten Schaltung wird die Spannung des RLC-Reihenschwingkreises 

auf den Spannungsspitzenwert geglättet, sodass diese nun mit der Spannung eines va- 

riablen Spannungsteilers verglichen werden kann. Der Vergleich der beiden Spannungen 

erfolgt über einen Komparator der das binäre Ausgangssignal 0V und 5V erzeugt. Der 

kapazitive Näherungsschalter arbeitet damit mit einer befriedigenden Empfindlichkeit 

und Genauigkeit. Die Schaltung ist im Bild 23 mit Eagle dargestellt. 

15

Abbildung 9: Schaltung des Spitzenwertgleichrichters 

3.5 Layout des kapazitiven Bedienfeldes 

Das kapazitive Bedienfeld besteht lediglich aus auf einer Leiterplatine geätzten Kupfer- 

flächen, die über eine Schnittstelle mit der Kapazitätsmessschaltung verbunden sind. 

Somit ist es unter Zuhilfenahme eines 10adrigen Flachbandkabels möglich dieses an 

beliebiger Stelle anzubringen bzw. einzusetzen und es kann mit beliebigen anderen Tas- 

tenlayouts ausgetauscht werden. 

Das von uns entworfene Tastenlayout sieht folgendermaßen aus: 

Abbildung 10: Layout des kapazitiven Bedienfeldes 

16

3.6 Erfahrungen und Verbesserungsmöglichkeiten 

Während der Arbeiten mit den kapazitiven Tastern sind wir auf einige Probleme ge- 

stoßen, die hier noch zu erwähnen sind. Da in unserer Schaltung alle sechs kapazitiven 

Taster ein Rechtecksignal bekommen, bestand ein großer Teil unserer Arbeit an die- 

ser Schaltung darin eine Frequenz zu finden die einerseits vom ATmega über den CTC 

(ClearTimerOnCompareMatch) Modus erzeugt werden konnte und andererseits in allen 

Schaltungen trotz Bauteilschwankungen den Resonanzfall trifft. Diese Arbeit entpuppte 

sich häufig als Fummelei und sollte durch einen besseren Schaltungsentwurf umgangen 

werden. Einerseits sollte man sich überlegen, wie man die Frequenz genauer einstellen 

kann (z. B. über einen VCO) oder andererseits die Bauteilschwankungen umgehen kann. 

Dies lässt sich z. B. über das Multiplexen der Tasten realisieren, bei denen nur ein RLC 

Schwingkreis für alle Tasten benutzt wird und alle Tasten nacheinander zugeschalten 

werden. 

Abgesehen davon wäre die Verwendung eines Tastenlayouts mit größeren Tastenabständen 

ebenfalls von Vorteil gewesen. 

4 LED-Spielfeld 

4.1 LED Auswahl 

Das Spielfeld von MasterMind hat in unserem Fall vier Spalten und elf Zeilen. Für die 

Auswertung des geratenen Codes werden zusätzlich dazu pro Zeile weitere vier Spalten 

notwendig. 

Somit beläuft sich die LED-Matrix auf eine Gesamtanzahl von elf Zeilen und acht Spalten 

mit der Gesamtheit von 88 Leucht-Bauelementen. 

4.1.1 RGB LEDs 

Für das Spiel müssen mindestens sechs Farben zur Verfügung stehen. Um diese erzeu- 

gen zu können, wurde festgelegt, die Farben aus den drei Grundfarben-LEDs Rot, Grün 

und Blau zu mischen. Es bestand einerseits die Möglichkeit, dies durch die Verwendung 

von drei einzelnen LEDs zu realisieren. Eine andere Lösung bestand darin RGB-LEDs 

17

zu benutzen. Der Preis für diese lag zwar über dem von einzelnen LEDs, jedoch ist 

der Platzbedarf der RGB-LEDs wesentlich geringer und ermöglicht so ein kompakteres 

Gehäuse mit besser zu verwirklichender Farbmischung aufgrund nahe beieinanderliegen- 

den p-n-Übergängen. 

Aufgrund dieser Überlegung fiel die Wahl auf RGB-LEDs. Diese beinhalten quasi drei 

Grundfarben LEDs also drei p-n-Übergänge in einem Gehäuse (Spektrale Strahlungsver- 

teilung: siehe Datenblatt). Dementsprechend besitzt sie drei Anoden und eine Kathode 

und es ergeben sich pro RGB-LED drei Steuerleitungen. Um nun jede Farbe (mindestens 

sechs) mischen zu können, muss die Lichtstärke jeder Grundfarbe in der RGB-LED ein- 

zeln angesteuert werden. Möglich ist dies durch Änderung des elektrischen Stromflusses, 

da dieser im linearen Verhältnis zu der Lichtstärke steht. 

4.1.2 Bicolor LEDs 

Abbildung 11: Gewählte RGB-LED 

Um dem Spieler ein Feedback zu seinem gesetzten Code zu geben, sind bei dem Spielfeld 

von MasterMind pro Zeile vier weitere Felder vorgesehen. Im Original werden weiße 

und schwarze Pins gesetzt. Angepasst auf das Projekt bedeutet dies, das drei Zustände 

existieren: Farbe 1, Farbe 2, aus. Da schwarz und weiß so nicht realisierbar ist, wird 

stattdessen rot und grün benutzt. Um nun pro Feld diese zwei Farben erzeugen zu 

können verwenden wir Bicolor LEDs. Der Einsatz von zwei einfarbigen LEDs pro Feld 

wäre denkbar, aber aus Platzgründen ungünstig. Dem Originalspiel entsprechend sollen 

die vier Bicolor LEDs quadratisch neben einer Spalte angeordnet werden. Daher wurde 

die Verwendung von 3mm Bicolor LEDs festgelegt. Die LEDs verfügen über zwei p-n- 

Übergänge in einem Gehäuse und werden über zwei Anoden (jeweils für eine Farbe) und 

eine Kathode mit Strom versorgt. 

18

4.2 Ansteuerung der LEDs 

Abbildung 12: Gewählte bicolor-LED 

Durch die Auswahl von RGB- und Bicolor LEDs beläuft sich die gesamte Anzahl der 

LEDs auf: 

11 · 4 RGBs +11 · 4 Bicolors = 88 LEDs 

Wie bereits erläutert sind zur Ansteuerung der RGB-LEDs (3 p-n-Übergänge) drei und 

für die Bicolor LEDs (2 p-n-Übergänge) zwei Steuerleitungen notwendig. Somit ergibt 

sich die theoretische, nicht praktikable Anzahl von 220 nötigen Steuerleitungen. 

4.2.1 LED Matrix 

Die Verwendung der errechneten Anzahl an Steuerleitungen ist unökonomisch, zudem 

wären mehrere Mikrocontroller zur Ansteuerung nötig. Eine weitaus elegantere Lösung 

besteht darin eine LED-Matrix im Zeilenmultiplexbetrieb zu verwenden. Abbildung 13 

zeigt eine derartige Matrix. 

Die Methode besteht darin, dass immer nur eine Zeile leuchtet (gesteuert durch die Zei- 

lensteuerleitungen Z0...Z5 ). Die anderen Zeilen sind ausgeschaltet. Aufgrund der Tat- 

sache, dass das menschliche Auge Bilder, die sich schneller als ca. 20 Bilder/s bewegen, 

nicht getrennt wahrnehmen kann, können also die Zeilen mit genügend hoher Geschwin- 

digkeit durchiteriert werden, ohne dass der Betrachter dies bemerkt. Über die Farbsteu- 

erleitung (FS1...FS7 ) werden mittels Pulsweitenmodulation (siehe 4.2.2) unterschiedlich 

hohe Ströme injiziert. 

19

Anzahl der Steuerleitungen 

Abbildung 13: Auschnitt einer LED Matrix 

Es ergeben sich somit für die vier Spalten RGB LEDs 12 Farbsteuerleitungen, und 

für die Bicolor LEDs weitere 8. Da das Spielfeld aus elf Zeilen besteht sind weitere 11 

Zeilensteuerleitungen erforderlich. Diese müssen jedoch nicht wie die Farbsteuerleitungen 

Pulsweitenmoduliert angesteuert werden und können deshalb mittels eines Multiplexer- 

Bausteines (4to16), mit nur 4 Leitungen vom Mikrocontroller gesteuert werden. Somit 

ergibt sich die endgültige Anzahl von 24 nötigen Steuerleitungen. 

Die in Hardware realisierte LED-Matrix und Grundlage des Spiellayouts ist im Folgenden 

zu sehen: 

20

4.2.2 Pulsweitenmodulation 

Abbildung 14: LED-Spielfeld 

Mittels der Pulsweitenmodulation kann ein elektronisches Bauelement mit unterschied- 

lichen Spannungen angesteuert werden. Hierzu wird das Tastverhältnis (engl. Duty cyle, 

D = Tein/TP eriode) bei einer konstanten Frequenz variiert. Wie im Abschnitt RGB LEDs 

(siehe 4.1.1) bereits erklärt wurde wird die Helligkeit der Grundfarben jedoch nicht 

durch die Spannung aber durch die Höhe des Stromes gesteuert. Aus diesem Grund 

wird der Stromfluss mit einem Vorwiderstand eingestellt, durch das Ohmsche Gesetz 

ist dieser bei einem konstantem Widerstand wieder direkt proportional zur Höhe der 

Versorgungsspannung. 

Um nun die mittlere Spannung oder den mittleren Strom zu ermitteln muss das Mittelwert- 

21

Integral gelöst werden. 

Abbildung 15: PWM-Signal mit einem Tastverhältnis D = 0.25 

Im = 1 

TP 

� TP 

0 

i(t)dt = 1 

TP 

� Tein 

0 

Ieindt + 1 

TP 

� TP 

Da der Strom Iaus = 0 sein soll ergibt sich der mittlere Strom zu: 

4.2.3 Anwendung der PWM 

Im = Tein 

TP 

· Iein = D · Iein 

Tein 

Iausdt (7) 

Tests im Labor haben gezeigt das eine LED, die mittels eines PWM-Signals angesteuert 

wird, ab einer Frequenz von 100Hz (TP = 10ms) als ” flimmerfrei”wahrgenommen wurde. 

Da durch elf Zeilen iteriert werden muss ergibt sich ein Tastverhältnis von DI = 1/11. 

Daraus ergibt sich die maximale Zeit die eine einzelne Diode betrieben werden darf: 

(8) 

TE = DI · TP ≈ 0, 9ms. (9) 

Nur während dieser Zeit kann ein, durch die PWM modulierter, Strom (Iein) fließen, 

welcher multipliziert mit dem Tastverhältnis DI den geringeren mittleren Strom Im 

ergibt. 

Im = DI · Iein 

Gemäß der Pulsweitenmodulationstheorie wird der Strom Iein durch ein- und ausschal- 

ten eines konstanten Stromes Iconst gesteuert, also durch Variation eines Tastverhältnises 

22 

(10)

DII. Die konstante Periodendauer ist die in (9) berechnete maximale Betriebszeit einer 

einzelnen Diode. Die Höhe des Stromes wird also nur durch die Einschaltzeit Tein (ma- 

ximal TE) gesteuert. 

Iein = DII · Iconst = Tein 

TE 

· Iconst 

Durch Einsetzen des Stromes Iein in die Gleichung (10) erhält man die Formel zur Be- 

rechnung des mittleren Stromes in Abhängigkeit von Tein. 

LED Strom 

Im = DI · DII · Iconst = 1 

11 

· Tein 

TE 

· Iconst 

Die gewählten RGB und Bicolor LEDs besitzen ein sehr hohe Lichtstärke von bis zu 

500mCd und einen Abstrahlwinkel von 60�. Um für eine Grundfarbe der RGB-LED 

die relative Lichtstärke von 1 zu erhalten ist gemäß Datenblatt ein Strom von 20mA 

erforderlich. Gleiches gilt für die Bicolor LEDs. Tests im Labor ergaben, dass bereits bei 

einem Strom von 1-2mA die LEDs als ausreichend Hell empfunden werden. Aus diesem 

Grund wird der Strom Iconst auf 20mA für jeden p-n-Übergang beschränkt. 

4.3 Hardware-Setup 

4.3.1 Spaltentreiber 

Der Ausgang des Mikrocontrollers kann maximal 40mA liefern. Für eine direkte An- 

steuerung eines einzigen p-n-Übergang reicht dieser Strom aus, allerdings müssen bis zu 

20 p-n-Übergänge gleichzeitig von dem Mikrocontroller angesteuert werden, also bis zu 

400mA (bei Iconst = 20mA). Der maximal möglich Strom des Mikrocontroller beträgt 

200mA. Es muss eine Treiberstufe zwischen dem µC-Ausgang und den LEDs geschaltet 

werden. Eine einfache Treiberstufe ist in Abbildung 16 dargestellt. Der Ausgang des 

Mikrocontrollers ist über ein Basiswiderstand (RB) mit der Basis des NPN Transistors 

verbunden. Der Widerstand begrenzt den Basisstrom Ib. Ist dieser zu klein schaltet der 

Transistor nicht voll durch und es entsteht mehr Verlustleistung am Transistor. Ein zu 

großer Strom wiederum kann den Ausgang des dem Mikrocontrollers zu stark belasten. 

Zur Berechnung der Basiswiderstände der Transistoren sollte man von der minimalsten 

23 

(11) 

(12)

Abbildung 16: Treiberstufe 

Ausgangsspannung des Mikrocontrollers (4,5V) ausgehen, um das Durchschalten des 

Transistors immer zu gewährleisten. Die LED Spannung sind für Rot, Grün und Blau 

unterschiedlich und müssen dem Datenblatt entnommen werden. 

RB = UµC − ULED − UBE 

Ib = IC 

hfe 

Der Vorwiderstand RV dient zur Festlegung des Kollektor-Emitter-Stroms Ic. Die Span- 

nung URV ist abhängig von der Versorgungsspannung U0 und der Spannung UF über 

die LED. Dabei ist zu beachten das sowohl bei den Bicolor LEDs als auch bei den RGB 

LEDs über die einzelnen p-n-Übergägne ein andere Spannung abfällt (siehe Datenblatt). 

RV = URV 

Ic 

24 

Ib 

= U0 − UF 

Ic 

(13) 

(14) 

(15)

4.3.2 Zeilenmultiplexer 

Zum durchiterieren der elf Zeilen wird ein 4-to-16 line Decoder(74HC4514) verwendet. 

Bei der Berechnung des Basiswiderstands, des Transistors der durch den Decoder ange- 

steuert wird, ist zu beachten das der Strom IC die Summe aller Kollektorströme dieser 

Zeile ist (80mA bis max. 400mA). 

5 Sound 

R = UDec − UBE 

Ib = IC 

hfe 

Als weitere optionale Komponente für das Mastermindspiel wurde eine Soundwiedergabe 

vorgesehen. Der Sound wird dabei über Hardware-PWM aus binären Werten (WAV) 

dargestellt. 

Abbildung 17: schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen PWM und ana- 

logem Signal 

25 

Ib 

(16) 

(17)

Die gespeicherten WAV-Dateien enthalten ihre Informationen über den Sound codiert in 

Form von Hex-Werten. Zur Wiedergabe des Sounds wird dabei der Ausgangspin propor- 

tional den Hex-Werten zwischen 0V und 5V getoggelt. Dabei entsteht eine Pulsweiten- 

modulation die, wie in Bild 17 schematisch dargestellt, je nach Amplitudenwert variiert 

und somit die codierten Binärwerte in entsprechende Pulsweiten umgesetzt. Das PWM- 

Signal wird anschließend anhand eines Tschebycheff Tiefpaß-Filters 5. Ordnung geglättet 

und mittels Audioverstärker (TDA7053a) entsprechend der beim Audioverstärker anlie- 

genden DC-Volume-Control-Spannung verstärkt (siehe Schaltplan Abb.24). 

6 Externe Speicherquelle (SD-Karte) 

Zum Abspielen der Sounds durch Ausnutzung der Hardware-PWM des Mikrocontrollers 

benötigen wir eine Quelle für die PWM-Werte des abzuspielenden Sounds. 

Da der interne Flash-Speicher eines Mikrocontrollers sehr schnell an seine Grenzen stößt 

und bei einer Quantisierung des Audiosignals von 8Bit und einer Samplerate von 8Khz 

(mono), unter Verwendung eines ATMEGA32 nicht über 4 Sekunden hinaus gehen kann, 

wird der Einsatz eines externen Speichers, zur sinnvollen Wiedergabe einer Sounddatei, 

notwendig. 

Als einfachste und günstigste Methode zur Verwendung eines externen Speichers hat 

sich dabei der Einsatz einer SD- bzw. MMC-Karte ergeben. 

6.1 Aufbau und Wahl einer SD-Karte 

Die Speicherkarte besitzt einen integrierten ” Controller”. Sie ist 32mm×24mm×2, 1mm 

groß und hatte zu Beginn eine Kapazität von 8 Megabyte. Nachfolgende Karten verdop- 

pelten den Speicherplatz jeweils (16, 32, ... MB), so dass heute Kapazitäten von bis zu 

32 Gigabyte verfügbar sind. 

Da es sich bei der Soundausgabe lediglich um eine optionale Funktion des MasterMind- 

Projektes handelt, sollen hierbei bereits frei verfügbare Software-Bibliotheken zur An- 

steuerung der SD/MMC-Karte zum Einsatz kommen. Da diese lediglich für den SD und 

nicht den SDHC-Standard (ab 4GB) ausgelegt sind und aus Rücksicht auf den überhaupt 

26

Abbildung 18: SD-Karte: Äußerer und innerer Aufbau 

benötigten Speicherplatz und Preis/Leistungs-Verhältnis fiel die Wahl auf eine 2GB SD- 

Speicherkarte der Firma Kingston. 

6.2 Ansteuerung der SD-Karte 

Die SD-Karte besitzt die nachfolgend Dargestellte Pinbelegung: 

Abbildung 19: Pinbelegung einer SD- und MMC-Karte 

Weshalb die Kartenhalterung bei Verwendung lediglich des Dat0-Pins ebenfalls das Le- 

sen und Schreiben auf MMC-Karten ermöglicht. 

Die SD/MMC-Karte hat einen Spannungsbereich von 2,9 - 3,6V. 

27

Die Spannungsversorgung der SD-Karte erfolgt über eine Kartenhalterung bei der der 

Vcc-Pin an einen Spannungsregler angeschlossen ist, der die Spannung auf konstante 

V cc = 3.3V regelt. 

Zur Kommunikation mit dem von uns verwendeten ATMEGA32 Mikrocontroller wird die 

SD-Kartenhalterung mit der SPI-Schnittstelle des Mikrocontrollers über einen Span- 

nungsteiler verdrahtet. 

Diese Vorgehensweise ist notwendig, da der Mikrocontroller mit 5V Versorgungsspan- 

nung betrieben wird und somit beim Schreib- bzw. Lesezugriff auf die mit 3.3V betrie- 

bene SD-Karte, diese zerstören könnte. 

Die konkrete Verdrahtung findet sich in dem folgenden schematischen Schaltbild wieder: 

Abbildung 20: Beschaltung einer SD/MMC-Karte 

Zum Anschließen eines einzelnen Slaves an die SPI-Schnittstelle des Mikrocontrollers, in 

unserem Fall die SD-Karte, werden insgesamt vier Leitungen benötigt (siehe Abb.20): 

28

� SS (Slave select): Mit dieser Leitung wird ausgewählt, welcher Slave angesprochen 

wird, indem diese Leitung auf low gezogen wird. 

� MISO (Master in, Slave out): Datenleitung, die vom Master an alle Slaves verbun- 

den ist. Hier sendet der angesprochene Slave Daten an den Master. 

� MOSI (Master out, Slave in): Wie oben, aber hier werden Daten vom Master an 

den angesprochenen Slave übertragen. 

� SCK (Serial Clock): Ebenfalls an den Master und alle Slaves angeschlossen, hier 

gibt der Master den Takt der Übertragung an. Ein Slave kann nicht von sich aus 

Daten senden, sondern nur, wenn bei ihm SS auf low gezogen wurde und der Master 

ein Taktsignal vorgibt. 

Auf diese Art und Weise wurde es uns möglich auf der SD-Karte nahezu beliebig lange 

Audiodateien im 8Bit, 8kHz (mono) - Format abzulegen und abzuspielen. 

7 verwendete Microcontroller 

Aufgrund verschiedener Aufgaben und Anforderungen an die Mikrocontroller wurden 

auch die Mikrocontroller entsprechend ihrer Aufgaben auf die einzelnen Platinen ver- 

teilt und ausgelegt. Durch die hohe Anzahl an I/O PINs zur Steuerung und Bedie- 

nung der LED-Matrix sowie die hohe Anzahl an geforderten Timern ist die Entschei- 

dung zur Bewältigung dieser Aufgaben auf einen ATmega128 gefallen. Dieser enthält 

in seinem internen Speicher nicht nur Code für die Interruptauswertung der Tasten, 

Darstellung der Matrix samt PWM, Zeileniteration und Spielzugauswertung sondern 

auch den Code für die komplette Struktur des LCD-Menüs. Trotz der hohen Anzahl an 

I/O PINs des ATmega128 von 53 programmierbaren PINs musste deren Verwendung 

sparsam und mit Bedacht eingesetzt werden. Für die Soundausgabe mitsamt der SD- 

Karten-Ansteuerung über die SPI-Schnittstelle sowie für die PWM zur Anregung des 

RLC-Reihenschwingkreises wurde ein zweiter Mikrocontroller ein ATmega32 eingesetzt. 

Beide Microcontroller werden mit einem 16MHz Quartz betrieben. 

29

8 Fazit 

Im Laufe des Wintersemesters 08/09 hat sich die Gruppe ele21 zur Aufgabe gemacht 

ein elektronisches Mastermind-Spiel zu entwerfen und hat folgende selbstgesetzten Ziele 

erreicht: 

√ Entwicklung eines leicht zu bedienenden Spieles nach den Spielregeln des Vorbildes 

√ Farbliche Visualisierung der Codes unter Verwendung von LEDs 

√ Eingabemöglichkeit zur Steuerung des Geräts über kapazitive Nährungsschalter 

√ LCD–Anzeige mit Baum-Menü-Struktur 

√ manuelle Codevorgabe 

√ automatische (zufällige) Codevorgabe 

√ Farbvergleiche und Auswertung anhand von LEDs (Grundspielprinzip) 

Desweiteren wurden noch zusätzliche ” Nice-To-Have“-Funktionen implementiert, die zu 

Beginn des Projektes als optionale Komponenten festgelegt wurden. Die zusätzlich im- 

plementierten Features sind: 

√ verschiedene Schwierigkeitsstufen (Level) 

√ Highscoreliste im LCD–Display mit zugehöriger Ausgabe der benötigten Versuche 

√ PIN–Abfrage zum Löschen der Highscoreliste 

√ Soundbegleitung während des Spielbetriebs und zugehöriges Ansteuern einer SD- 

Karte als Musikspeicher 

Somit wurden nicht nur alle für dieses Projekt gesetzten obligatorischen Ziele erreicht, 

sondern auch noch weitere Zusatzfunktionen implementiert. 

Der zeitliche Aufwand für dieses Projekt war zwar groß doch dafür ist letzlich ein ge- 

lungenes und vor allem unterhaltsames Spiel entstanden (siehe Abb.21). 

30

Abbildung 21: Darstellung der fertigen Schaltung mit LCD Display im Spielbetrieb 

31

9 Schaltpläne unnd Boardlayouts 

9.1 Schaltplan LED-Matrix 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 

A 

A 

T13 

2N3904 

+5V 

B 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

Bicolor 

RG_S1_Z11 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z10 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z9 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z8 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z7 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z6 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z5 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z4 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z3 

red 

Bicolor 

RG_S1_Z2 

red 

T14 

2N3904 

Bicolor 

RG_S1_Z1 

red 

R40 

120 

R41 

120 

R26 

820 

R27 

820 

RG_S1_GRUEN 

B 

+5V 

T15 

2N3904 

+5V 

RG_S1_ROT 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

Bicolor 

RG_S2_Z11 

red 

Bicolor 


red 

Bicolor 

RG_S2_Z9 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z8 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z7 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z6 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z5 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z4 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z3 

red 

Bicolor 

RG_S2_Z2 

red 

T16 

2N3904 

Bicolor 

RG_S2_Z1 

red 

R39 

120 

R38 

120 

R28 

820 

R29 

820 

RG_S2_GRUEN 

15K 

R-LCD 

T17 

2N3904 

+5V 

RG_S2_ROT 

Bicolor 

RG_S3_Z11 

red 

Bicolor 


red 

Bicolor 

RG_S3_Z9 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z8 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z7 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z6 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z5 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z4 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z3 

red 

Bicolor 

RG_S3_Z2 

red 

T18 

2N3904 

Bicolor 

RG_S3_Z1 

red 

R36 

120 

R37 

120 

LCD_PIN15 

2 

POTI 

5k 

1 3 

C 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

R30 

820 

R31 

820 

RG_S3_GRUEN 

0V +5V 

C 

T19 

2N3904 

+5V 

RG_S3_ROT 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

green 

T20 

2N3904 

green 

Bicolor 

RG_S4_Z11 

red 

Bicolor 


red 

Bicolor 

RG_S4_Z9 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z8 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z7 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z6 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z5 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z4 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z3 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z2 

red 

Bicolor 

RG_S4_Z1 

red 

R35 

120 

R34 

120 

R32 

820 

R33 

820 

RG_S4_GRUEN 

RG_S4_ROT 

LCD_Pin1 1 2 

LCD_Pin2 

LCD_PIN3 LCD_PIN15 3 4 LCD_RS LCD_PIN4 

LCD_PIN5 5 6 LCD_E LCD_PIN6 

LCD_PIN11 LCD_DB4 7 8 LCD_DB5 LCD_PIN12 

LCD_PIN13 LCD_DB6 9 10 LCD_DB7 LCD_PIN14 

LCD 

0V 

+5V 

LCD 

+5V 

T3 

2N3904 

T2 

2N3904 

T1 

2N3904 

D 

TASTER_2 

TASTER_4 

TASTER_6 

1S-RV-GRUEN 

1 2 

3 4 

5 6 

7 8 

9 10 

1S_GRUEN 

1S_BLAU 

1S_ROT 

RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT RGB-KINGBRIGHT 

1S_1Z 1S_2Z 1S_3Z 1S_4Z 1S_5Z 1S_6Z 1S_7Z 1S_8Z 1S_9Z 1S_10Z 1S_11Z 

1S-RB-GRUEN 100 

1S-RV-BLAU 

270 

1S-RB-BLAU 100 

1S-RV-ROT 

270 

1S-RB-ROT 150 

820 

+5V 

TASTER_1 

TASTER_3 

TASTER_5 

16BIT_TIMER 

0V 

0V 

D 

+5V 

1S_PWM_GRUEN 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

TASTER 

P$2 P$1 

1S_PWM_BLAU 

+5V 

+5V 

+5V 

1S_PWM_ROT 

T6 

2N3904 

T5 

2N3904 

T4 

2N3904 


2S-RV-BLAU 

270 


2S-RV-ROT 

270 

2S-RB-ROT 150 

820 

+5V 

10k 

2S-RV-GRUEN 

TCK 

TDO 

TMS 

+5V 

TDI 

0V 

C1 

22pF 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

22pF 

0V 

T9 

2N3904 

T8 

2N3904 

T7 

2N3904 

C2_QUARZ 


3S-RV-BLAU 

270 


3S-RV-ROT 

270 

3S-RB-ROT 150 

820 

+5V 

+5V 0V 

7808T 

1 

VI VO 

C1_ATMEGA 

10u 

10u 100n 100n C2_ATMEGA 

0V 

+5V 

3 

IC2 

GND 

C1_REGLER C2_REGLER 

Q1 

3S-RV-GRUEN 

(AD7)PA7 

(AD6)PA6 

(AD5)PA5 

(AD4)PA4 

(AD3)PA3 

(AD2)PA2 

(AD1)PA1 

(AD0)PA0 

C1_QUARZ 

22pF 

0V 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

T12 

2N3904 

T11 

2N3904 

T10 

2N3904 

4S-RV-GRUEN 

(OC2/OC1C)PB7 

(OC1B)PB6 

(OC1A)PB5 

(OC0)PB4 

(MISO)PB3 

(MOSI)PB2 

(SCK)PB1 

(SS)PB0 

(A15)PC7 

(A14)PC6 

(A13)PC5 

(A12)PC4 

(A11)PC3 

(A10)PC2 

(A9)PC1 

(A8)PC0 

1 2 

3 4 

5 6 

7 8 


SPI 

IC1 

20 

RESET 

23 

XTAL2 

24 

XTAL1 

62 

AREF 

64 

AVCC 

63 

AGND 

52 

21 

VCC 

22 

GND 

53 

18 

PG3(TOSC2) 

19 

PG4(TOSC1) 

43 

PG2(ALE) 

34 

PG1(RD) 

33 

PG0(WR) 

1 

PEN 

SS 

SCK 

MISO 

MOSI 

2S_GRUEN 

2S_BLAU 

2S_ROT 



R1 

E 

2S_PWM_GRUEN 

2S_PWM_BLAU 

2S_PWM_ROT 

3S_GRUEN 

3S_BLAU 

3S_ROT 



3S_PWM_GRUEN 

3S_PWM_BLAU 

2 

3 

2 

1 

JP1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

P$2 P$1 

P$4 

P$3 

C6 C7 

100n 10u 

C E 

DEC-RB 

BDEC-RB1 

100 


Q2 

BC639 

P$2 P$1 

Q3 

BC639 

Q4 

BC639 

Q5 

BC639 

Q6 

BC639 

Q7 

BC639 


4S-RV-BLAU 

270 


4S-RV-ROT 

270 

4S-RB-ROT 150 

820 

IC3 

2 

D1 S0 

3 

D2 S1 

21 

D3 S2 

22 

D4 S3 

S4 

1 

ST S5 

23 

INH S6 

S7 

S8 

S9 

S10 

S11 

S12 

S13 

S14 

S15 

4514D 

0V 

0V 

Q8 

BC639 

Q9 

BC639 

Q10 

BC639 


Q11 

BC639 


Q12 

BC639 





(T2)PD7 

(T1)PD6 

(XCK1)PD5 

(IC1)PD4 

(TXD1/INT3)PD3 

(RXD1/INT2)PD2 

(SDA/INT1)PD1 

(SCL/INT0)PD0 

(IC3/INT7)PE7 

(T3/INT6)PE6 

(OC3C/INT5)PE5 

(OC3B/INT4)PE4 

(OC3A/AIN1)PE3 

(XCK0/AIN0)PE2 

(TXD/PDO)PE1 

(RXD/PDI)PE0 

IC3P 

12 24 

VSS VDD 

DEC-RB2 

DEC-RB3 

DEC-RB4 

DEC-RB5 

DEC-RB6 

DEC-RB7 

DEC-RB8 

DEC-RB9 




11 

9 


8 

7 

6 

5 

4 

18 

17 

20 

19 

14 

13 

16 

15 

1 2 

3 4 

5 6 RESET 

7 8 


JTAG 

0V 

44 B 

45 A 

46 2S_PWM_GRUEN 

47 2S_PWM_BLAU 

48 2S_PWM_ROT 



51 1S_PWM_ROT 

17 LCD_E 

16 LCD_RS 

15 16BIT_TIMER 

14 8BIT_TIMER 

13 MISO 

12 MOSI 

11 SCK 

10 SS 

42 D 

41 C 



38 4S_PWM_ROT 



35 3S_PWM_ROT 

32 LCD_DB7 

31 LCD_DB6 

30 LCD_DB5 

29 LCD_DB4 

28 TASTER_4 

27 TASTER_3 

26 TASTER_2 

25 TASTER_1 

9 

8 TASTER_7 

7 TASTER_6 

6 TASTER_5 

5 RG_S4_ROT 

4 RG_S4_GRUEN 

3 RG_S3_ROT 

2 RG_S3_GRUEN 

E 

+ 

3S_PWM_ROT 

F 

4S_GRUEN 

4S_BLAU 

4S_ROT 



4S_PWM_GRUEN 

4S_PWM_BLAU 

4S_PWM_ROT 

A 

B 

C 

D 

+5V 

Abbildung 22: Darstellung des Schaltplans zur LED-Ansteuerung in Eagle 

32 

F 

+ 

G 

PF7(ADC7/TDI) 

PF6(ADC6/TDO) 

PF5(ADC5/TMS) 

PF4(ADC4/TCK) 

PF3(ADC3) 

PF2(ADC2) 

PF1(ADC1) 

PF0(ADC0) 

MEGA128-A 

54 

55 

56 

57 

58 

59 

60 

61 

DEC-RB10 

0V 

TDI 

TDO 

TMS 

TCK 

RG_S2_ROT 

RG_S2_GRUEN 

RG_S1_ROT 

RG_S1_GRUEN 

G 

H 

0V 

H 

I 

I 

10.02.2009 16:16:49 f=0.45 G:\MasterMind\Shematics\Eagle\LED-Matrix-v2\Master_Mind_02.sch (Sheet: 1/1)

9.2 Schaltplan Kapazitive Taster 

R_6 L_6 

R_3 L_3 

3.3M 470u 

TOUCH6 

3 

C_6 

R_5 L_5 

47n 

3.3M 470u 

TOUCH5 

3 

C_5 

R_4 L_4 

47n 

3.3M 470u 

TOUCH4 

3 

C_4 

TASTER 

+5V 10 9 GND 

8 RECHTECK_800KHZ_0..5V 

7 

AUSGANG_6_KAP_0..5V 6 5 AUSGANG_5_KAP_0..5VRECHTECK_800KHZ_0..5V 

AUSGANG_4_KAP_0..5V 4 3 AUSGANG_3_KAP_0..5V 

AUSGANG_2_KAP_0..5V 2 1 AUSGANG_1_KAP_0..5V 

TOUCH6 

TOUCH4 

TOUCH2 


TOUCH 

9 

8 7 

6 5 

4 3 

2 1 

TOUCH5 

TOUCH3 

TOUCH1 

RECHTECK_800KHZ_0..5V 



47n 

3.3M 470u 

TOUCH3 

3 

C_3 


R_2 L_2 

47n 

3.3M 470u 

TOUCH2 

3 

C_2 


TOUCH1 

R_1 L_1 

47n 

3.3M 470u 

C_1 

47n 

2 

2 

2 

2 

2 

2 

3 

4 

11 

4 

11 

4 

11 

4 

11 

4 

11 

4 

11 

LM324N 

1 

LM324N 

1 

LM324N 

1 

LM324N 

1 

10.02.2009 16:12:58 f=0.72 G:\MasterMind\Shematics\Eagle\kapazitiverSchalter\kap. Taster.sch (Sheet: 1/1) 

IC8A 

IC5A 

IC4A 

IC1A 

1N5061 

D12 

1N5061 

D10 

1N5061 

D8 

1N5061 

D2 

LM324N 

1 

IC2A 

1N5061 

D4 

LM324N 

1 

IC3A 

1N5061 

D6 

GND 

R14 

100K 


R5 

R17 


R1 



R8 

D11 

1N5061 

D9 

1N5061 

R11 

D7 

1N5061 

D1 

1N5061 

D3 

1N5061 


D5 

1N5061 

GND 

POTI5 

0..1K 

1 3 

C12 

15n 

POTI4 

0..1K 

1 3 

C10 

15n 

POTI3 

0..1K 

1 3 

C8 

15n 

POTI 

0..1K 

1 3 

C2 

15n 

POTI1 

0..1K 

1 3 

C4 

15n 

POTI2 

0..1K 

1 3 

C6 

15n 

R18 

R15 

R12 

R3 

R6 

R9 

2 

1K 

2 

1K 

2 

1K 

2 

1K 

2 

1k 

2 

1K 

6 

5 

6 

5 

6 

5 

6 

5 

6 

5 

6 

5 

+5V 

LM324N 

7 

IC8B 

LM324N 

7 

IC5B 

LM324N 

7 

IC4B 

LM324N 

7 

IC1B 

LM324N 

7 

IC2B 

LM324N 

7 

IC3B 

R19 

R20 

R21 

R22 

R23 

R24 

LED1 

1K 

LED2 

1K 

LED3 

1K 

LED4 

1K 

LED5 

1K 

LED6 

1K 

AUSGANG_6_KAP_0..5V 






Abbildung 23: Darstellung der 5 kapapazitiven Taster als Schaltplan in Eagle 

33

9.3 Schaltplan Sound mit SD-Karte 

16 

15 

14 

13 

12 

11 


9 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

A 

A 

B 

B 

12 

13 

14 

15 

7805TV 

1 

VI VO 

220uF 

3 

LF33CV 

GND C14 

+5V/1 

GND1 

GND2 

GND3 

GND4 

VSS2 

VSS1 

VDD 

6 

3 

4 

3.3V 

5k 

R7 

470nF 

C9 

CLK/SCLK 

+ 

C15 

DAT0 

DAT1 

DAT2 

CD/DAT3 

CMD/DI 


WP 

CDI# 

11 

2 

C 

+5V/1 100nF 

C 

JP1 

1 

2 

U$2 

N.C.1 OUT1+ 

16 

VC1 N.C.15 

15 

N.C.3 PGND1 

14 

VI(1) OUT1- 

13 

VP OUT2- 

12 

VI(2) N.C.11 

11 

SGND PGND2 


VC2 OUT2+ 

9 

AUDIO_AMP_2X1W 

5 

7 

8 

9 

1 

2 

GND 

1 

2 

3 

+5V/1 

4 

22pF 

JP2 

1 

2 

5 

C1 

C5 

6 

100nF 

220uF 

7 

+5V/1 

22pF 

GND 

8 

1.8k 

1.8k 


220uF 

470nF 

470nF 

3.3k 

1.8k 

3.3k 

3.3k 

33 

34 

35 

36 

37 

38 

39 

40 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

29 

28 

27 

26 

25 

24 

23 

22 

21 

20 

19 

18 

17 

16 

15 

14 

(ADC7)PA7 

(ADC6)PA6 

(ADC5)PA5 

(ADC4)PA4 

(ADC3)PA3 

(ADC2)PA2 

(ADC1)PA1 

(ADC0)PA0 

(SCK)PB7 

(MISO)PB6 

(MOSI)PB5 

(SS)PB4 

(AIN1/OC0)PB3 

(AIN0/INT2)PB2 

(T1)PB1 

(T0/XCK)PB0 

(TOSC2)PC7 

(TOSC1)PC6 

(TDI)PC5 

(TDO)PC4 

(TMS)PC3 

(TCK)PC2 

(SDA)PC1 

(SCL)PC0 

(OC2)PD7 

(ICP)PD6 

(OC1A)PD5 

(OC1B)PD4 

(INT1)PD3 

(INT0)PD2 

(TXD)PD1 

(RXD)PD0 

GND 

GND 

IC6 

9 

RESET 

12 

XTAL2 

13 

XTAL1 

32 

AREF 

30 

AVCC 

31 

AGND 


VCC 

11 

GND 

MOSI1 

2 

3 4 

SS 5 6 

SCK 7 8 

MISO 9 10 

SPI 

D 

C2_QUARZ 

D 

RESET 

+ 

Q1 

C1_QUARZ 

E 

SCK 

MISO 

MOSI 

SS 

E 

R25 

C11 

+ 

C13 

R26 

R10 

F 

C7 

C3 

R27 

R13 

TDI 

TDO 

TMS 

TCK 

F 

R16 

5k 

R4 

5k 

R2 

G 

GND 

+5V/1 

GND 

MEGA32-P 

GND 

RESET 

H 

GND 

1 

2 

JP3 

1 2 

3 4 

5 6 

7 8 


JTAG 

TCK 

TDO 

TMS 

+5V/1 

TDI 

GND 

LM324N 

8 

9 

12k 


R32 

22nF 

C20 

GND 


C19 

LM324N 6 LM324N 

1 

1.8k 15k 

7 

R30 R31 5 

IC7A 

IC7B 

1nF 

C18 

GND 

Abbildung 24: Darstellung der Schaltung zur Soundimplementierung in Eagle 

34 

G 

H 

1uF 

C17 

C21 

1uF 

IC7C 

2 

3 

I 

470 5k 

R28 R29 

1nF 

C16 

GND 

I 

+5V/1 

Tag Name 

4 

Bearb. 

K 

Benennung 

Gepr. 

zu Gerät 

K 

11 

GND 

Zeichnungs-Nr. 

zu Anlage 

L 

L 

1/1 nicht gespeichert! 

Blatt 

Sound 

Rev Änderungs-Nr. Tag Name 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 

10.02.2009 16:08:24 f=0.65 G:\MasterMind\Shematics\Eagle\kapazitiverSchalter\Sound.sch (Sheet: 1/1)

9.4 Boardlayout LED Matrix 

Abbildung 25: Boardlayout der Matrixschaltung in Eagle 

35

9.5 Boradlayout Kapazitive Taster und Sound mit SD-Kart 

Abbildung 26: Boardlayout der kapazitiven Taster und der Soundschaltung 

36

Abbildungsverzeichnis 

1 Spielbrett von Mastermind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 

2 Baumstruktur des Menüs des LCD-Displays . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

3 4x16 LCD-Display im Hauptmenü . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 

4 Darstellung des Menschen als zweite Kapazität für den Sensor . . . . . . 9 

5 Reihenschwingkreis bestehend aus Widerstand, Spule und Kondensator . 11 

6 Zeigerdiagramm des Reihenschwingkreises aus Abb.5 . . . . . . . . . . . 12 

7 Spannungsverlauf UL zu Ue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 

8 Spannungsverlauf UC zu Ue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 

9 Schaltung des Spitzenwertgleichrichters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

10 Layout des kapazitiven Bedienfeldes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 

11 Gewählte RGB-LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 

12 Gewählte bicolor-LED . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 

13 Auschnitt einer LED Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 

14 LED-Spielfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 

15 PWM-Signal mit einem Tastverhältnis D = 0.25 . . . . . . . . . . . . . . 21 

16 Treiberstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 

17 schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen PWM und ana- 

logem Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 

18 SD-Karte: Äußerer und innerer Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

19 Pinbelegung einer SD- und MMC-Karte . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 

20 Beschaltung einer SD/MMC-Karte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 

21 Darstellung der fertigen Schaltung mit LCD Display im Spielbetrieb . . . 30 

22 Darstellung des Schaltplans zur LED-Ansteuerung in Eagle . . . . . . . . 31 

23 Darstellung der 5 kapapazitiven Taster als Schaltplan in Eagle . . . . . . 32 

24 Darstellung der Schaltung zur Soundimplementierung in Eagle . . . . . . 33 

25 Boardlayout der Matrixschaltung in Eagle . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 

26 Boardlayout der kapazitiven Taster und der Soundschaltung . . . . . . . 35 

37

PDF, 10,6 MB - EMSP

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