… aneb příběh elektronické stavebnice
Elektronická stavebnice Saimon je modulární výuková pomůcka pro výuku na kroužcích elektroniky a vznikala v letech 2016 až 2019. Slouží k výuce úplných začátků elektroniky, funkce součástek a zapojování obvodů, až pro realizaci konečných automatů a programování na platformě Arduino. V tomto článku s vámi chci sdílet příběh jejího vzniku.
Proč vlastně nová elektronická stavebnice?
Je to už několik let od doby, co v mé hlavě poprvé proběhl záblesk myšlenky vytvořit elektronickou stavebnici. Bylo to v době, kdy jsem studoval ČVUT v Praze na fakultě Elektrotechnické. V předmětu Logické Systémy jsme se učili navrhovat a realizovat zapojení synchronních sekvenčních obvodů (SSO). To je – stručně řečeno – obvod sestavený z paměťového obvodu, kombinačního obvodu a časovacího obvodu, který na pohled „něco dělá“, jak já říkám, prostě „žije“.
SSO mi tenkrát trochu připomínal jednoduchý počítač (on vlastně SSO je realizace konečného automatu a Turingův stroj, což je teoretický model počítače, se skládá mimo jiné z procesorové jednotky tvořené právě konečným automatem). Líbílo se mi, jak pomocí časovacího obvodu, čili „hodin“, obvod mění své stavy a celé se to „hýbe“. Už v tu chvíli mě napadlo, že by bylo hezké z toho udělat stavebnici na hraní (nejen pro děti). Myšlenka byla po letech podpořena druhou myšlenkou, a to – učit děti základy elektroniky na dětském kroužku.
Pro kroužek elektroniky jsem však nesehnal dostatečné množství stavebnic, které jsem znal jako dítě, jež nesla název Logitronik 02. Ostatní stavebnice mě neuspokojily svým provedením (hledejte po každé hodině na zemi všechny gumové špunty a obíhejte stále děti, co křičí, že obvod nefunguje, když špuntem do dírky nepřitiskly vodič, ale jeho izolaci, stejně tak sbírejte všechny součástky jinak dobře provedené stavebnice, ale pro rychlou instalaci a deinstalaci hodiny naprosto nevhodné – jmenovat nebudu) tak jsem začal navrhovat svou.
První verze bezejmenné stavebnice
Porodní bolesti při vzniku mé stavebnice se mi samozřejmě nevyhnuly. Vize první verze, jež byla koktejlem smíchaným z představy SSO z FELu, vzpomínek na Logitronik 02 a součástek u mě v šuplíku, byla na světě. Ale jak to celé realizovat?
Chtěl jsem to barevné. A hodně světýlek. Chtěl jsem děti naučit naprosté základy funkce elektronických součástek a zapojování elektrických obvodů (které ale nebyly mým spolužákům jasné ani během mého studia na průmyslovce), a pak směřovat vše k číslicovým systémům a počítačům. Žádná rádia a vysílačky, ale hezky pěkně binární soustava, digitální displeje, paměti a logické funkce.
Výsledek je na následující fotce.
Elektronická stavebnice Saimon verze 0
Tato verze vznikla pouze pro plakát, který měl lákat na kroužek. Stavebnici jsem chtěl mít na plošném spoji (DPS) a tehdy jsem hledal nejlevnější možnosti výroby. Na internetu jsem našel návod, jak nažehlovat na DPS motiv vytištěný na lepící papír. To se později ukázalo jako slepá ulička pro takto veliký DPS. Kdo by přeci jen něco takového chtěl zkoušet, radím ze své zkušenosti: pro DPS 200 x 300 mm to fakt není to pravé ořechové.
Dál zde byla otázka, jaké součástky na stavebnici dát. Jakožto dítě odkojené Logitronikem jsem volil většinu součástek právě z této kultovní stavebnice. Řada rezistorů na Saimonu je velmi podobná řadě na Logitroniku, stejně tak kondenzátory, bipolární tranzistory, fototranzistor i potenciometr. Jen druhé pouzdro s hradly NAND jsem vyměnil za šestinásobný klopný obvod D. Přidal jsem operační zesilovač, protože jsem chtěl vytvářet PWM a s ní spojená zapojení. Také jsem chtěl sedmisegmentovku s dekodérem a spínače pro ovládání. DPS jsem polepil vystříhanými kousky barevného papíru, součástky propíchl skrz a základ byl na světě.
Elektronická stavebnice Saimon verze 1
Saimon 1 – verze 1
První verze pro ostrý provoz byla vyráběna dosti ve stresu, jelikož jsem to celé vymyslel tři týdny před zahájením kroužků. Všechny DPS jsem leptal doma (jak jsem psal, nedělejte to :-)) a už během toho jsem návrh měnil. Chtěl jsem tam jumpery, aby bylo možné každý integrovaný obvod zapínat pomocí zkratovací propojky, a tím pádem ledku nad každý integrovaný obvod, jako signalizaci zapnutí.
Další problém bylo napájení. Měl jsem doma několik 5 V zdrojů, ale už tehdy jsem měl strach z přetížení nebo přepólování. Přemýšlel jsem, jak vlastně zakrýt spodní stranu stavebnice, protože doma leptané DPS vypadaly fakt hrozně. Zvolil jsem překližku a DPS jsem k ní přišrouboval (stále byla ve hře na prvním místě nízká cena). Výsledek je vidět na následující fotce.
Elektronická stavebnice Saimon verze 1 zespodu – dřevěná krytka
Jelikož jsem ale chtěl na stavebnici dělat hlavně SSO, tak jsem potřeboval vyměnit 6xD-KO za 4xD-KO s komplementárními výstupy, aby se ušetřily logické funkce NOT. Také mě štvalo, že dekodér pro číslicovku umí zobrazovat pouze znaky 0-9. Pokud jsem se snažil zobrazovat hexaznaky A, B, C, D E a F, zjistil jsem, že dekodér zobrazuje jakési prapodivné útvary. Náhoda však tomu chtěla, že jsem nakonec našel cestu k pra-dekodérům D346D na serveru nostalcomp.cz, které ale hexaznaky umí a pomocí pájky a drátků dekodér vyměnil (zásluhu na nalezení obvodu D346D prý nemá sám nostalcomp, ale uživatel, který se v komentáři pod mým prvním článkem podepsal jako Dee). Tou dobou už byla překližka zespodu skutečně nutná :-).
Saimon 1 – verze 2
Stavebnice dostala jméno vlastně až v téhle fázi. Byl asi tak leden, kroužky v plném proudu. Tou dobou jsem řešil, jak vytvořit kvalitní hodinový signál (z operačního zesilovače mi to moc dobře nešlo, tranzistorový blikač jako zdroj hodin fungoval jen pro některé verze 74175). Také jsem potřeboval víc logických hradel pro tvorbu složitějších SSO. Spínače neprošly testem „odolnosti dětem“, bylo třeba je vyměnit za jiné.
Jméno stavebnice poprvé vyslovil můj kamarád Vladimír. Popisoval jsem mu plán na výrobu dalšího modulu bezejmenné stavebnice s logickými funkcemi. On pokyvoval hlavou a říkal: „Jasně, Saimon 1, Saimon 2, chápu“. (Pro vysvětlení, hodně lidí se na to ptá – název Saimon vznikl s mé přezdívky Šimon, ve starých mobilech bez diakritiky psáno Simon. Někdo to pak četl anglicky, někdo česky. Čtení česky mi vadilo, tak abych mu předešel, podepisoval jsem se Saimon.)
Kvalitní hodiny vyřešil časovač NE555, pro který se našlo i spousta dalších uplatnění. Současných pět mechanických vypínačů, dva přepínače a dva dotykové spínače jsem vyměnil za šest přepínačů, z toho dva bez aretace a čtyři s aretací. Spínače bez aretace měly sloužit pro ovládání hodin a jiných pulsů, zatímco spínače s aretací měly sloužit pro nastavování vstupních bitů. Líbilo se mi, jak se stavebnice rýsuje do čtyřbitové podoby. Dekodér číslicovky měl čtyři vstupy pro zobrazení čísel 0 až 15, klopný obvod měl čtyři vstupy, čtyři výstupy a k nim čtyři komplementární výstupy. Na stavebnici byly čtyři ledky (červená, žlutá, zelená, modrá) a tlačítka dostala stejně barevně sladěné hmatníky.
USB napájení jsem na stavebnici dal po návštěvě kamaráda Karla, který řešil podobný problém. Měl zkušenost s lidmi, kteří řeší napájení stylem: když tam konektor pasuje, tak je to adaptér se správným napětím. Navrhoval mi dát na stavebnici konektor USB micro B, takže jsem mohl stavebnice připojovat i na powerbanky, což bylo nezbytné pro druhý rok výuky, kdy jsem učil ve třídách, kde nebyla k dispozici zásuvka.
Ochranu proti zkratu jsem také vyřešil šalamounsky. 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. Později doplněná vratná pojistka problém odstranila úplně. Vznikla tak stavebnice Saimon verze 2.
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 2
Saimon 2
Pro tvorbu složitějších SSO jsem potřeboval složitější kombinační obvod. Tedy více logických funkcní. Na základní modul se již nic nevešlo, tak byl na řadě první rozšiřující modul. První verze měla velikost cca 150 x 100 mm a obsahovala tři integrované obvody s logickými funkcemi AND, OR a NOT. Modul byl vyroben pouze za účelem ukázat logické funkce na hodině a to co nejrychleji. Připojoval se velmi neohrabaně pomocí dlouhých drátků a já už tehdy věděl, že je třeba to vylepšit. Na stavebnici jsem měl kus nevyužitého místa, kam by se daly umístit nějaké konektory. Tehdy byl u mne na návštěvě můj strýc Miloš a spolu jsme přemýšleli, že stavebnice může být modulární. Miloš navrhoval, že můžu udělat řadu, Saimon 1, Saimon 2, Staimon 3 a Saimon 4, který může obsahovat třeba i mikroprocesor. Tomu jsem se tenkrát zasmál, jako velmi absurdně nadsazenému snu…
Každopádně světlo světa tou dobou spatřil modul Saimon 2 – Logické funkce.
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 2 a modul Saimon 2 verze 1
Stavebnice měla zespodu sběrnici, takže modulů jsem si mohl zapojit i více za sebou a mít více logických funkcí pro zapojení SSO. DPS pro stavebnice jsem už nechával vyrábět na zakázku u odborné firmy a jelikož se tím vzhled vyzdvihl na profesionální úroveň, tak jsem jako spodní kryt zvolil plexisklo řezané laserem. Aby moduly byly ve stejné výšce, kotvil jsem plexisklo pomocí plastových distančních sloupků, které se používají například pro držení základní desky v PC. Pokochejte se se mnou na následující fotce.
Elektronická stavebnice Saimon 1 zespodu – plastová krytka
Jak ale říkal můj strejda Miloš, když chcete mít hotový výrobek, tak musíte odstřelit inženýra, který ho vymýšlí. Jinak to nebude nikdy hotové. A je to tak. 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.
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 2
A zde je s modulem Saimon 2 verze 2.
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 3 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, abych mohl v dnešním světě plném objektů, učit sekvenční programování v jazyce C? Nápadu na svět pomohl pohovor v jedné firmě na výrobu 3D tiskáren. Mělo se programovat na platformě Arduino. Tenkrát mi řekli „Arduino je tak jednoduché, že to pochopí i děti“. A bylo jasno. Pohovor jsem odbyl a v hlavě se mi rýsoval nápad na další modul Saimon. A protože strejda Miloš mi zasadil do hlavy myšlenku, že mikroprocesor bude obsahovat až čtvrtý modul, tak vznikl jako třetí v pořadí modul Saimon 4. Dočkal se také několika úprav. První verze obsahovala platformu Arduino Nano, nějaké ty testovací ledky a RGB ledku, na které jsem předváděl PWM. Později jsem přidal matici 8×8 ledek s řadičem MAX7219. Následoval druhý rok a výuka programování s modulem Saimon 4 – Arduino mohla začít.
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 3 a modul Saimon 4 verze 2
Tohle byla na dlouhou dobu finální verze. S nastávajícími zdravotními problémy v průběhu roku a následnému nucenému přerušení výuky kroužků to i vypadalo, že nadobro. Ale osud opět zamíchal karty. Po dvou letech jsem se díky tvorbě nejvěrnějšího žáka Adama, jeho práci se stavebnicí a prezentaci na serveru youtube.com, opět vrátil k výuce a s tím přišly i další úpravy stavebnice.
Nejvíce viditelná změna je přidání nepájivé masky na DPS a plexisklová krytka na tlačítka vyřezaná laserem, která nahradila tištěnou na 3D tiskárně. Dále přibylo několik popisků, objevila se další zdířka u bází tranzistorů a konektor USB micro B byl vyměněn za USB mini B, což je sice starší typ, ale jevil se jako mnohem odolnější. Stříhané drátky byly vyměněné za čínské s krimpovanými konektory, což se v současné době ukazuje jako krok špatným směrem (konektory se lámou)
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 4
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 4 zespodu – plastová krytka
Elektronická stavebnice Saimon 1 verze 4 v krabici
A třešnička na závěr – Saimon 3
Jako zlatý hřeb na závěr školního roku se rýsovala vize prezentování stavebnice na veletrhu Maker Faire 2019. Náš projekt byl vybrán a s tím souvisely vrcholné dokončovací práce, včetně několikaletého dluhu – nikdy jsem nevyrobil modul Saimon 3. I když jeho návrh existoval v hlavě už delší dobu, nikdy nespatřil světlo světa. Měl obsahovat paralelní 64‑bitovou paměť (protože kombinační obvod SSO se dá realizovat pamětí a může být jak chcete složitý), posuvný registr a čítač. Když jsem ho začal vytvářet, přidal jsem ještě paralelní dvouřádkový displej, sériovou paměť a několik tlačítek generujících logickou 0 nebo 1 pro lepší ovládání. Bylo to opět trochu pod tlakem, ale na veletrhu jsme oficiálně představili kompletní stavebnici Saimon i s modulem Saimon 3 – Paralelně a sériově.
Modul elektronické stavebnice Saimon 3
Shrnutí – co se mi na mé stavebnici líbí:
- 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 sestaví podle starého návodu.
Autorem stavebnice i článku je Ing. Lukáš Krejčík
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 www.stavebnicesaimon.cz.