Elektronická stavebnice Saimon 1

Autorem stavebnice i článku je Ing. Lukáš Krejčík

Jak to všechno začalo aneb za všechno může náhoda…

Kdy a proč jsem vlastně dostal nápad vytvořit tuhle stavebnici. Náhod bylo několik, ale ty tvoří život. A já vlastně ani nevěřím, že jsou to náhody. Bylo to v období v roce 2015, kdy jsem přemýšlel, čím se živit, v Praze byly zavřené bleší trhy kvůli jakémusi požáru a já s kamarádem jsme jeli na nějaké jiné trhy ani nevím kam. Po cestě jsme si vyprávěli o tom, či onom, až přišla řeč na kamaráda Petra, který dělá tábory pro děti na téma elektronika. A bum, v tu chvíli se zrodila myšlenka. Vždyť já jako dítě jsem měl stavebnici logitronik 02 (děkuji Ti maminko). A hodně mě bavila ta zapojení, i když jsem jim vůbec nerozuměl. Díky přítelkyni jsem měl zkušenost s vedením dětských kroužků a napadlo mě, že kroužky s elektronikou by byly super! Využil jsem toho, že je ve mně zastydlé dítě v těle chlapa a pustil se do hledání stavebnice na trhu, která by splňovala to, co jim chci ukázat a naučit. Bohužel jsem žádnou takovou nenašel. Takže jsem začal tvořit.

První verze bezejmenné stavebnice

První verze vznikla z představy, co jsme dělali na FELu, co mi zbylo doma v dílně jako nepoužité díly a co mi říkalo to dítě ve mně, které vzpomínalo na logitronik. Chtěl jsem to barevné. A hodně světýlek. Žádná rádia (kdo by to dneska vůbec poslouchal), ale hezky digitální, směrem k počítačům laděnou stavebnici. Výsledek je na následující fotce.

Tato verze vznikla pouze pro plakát, který měl lákat na kroužek. Stavebnice byla na podomácky leptané DPS. Někde jsem vyčetl návod, jak nažehlovat na DPS motiv vytištěný na lepící papír. To jsem si dal. Po mém nažehlování se DPS samozřejmě různě kroutila, protože zkuste si něco nažehlit na DPS 200 x 300 mm. Stavebnice obsahovala spoustu součástek z logitroniku, ale jinak uspořádané. Jen druhé hradlo NAND jsem vyměnil za 6xD klopný obvod. Přidal jsem operační zesilovač, protože jsem chtěl tvořit PWM a s tím spojené zapojení. Také jsem chtěl 7-segmentovku s nějakým dekodérem. Spínačů bylo celkem 7 (dva na fotce ještě nejsou zapojené) a byly barevně sladěné s LEDkami.

Saimon 1 – verze 1

Děti se přihlásily, tak hurá vyrábět stavebnice, aby měl každý jednu. Tohle období života bych přirovnal k hořící koudeli u… No, řekněme na zadním nádvoří. Všechny DPS jsem ještě leptal doma, i když se to ukázalo jako né příliš super volba, a už jsem tvořil změny v návrhu. Chtěl jsem tam jumpery, tak se každý logický obvod zapínal pomocí zkratovací propojky. Problém bylo též napájení, řešil jsem ho zatím 5 V zdroji, co jsem měl doma. Problém byly i krytky na přepínače. Spodek stavebnice tvořila překližka (uff), a povrch už nebyly jen tak nalepené papírky lepidlem, ale samolepící folie tištěná na laserové tiskárně (díky, Láďo).

Jelikož jsem ale chtěl na stavebnici dělat hlavně synchronní sekvenční obvody (SSO), které jsme brali v logických systémech na FELu, tak jsem potřeboval vyměnit 6xD-KO za 4xD-KO s komplementárními výstupy, aby se ušetřily negace. Také mě štvalo, že číslicovka umí jen znaky 0-9, když je možné zobrazovat i hexaznaky. Naštěstí jsem tou dobou dělal v planetáriu, hodně se tam nudil a tak jsem procházel na internetu různé stránky, až jsem narazil na nostalkompu na článek o stavbě elfa, a větu: „Naštěstí jsem byl upozorněn na dekodéry D345D a D346D, což byly východoněmecké klony 7446, ale které (světe div se) hexaznaky umí! A hlavně se dají za pár kaček pořád koupit!“ (děkuji, Jirko)

Takže bylo rozhodnuto. Zapojení vývodů na 7-segmentovku bylo sice jiné, ale nic, co by pájka a pár drátků nevyřešilo. Výsledek je na světě.

Saimon 1 – verze 2

Stavebnice dostala jméno vlastně až v téhle fázi. Pral jsem se jednak s tím, jak udělat kvalitní hodiny pro ten D-KO (z toho operačního zesilovače to moc dobře nešlo, s tranzistory to fungovalo jen pro některé verze 74175). Také jsem potřeboval víc logických hradel. A do třetice – přídavný modul pomohly vymyslet samy děti, že mi říkaly, co by tam chtěly. A když jsem to vyprávěl kamarádovi, tak říkal: „Jasně, takže to bude Saimon 1, Saimon 2, chápu“. A název byl na světě (díky, Vláďo).

Kvalitní hodiny vyřešil časovač NE555, který si našel i spoustu dalších uplatnění. Když jsem přemýšlel, jak udělat přídavný modul a jak a kam ho připojovat, náhoda tomu zase pomohla. Na stavebnici jsem měl kus nevyužitého místa, kam by se daly umístit nějaké konektory. Můj strýc Miloš mě inspiroval, že celou tu stavebnici můžu udělat modulární. A tím budu mít řadu. A třeba čtvrtý modul může obsahovat mikroprocesor. Tomu jsem se tenkrát zasmál…

Mezitím děti na kroužku podrobovaly stavebnici zátěžovému testu, kdy jsem zjistil, že zvolit tato tlačítka nebylo to pravé ořechové (rozlámaly jich několik každou hodinu), naopak můj strach ze ztráty jumperů se ukázal jako neopodstatněný. Rovněž se ukázala potřeba pro nějakou ochranu proti zkratu, protože zkrat a žhavění 7805ky byla věc na denním pořádku. A také jak to udělat, aby děti nezničily stavebnici připojením jiného napětí? Přeci jen 7805 nezvládne všechno.

Tehdá jsem byl na návštěvě u kamaráda, který mi říkal, že nejlepší by bylo napájení přes USB micro B. Ten, oproti USB mini B, opravdu na DPS drží. Navíc jsme měli společného kamaráda, který když pánbůh rozdával rozum, tak si asi odskočil na malou (ale máme ho rádi). Ten to bere tak, že když konektor pasuje do zdířky, tak je to ten správnej. A do USB prostě zapojíte jen USB s pěti volty. (díky Karle)

Ochranu proti zkratu jsem také vyřešil šalamounsky, prostě jsem do série s napájením zapojil 5-ohmový rezistor s paralelně připojenou červenou LEDkou, která se rozsvítí, když se celé napájecí napětí rozloží na tom rezistoru. Čili při zkratu. Je fakt, že tímto řešením mi dost narůstá vnitřní odpor zdroje a s přibývající zátěží dost klesá napětí, ale naštěstí CMOS hradla to zvládají dobře.

Nebudu zde popisovat úskalí, jak jsem na rozšiřující modul přiváděl vstupy a výstupy D-KO. Byla to docela dlouhá cesta. Naštěstí více méně vedla k cíli. Vstupy a výstupy jsou krásně seřazené, prostě něco chtělo, aby to vypadalo krásně. Na obrázku je Saimon 1 verze 2 i s přídavným modulem logických funkcí – Saimon 2.

Stavebnice má zespodu sběrnici, takže modulů si člověk může zapojit kolik chce (když stačí stůl a zdroj). Nejsme tedy omezeni počtem hradel při navrhování SSO. Tlačítka dostala hezkou krytku. Aby moduly byly v rovině, tak jsem zvolil plastové distanční sloupky, které se používají například pro držení základní desky v PC. Překližku jsem nahradil plastem a zdálo se, že hotový výrobek je na světě.

Jak ale říkal můj strejda Miloš, když chcete mít hotový výrobek, tak musíte odstřelit inženýra, který ho vymýšlí. Jinak to nebude nikdy ono. Pravdivá to slova. Na stavebnici se zase během roku objevilo několik námětů k vylepšení, předně jsem potřeboval do modulu logických funkcí nějak dostat i drátky vedoucí od spínačů, tak na sběrnici přibylo šest propojek X1 až X6, které začínají u spínačů a vedou do přídavných modulů. Dále se ukázalo jako nešikovné umístění reproduktoru. A navíc jsem ve verzi 2 nedal na stavebnici dotykový spínač, který se na kroužcích jevil jako klíčový. Takže vznikla na delší dobu poslední verze Saimon 1.

A zde je s modulem Saimon 2 verze 2.

Tím to mělo skončit, ale…

Jak řekl Emmett Lathrop „Doc“ Brown, Ph.D. ve filmu Návrat do budoucnosti III – dobrý vědec si nedá nikdy pokoj. Rodiče dětí z kroužků se mě ptali, jestli nechci začít učit i programování. A což o to, mě by se i chtělo, ale…vyrostl jsem na programování Didaktiku Gama nejdříve v basicu, strojáku a pak začalo céčko. Klasické sekvenční programování. To mě doprovázelo na střední a později i na FELu. Jak to ale udělat, když dneska je svět programování plný objektů, které fakt nemám rád? Resp. nechci je učit děti? Nápadu na svět pomohl pohovor v jedné firmě na výrobu 3D tiskáren. Mělo se programovat na platformě Arduino. Já, plný zkušeností programátora PLCček a embeded systémů, jsem se divil, že tuhle platformu ještě neznám. Nechal jsem si tedy zaslat různé verze poštou a jako platforma pro další díl stavebnice vyhrálo výběrové řízení Arduino Nano. Modul se dočkal už také dvou verzí, první byla jen s Arduinem a rgb LEDkou, druhá má na sobě led matici 8×8 červených LEDek s řadičem MAX7219 a 12 testovacích žlutých LEDek. Programování v jazyce C zdar!

Ještě jak to celé vypadá zespodu

A v krabici

Dále přikládám odkazy na videa s několika vybranými zapojeními, pro představu, co stavebnice umí ( a umí i mnohem více):

• Představení stavebnice
• Ukázka – světelný had
• Space invaders – programování na první hodině

Ještě nutno podotknout, že modul Saimon 3 zůstal jen ve stavu návrhu. Má obsahovat programovatelnou paměť (místo logických funkcí), čítač a procesor 89C2051 pro přehrávání zvuků, ale zatím pro něj na světě není využití.

A co říct na závěr? V duchu věty mého strýce – další verze je na cestě. Jelikož přepínací tlačítka se ukázala pro děti dost složitá na pochopení, rozhodl jsem se pro normální spínače on-off. Rozhodl bych se už dávno, kdyby v GM-ku neměli v popisu, že zvládnou proud jen 25 mA, zatímco když jsem ho konečně koupil a rozebral, tak jsem usoudil, že musí zvládnout proud 4 A a ani se nezapotí.

Shrnutí – co se mi teda na té mé stavebnici líbí a proč jsem ji vymýšlel:

• napájení USB,
• ochrana proti zkratu,
• provedení na DPS, pájené, hezky barevné,
• drátky se tam strkají jako do nepájivého pole,
• číslicovka má hexaznaky,
• lze na tom postavit SSO, tedy obvod, co žije,
• možnost rozšiřujících modulů přímo připojitelných na hlavní modul,
• ochrana proti zničení potenciometru a tranzistorů,
• LEDky nad všemi IO – světýlka, ta já také rád,
• návod pomáhaly psát samy děti,
• kdo má logitronik 02, určitě zavzpomíná a pár zapojení si i zapojí podle starého návodu.

Pokud byste chtěli o stavebnici více informací nebo si ji koupit, napište mi na mail xlukaskrejcik-zavinac-gmail-com. Další informace najdete na Facebooku a webu stavebnice.