Elektronická kostka

Jednou z nejběžnějších elektronických hraček, jejíž konstrukci na internetu najdete, je náhrada házecí kostky používané při hře "Člověče, nezlob se" apod. Varianty zapojení se pohybují od TTL obvodů až k mikrořadičům. Protože jde o jednoduché zapojení, do kterého se směle může pustit i začátečník, můžete se zde inspirovat podrobným postupem, jak takovou kostku navrhnout.

Parametry kostky

Blokové schéma zapojení

Nemá asi cenu nově vymýšlet již léta prověřený princip používaný při stavbě elektronické hrací kostky. Na následujícím obrázku je blokové schéma popisující obvyklé funkční části kostky.

Jako každé elektronické zapojení potřebuje kostka napájení. Aby byla snadno přenosná, použití baterie se přímo nabízí.

Pro generování náhodného čísla je možné jednoduše použít generátor zajišťující rychlé promíchávání všech povolených čísel postupně za sebou. Uživatel spustí tlačítkem generátor, který rychlostí pro lidské oči nepozorovatelnou přehazuje jednotlivá čísla. Pokud je rychlost míchání na úrovni desítek nebo stovek Hz, nemáme my lidé možnost mezi jednotlivými stavy rozlišovat. V okamžiku, kdy generátor vypneme, přestane posílat další pulsy.

Pulsy z generátoru jdou do kruhového čítače překlápějícího mezi 6 stavy. Není nezbytně nutné, aby počítané stavy byly 1,2,3,4,5,6. Protože se pohybujeme v oblasti číslicových čítačů, mohou být čítané stavy 0,1,2,3,4,5. V okamžiku, kdy uživatel zastaví signál z generátoru, zastaví se na náhodném čísle i výstupní stav čítače. Pro generování šesti stavů je třeba alespoň tříbitový čítač.

Na závěr pak stačí převést výstup čítače převodníkem na odpovídající zobrazení čísla na kostce. Prohlédnete-li si kostku, zjistíte, že se na ní nemění všech 7 teček v rozdílných vzorech. Pro zobrazení čísla na kostce stačí aktivovat některé ze 3 dvojic teček po straně a k tomu pro liché číslo se objevuje samostatná tečka ve středu. Tři bity (určující šest stavů) je nutné tedy dekódovat na 4 bity pro ovládání výstupních LED.

Postup návrhu zapojení

Protože podobnou konstrukci nebudou hledat profesionálové (kteří by si podobné zapojení nakreslili sami - a možná lepší :-) , jednoduchý obvod si postupně probereme. Začátečník si může projít postup návrhu a bude zde vysvětlena podrobně i funkce jednotlivých částí obvodu:

1. Začneme volbou baterie. Je možné použít různé baterie či akumulátory. Pro jednoduchou amatérskou konstrukci, která nemá vysoké nároky na odběr proudu, je dobrou volbou destičková baterie s napětím 9 V. Snadno se připojuje klipsovým konektorem a je možné ji případně vložit do držáku nebo použít bez plastového držáku. Používají se často v obyčejných multimetrech a měly by být běžně dostupné i v nabídce supermarketů.
2. Dalším krokem bude volba typu číslicových obvodů použitých v kostce. Je možné vybírat z nabídky od starých TTL obvodů řady 7400 až po moderní mikrořadiče mnoha výrobců. Pokud si jako jeden z požadavků zvolíme, že nebudeme používat mikropočítač, abychom nemuseli zajišťovat odpovídající programátor, pak zbývají standardní číslicové obvody různých řad. Protože jsme určili, že napájení bude ze zdroje 9 V, nabízí se jako jedno z velmi vhodných řešení použití číslicových obvodů z CMOS řady 4000. Napětí 9 V je pro napájení těchto obvodů vhodné přímo a nemusí se upravovat stabilizátorem na jinou hodnotu. Navíc mají tyto obvody ve statickém režimu téměř nulový odběr.
3. Po prostudování funkcí nabízených v řadě 4000 se jako vhodný kandidát ukazuje běžně dostupný obvod 4060. Obsahuje jak oscilátor, tak řadu čítačů přesahující počtem naše potřeby. Jako první zapojíme vnitřní generátor číslicového signálu, který bude spouštěn podržením jednoduchého tlačítka. Zapojení je možné realizovat např. takto: Pro vlastní činnost stačí u oscilátoru zavést zpětnou vazbu pomocí R1 a C1 z výstupů PO do vstupu PI. Zařadíme-li do cesty tlačítko rozpojující zpětnou vazbu, nebude oscilátor bez stisknutého tlačítka pracovat. Aby nebyl vstup PI u CMOS obvodu nezapojený (neměl by definovanou úroveň), ošetříme tento stav rezistorem R2 s vysokým odporem. Hodnoty R1 a C1 určují vnitřní frekvenci oscilátoru. S uvedenými součástkami je frekvence na výstupu Q4 asi 250 Hz. Zapojení můžete snadno otestovat a také si vyzkoušet, že např. při dotyku prstem na vstupu PI se oscilátor rozběhne i bez zpětné vazby (indukovaný brum na vysoké impedanci vstupu oscilátor rozběhne).
4. Druhým krokem bude úprava obvodu tak, aby čítal pouze mezi šesti stavy. K tomu nám budou stačit 3 nejnižší výstupy čítačové řady - Q4 až Q6. Obvod 4060 má pro asynchronní nastavení vnitřního stavu pouze RESET na vývodu R. Tím lze vnitřní čítače vynulovat. Nechejme tedy čítače počítat od 0 až do 5. Tak budeme mít zajištěno čítání mezi šesti stavy. Nesmí dojít k tomu, aby se na výstupu objevila "6". Při pokusu o překlopení do tohoto stavu se čítač musí vrátit na 0. Stav "6" je v binární podobě 110. Pokud se na obou nejvyšších výstupech objeví log. "1", musí dojít k RESETu. Jedničku na vstupu R se vytvoří přes diody D1 a D2. Dokud je na některém z výstupů Q5 a Q6 nula, je i na vstupu R logická "0": Aby nulovací obvod dobře pracoval, nesmí mít rezistor R3 vysoký odpor. Hodnota uvedená ve schéma zajišťovala dobrou funkci s integrovanými obvody od různých výrobců.
5. Prohlédnete-li si jednotlivá čísla zobrazované jako pozice na kostce, pak zjistíte, že zobrazení čísel: se provede podle následující tabulky:

   Číslo	1	2	3	4	5	6
   Pozice	A	B	A+C	B+C	A+B+C	B+C+D

   Čítač v naší kostce bude pracovat s binárními čísly 0 až 5:

   Číslo

   000

   001

   010

   011

   100

   101

6. Porovnejme obě výše uvedené tabulky a když si uvědomíme, že čísla se na kostce nemusí zobrazovat v přesně určeném pořadí (kostka se po stole také kutálí zcela náhodně), pak se přímo nabízí zkombinovat je do výsledné převodní tabulky:

   Čítač[Q6-Q5-Q4]	Svítí LED	Číslo na kostce
   000	B+C	4
   001	A+C	3
   010	B+C+D	6
   011	A+B+C	5
   100	B	2
   101	A	1

   V předcházejících tabulkách se ukazuje, že nejnižší bit přepíná mezi LED skupiny A a B, které se mezi sebou pravidelně střídají. Nejvyšší bit může při logické "0" zapínat LED C, protože je v tabulce zastoupena na 4 pozicích. Prostřední bit čítače pak určuje svit čísel 5 a 6, kdy se musí rozsvítit kombinace 3 skupin LED. Co se rozsvítí jako třetí LED, pak určí nejnižší bit. Při "0" svítí LED D a při "1" na nejnižším bitu se ke kombinaci A+C ještě musí připojit LED B.
7. Výsledné zapojení celé kostky včetně výstupního dekodéru je na následujícím obrázku: D10 zde představuje LED A, D11 spolu s D12 jsou LED B. Logická "1" na výstupu Q4 rozsvěcuje D10, při "0" svítí D11, D12. Nejvyšší bit čítače Q6 rozsvítí při logické "0" LED skupiny C - tj. D6 a D7.
8. Aby se skupina D rozsvěcovala pouze při logické "1" na výstupu Q5 a "0" na výstupu Q4, jsou její diody D8 a D9 zapojeny mezi tyto vstupy v patřičném směru. Pomocná dioda D3 by při napájení 9 V asi být nemusela. Obvykle mají LED závěrné napětí alespoň 5V. Kdyby někdo chtěl použít toto zapojení při vyšším napájení, je tam dioda raději zapojená.
9. Posledním úkolem je zajistit rozsvícení LED skupiny B v okamžiku, kdy jsou na výstupech Q4 a Q5 logické "1". To provede pomocný tranzistor T1 ovládaný přes R8 a D5. Aby tranzistor nezkratoval výstup Q4 v době, kdy je na něm logická "1", musí být mezi T1 a výstup Q4 vřazena dioda D4.

Plošný spoj

Pro zájemce o stavbu jsou připraveny návrhy dvou variant plošného spoje s použitím SMD nebo klasických vývodových součástek.

Kostka je vždy postavena na jednoduchém jednostranném plošném spoji. Obě verze mají rozměr 58 x 80 mm. Stačí obrázek vytisknout v rozlišení 600 dpi a vybrat si vhodnou variantu. Spoj SMD varianty není potřeba vrtat.

Rozmístění součástek na desce plošného spoje je zde:

Postup stavby a oživení

V prvním kroku si zvolte typ součástek, které budete chtít použít. Podle toho shánějte nebo nakupujte součástky. V seznamu je v poznámce vždy nejprve pouzdro pro klasické a pak SMD provedení. U varianty s SMD součástkami můžete použít i klasické vývodové LED. LED by měly být červené, žluté nebo zelené barvy, protože ty mají v propustném směru úbytek kolem 2 V. Kdybyste se rozhodli pro modré či bílé LED, bylo by potřeba upravit hodnoty rezistorů R4 až R7, aby jednotlivé LED svítili stejně. Modré a bílé LED mají úbytek kolem 3 V.

Při osazování SMD varianty lze pro LED a tlačítko SW1 vyvrtat dírky a umístit je na opačnou stranu plošného spoje. Nebo můžete vše použít ve verzi SMD.

Po osazení a vizuální kontrole by mělo stačit ověřit, že kostka po stisknutí tlačítka pracuje a má odběr proudu v uvedených mezích.

Závěr

Jde o velmi jednoduchou konstrukci, která by měla pracovat i úplnému začátečníkovi na první zapojení. Mírně pokročilí pak mohou využít popis jednotlivých vnitřních částí zapojení a nastudovat si funkce použitých logických struktur.

A nyní již stačí - zmáčknout a pustit tlačítko - a hlavně "Člověče, nezlob se"!.