WordClock

Ich habe bei Freunden eine Original Wort-Uhr von Biegert & Funk in ca. 50 x 50 cm Größe an der Wand hängen gesehen und war sofort begeistert. Ein kurzer Blick ins Netz ergab allerdings, dass für so ein Schätzchen mehrere hundert Euronen den Besitzer wechseln müssen, was mir weniger gut gefiel.

Da ich die Lizenz zum Löten und Fräsen besitze, forschte ich weiter, stolperte über die Schnäppchenversion von Franzis (der Pong-Bausatz mit passender Firmware) und landete letztlich über den Umweg der beiden CLT2-Bausatz-Videos (Video1, Video2) von Bird Bastel auf Youtube in Christians Bastel-Laden und im zugehörigen Forum.

Kurzer Einschub bzgl. des Pong-Bausatzes:
Der Bausatz wurde vor einigen Jahren von Franzis in Zusammenarbeit mit Burkhard Kainka erstellt. Da das Herz des Spiels ein AtMega8 ist, dessen Programmieranschluss auf der Platine zugänglich ist, bot sich die Verwendung als Entwicklungssystem an. Das Magazin ELO hat dann auch folgerichtig einen Programmierwettbewerb ausgeschrieben, der eine umfangreiche Sammlung an Realisierungen hervor brachte. Die Wort-Uhr aus dem Programmierwettbewerb läuft mit einem zusätzlich einzulötenden Uhrenquarz und muss manuell eingestell werden, die weiter oben schon verlinkte Version holt sich zusätzlich die Uhrzeit über DCF77.

Zurück zur Wort-Uhr:
Für mich war klar, die von Bird Bastel verwendeten RGBW-LED-Stripes sind das Mittel der Wahl zur Hinterleuchtung meiner WordClock, nur die Abmessungen müssen kleiner sein (damit ich das Teil auf meiner LCF-1 bearbeiten kann). Also suchte ich nach RGBW-LED-Stripes mit 60 LEDs pro Meter, was eine Kantenlänge von ca. 23 cm für das Gehäuse ergibt. Insider erkennen sofort, dass ich mit dem Gedanken spielte, die Front-Vorlagen für den Wort-Uhr Wecker zu verwenden.

Etwas später ist klar, dass die im Forum vorhandenen Front-Vorlagen für den 23er Wort-Wecker für meine Wort-Uhr nicht passen, die Buchstaben sitzen zu eng beisammen und die LEDs der Stripes dafür zu vereinzeln kommt natürlich nicht in Frage. Hier war also selbermachen angesagt.

Den Galerie-Teil des Forums habe ich in großen Teilen durchgeackert, dann hatte ich eine Vorstellung, wie die Front meiner WordClock aussehen soll.

Die Idee von Michael (skymiga im Forum - Hinweis: Um das Forum zu besuchen muss man sich registrieren) fand ich ausgesprochen gut und habe seine Anregungen fast 1:1 befolgt, lediglich die Frästiefe der Buchstaben habe ich angepasst, da meine Frontplatte nur 16 mm dick und eine mitteldichte Faserplatte (gemeinhin als MDF bekannt) ist.

Die Außenabmessungen meiner Front zusammen mit der Teilung des LED-Stripe lassen einen Rand von ca. 20 mm rundherum übrig, in dem es die Elektronik unterzubringen gilt.

Da wäre zuerst der Arduino Nano V3 als Herz der Maschine zu nennen, dazu ein DCF77-Empfänger, ausgeschlachtet aus einem defekten Funkwecker, als weitere „große“ Bauteile noch zwei 2200µF Elkos für den LED-Stripe sowie ein RTC-Modul mit dem DS3231.

Die Stromversorgung des LED-Stripe habe ich etwas anders gelöst, indem ich am linken Rand eine Plus-Schiene, am rechten Rand eine Masse-Schiene gelegt habe, an denen ich jeden Stripe passend angeschlossen habe. Die Stromwege zu den LEDs sind damit kürzer und gleichmäßiger.

Zu Anfang war mein Plan, die obere und die untere Hälfte des Display jeweils mit einem eigenen Step-Down-Schaltregler zu versorgen, weil ich von den immensen Strömen gelesen habe, die diese LED-Stripes verkonsumieren. Die Buck-Regler wollte ich einsetzen, damit ich mit dünnen Leitungen eine höhere Spannung (24 V oder wenigstens 12 V) aber geringeren Strom zur Uhr führen kann.

Hier ein paar CloseUps der Ecken:

Nach den ersten Messungen am lebenden Objekt habe ich aber erkannt, dass weder beim Einschalttest noch beim normalen Betrieb mehr als ca. 1,7 A von der Schaltung aufgenommen werden, so dass ich das komplette Display mit nur einem Buck-Regler betreiben werde. Bei 1,7 A @ 5 V in der Schaltung gehen moderate 600 mA über die 24 V-Zuleitung, da kann ich ggf. sogar 0,5 mm Kupferlackdraht verwenden, ohne Probleme mit der Stromversorgung befürchten zu müssen.

Die Buchstaben habe ich mit einem 1 mm Fräser von vorne gefräst, dann, wie von Michael beschrieben, die Konturen mit wasserklarem Harz von G&H verfüllt. Das musste mehrfach erfolgen, MDF ist saugfähig wie ein Schwamm. Überstehendes Harz habe ich mit der Abbrechklinge eines Teppichmessers abgezogen, danach musste ich mehrere Stunden warten, bis das Harz (Topfzeit 40 Minuten) nicht mehr klebrig, somit ausgehärtet war.

Da das mit der Klinge verteilte Harz auch in die Oberfläche der MDF Platte eingedrungen ist und das Material dunkel gefärbt hat, habe ich zum Schluss die komplette Oberfläche mit Harz eingelassen, das sieht jetzt gleichmäßig dunkel aus, muss aber nochmal überschliffen werden.

Das nachfolgende Bild zeigt die Front noch ohne Harz, die Feinheiten kommen so besser raus.

Aufmerksame Betrachter des Fotos erkennen, dass das für die Buchstaben verwendete Programm Fehler eingebaut hat. Der Mittelteil des A in der obersten Zeile fehlt - nicht, weil der Teil ausgebrochen ist, das Teil wurde echt weggefräst - und im G in der zweiten Zeile ist ein überflüssiger Punkt eingebaut worden.

Hier habe ich das A bereits mit einem liebevoll mittels Skalpell geschnitzten Dreieck “geflickt”, das ich mit Sekundenkleber eingebaut habe. Das Harz ist hier ebenfalls schon appliziert und ausgehärtet, wie man an den eingefallenen Oberflächen erkennt.

Der Punkt im G ließ sich mit den mir zur Verfügung stehenden Mitteln nicht ohne Weiteres vertuschen, meine Befürchtung war, dass ich die dünne Trennwand zwischen dem Punkt und dem unteren Bogen des G zerstöre, wenn ich versuche, etwas in das Loch zu stopfen. Ich habe das also so gelassen und auch den Punkt mit Harz gefüllt um erst mal zu schauen, ob der Punkt im Betrieb auffällt. Nun, er fällt auf :(

Gelöst habe ich das Problem durch Auftrag eines winzigen Kleckses schwarzer Modellbaufarbe auf die Rückseite des Punktes. Das Loch ist noch vorhanden, aber es kommt kein Licht durch, mithin ist es im Betrieb unsichtbar.

Ich habe versucht, diese beiden Fehler nachzuvollziehen, ungelöste Rätsel sind mir zuwieder. Beim A ist mir das nicht gelungen, ein neu eingebautes A hat das Problem nicht gezeigt.

Der Punkt beim G allerdings ist systematisch. Ich habe die Font-Größe auf 9 eingestellt und den Fräserdurchmesser mit 1 mm angegeben. Ausschließlich mit dieser Kombination landet der, wohl absichtlich platzierte, Einstichpunkt für den Winkel am G -Strich nicht auf der eigentlichen Fräserbahn. Bei Buchstabengröße 6, 8 und 10 ist der Punkt bei großer Vergrößerung ebenfalls sichtbar, liegt aber innerhalb der Fräsbahn, wo er hingehört.

Da ich mit der Buchstabengröße gebunden bin, habe ich die Stelle im G-Code gesucht und auskommentiert. Die Suche gestaltet sich bei einer Dateigröße von 96 kB nicht gerade einfach, aber  das Programm Estlcam bietet die Option, in der Zeichnung Maße mit Koordinaten zu nehmen, so dass im G-Code mit den ungefähren X- und Y-Koordinaten gesucht werden kann.

Um die Minuten-LEDs in der Größe und im Design passend zu den Buchstaben auszuführen, habe ich dafür jeweils einen Kreis mit 8 mm Außendurchmesser und 1 mm Breite sowie in der Mitte ein 3 mm durchmessendes Loch gefräst.

Nachdem das Harz an der Vorderseite ausgehärtet war, habe ich die Front dann an den Stellen der Buchstaben von hinten mit Taschen versehen, so dass noch 1,5 mm Material der Frontplatte stehen bleiben. Hierbei ist zu beachten, dass das W nicht in die 10 mm breiten Taschen passt, die für alle anderen Buchstaben vorgesehen sind. Die W-Tasche muss breiter sein, 13 mm sind ausreichend.

Zusätzlich werden um den Rand verteilt Taschen unterschiedlicher Tiefe in die Frontplatte gefräst, in denen der Arduino, die RTC, die DCF77-Antenne sowie deren Elektronik, der Step-Down-Regler und die Blockkondensatoren ihren Platz finden.

Auch hier kann der aufmerksame Betrachter etwas so nicht Geplantes erkennen :-)
Auf den Stegen zwischen den Taschen sind Buchstabenfragmente sichtbar. Des Rätsels Lösung ist hier der zweite Versuch des Buchstabenfräsens nach Korrektur der beiden Fehler im G-Code auf der Rückseite der Platte.

Leider habe ich bei diesem Versuch neben den beschriebenen Korrekturen auch die Drehzahl des Fräsers erhöht, weshalb dieser zum einen wohl zu heiß geworden ist und zum Zweiten die Ränder der Fräsbahnen ziemlich ruppig aussahen. Außerdem sind diesmal ALLE Innenteile der As sowie einige der Ps, Rs und Bs ausgebrochen und weg geflogen. Nicht verwendbar...

Ich habe deshalb dann doch die zuerst gefräste Seite verwendet und die oben beschriebenen Korrekturen durchgeführt.

Das fertige Kunstwerk:

Die Elektronik des Prototyps liegt neben der Uhr auf dem Tisch, das Programm muss für die von mir verwendeten LED-Stripes angepasst werden. Die Bedienung erfolgt hier noch mittels normaler Tasten. Die DCF77-Antenne habe ich versuchsweise mit der Wäscheklammer senkrecht gestellt, weil ich testen wollte, ob der Empfang mit senkrecht ausgerichteter Antenne eventuell besser ist als mit horizontal falsch ausgerichteter Antenne. Das hat sich bestätigt, der Empfang ist senkrecht besser als falsch positioniert horizontal. Die Antenne wird also in der Uhr am rechten Rand senkrecht platziert werden.

Das auf dem Prototypen rechts vorne sichtbare RTC-Modul (RTC - Real Time Clock - Echtzeit-Uhr) ist für meine Wort-Uhr zu groß, ich habe kleinere Module ohne Flash-Speicher bestellt.

Leider stellte sich heraus, dass bei zwei von drei dieser preiswerten RTC-Module keine Rede von “hochpräzise” sein kann, wie sie beworben werden. Hier das Ergebnis eines Laufs über Nacht:

Nach ca. 10 Stunden weicht die RTC DS3231 über eine viertel Stunde ab. Das zweite Modul läuft in der gleichen Zeit “nur” ca. 1 Minute 20 Sekunden zu langsam, aber auch das ist unzumutbar daneben. Das dritte Modul aus dieser Lieferung verhält sich unauffällig - ca. 1 Sekunde in drei Tagen Abweichung.

Ich habe nochmal baugleiche Module bei einem anderen Lieferanten bestellt sowie anders aufgebaute, aber ebenfalls schmale Module. Ein Test wird zeigen, ob die beiden Module Ausreißer oder Standard sind.

Die weiteren Untersuchungen zu diesem Thema beschreibe ich auf einer eigenen Seite.

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Die Bedienung der Uhr habe ich letztlich über Sensor-Module realisiert, die am unteren Rand der Uhr parallel zur Unterseite auf der Grundplatte montiert werden. Diese Module liefern ein entprelltes 5V-Signal wenn der Finger ca. 3-5 mm entfernt ist. Holz oder Kunststoff behindern die Detektion des Fingers kaum, die Sensoren können also unsichtbar eingebaut werden. Der Abstand der Sensormodule untereinander muss so groß gewählt werden, dass eine unbeabsichtigte gleichzeitige Bedienung zweier Sensoren ausgeschlossen ist. Die Module sind 11 mm breit, ein Abstand von 8 mm ist ok.

Der Trick mit dem durchleuchteten Echtholzfurnier hat mich begeistert, ich wollte ebenfalls die nicht beleuchteten Buchstaben nicht oder so wenig wie möglich sehen, allerdings würde eine mit Harz besudelte MDF-Platte als Uhr designtechnisch nicht so recht in mein Zimmer passen.

Wie der Zufall so spielt, habe ich aber vor kurzem zwei kleine Fenster mit einer spiegelnden Sonnenschutzfolie von 3M beklebt. Von dem Material habe ich noch einen erklecklichen Rest übrig, die Front meiner Uhr sollte damit schön glatt aussehen und die nicht beleuchteten Buchstaben sollten unsichtbar bleiben.

Vorgriff auf später... Erste Tests, noch ohne die Folie zu verkleben, haben diese Annahme bestätigt.

Beim Prototyp der Wortuhr habe ich die LED-Stripes auf eine 5 mm starke Schaumstoffplatte, beidseitig mit dünner Pappe kaschiert (“Kapa-Platte”), geklebt und diese Grundplatte genauso groß wie die MDF-Platte ausgeführt. Die Platte schaut also hinter der 16 mm dicken Frontplatte heraus, was eine irgendwie geartete Verkleidung der Seiten bedingt. Außerdem musste ich auf der Rückseite der Frontplatte Kanäle für die Verdrahtung und die LED-Stripes vorsehen, was die Bearbeitung der Front ziemlich aufwändig gestaltet hat.

Soweit die Vorarbeiten mit dem Prototyp.

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Ich habe für die endgültige Version ein etwas anderes Design gewählt.
Die Frontplatte ist dicker, diesmal eine 19 mm starke MDF-Platte. In diese wird die Grundplatte aus Hartfaser von hinten versenkt eingepasst, so ist der Rand der Uhr homogen und muss nicht zusätzlich verkleidet werden.

Die Grundplatte habe ich mit flachen Taschen für die LED-Streifen und alle Bauteile sowie die Verdrahtung versehen, die Rückseite der Frontplatte kann also relativ plan aufgebaut werden.

Die 0,5 mm flachen Taschen für die Bauteile dienen nur als Platzhalter zur Orientierung bei der Befestigung, die Drähte und Kupferfolien hingegen sind echt versenkt.

Die Stromversorgung der LED-Stripes erfolgt diesmal mit zwei Kupferfolienstreifen in der Mitte des LED-Feldes, die einzelnen elektronischen Komponenten sind an den Enden der LED-Stripes angelötet.

Die Anbindung der Minuten-LEDs auf den Ecken hat einige Schnörkel in der Leitungsführung bedingt, aber auch das ließ sich lösen. Hier beispielhaft die Ecke links unten:

Links oben im Bild sieht man den Schlitz für den “Minuten +”- Sensor.

Die Positionen für LDR, Sensoren und RTC habe ich auf kurze Verbindungen zum Arduino hin optimiert, weshalb die Sensoren jetzt an der linken Seite positioniert sind. Der Rest ist mehr oder weniger identisch wie beim Prototypen platziert.

Aufgereiht am linken Rand der Platte der Arduino, der LDR, die RTC und die drei Sensor-Taster...

die wir uns auch nochmal näher anschauen:

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Zur RTC muss ich noch sagen, dass ich im Vorfeld gelesen habe, dass auf einigen Typen von RTC-Modulen mit DS3231 als Hirn Akkus verbaut sind, die über die Versorgungsspannung aufgeladen werden. Dazu ist auf den betreffenden Platinen ein Widerstand von ca. 200 Ω sowie eine normale Diode 1N4148 oder ähnlich direkt vom Plus-Anschluss des Steckers zum Pluspol des Akku geschaltet.

Laut Datenblatt können diese Module mit 3,3 V und auch mit 5 V versorgt werden, der DS3231 verträgt beides klaglos. Ich habe mir nicht die Mühe gemacht auszurechnen, mit welchem Strom die verbauten LiIon-Akkus geladen werden, aus Erfahrung mit dem Umgang von LiIon-Akkus weiß ich jedoch, dass solche Zellen nach Vollladung nicht mehr weiter geladen werden dürfen. Diese Anforderung wird von der vorhandenen Schaltung mit Sicherheit verletzt!

Dass manche Hersteller identische Module auch mit Knopfzellen CR2032 ausliefern, die nun überhaupt nicht geladen werden dürfen, sei nur am Rade erwähnt.

Um jeglichen Problemen mit den Akkus oder Primärzellen aus dem Weg zu gehen, habe ich eventuell vorhandene Knopfzellen durch einen Doppelschichtkondensator (früher auch oft GoldCap genannt) ersetzt. Hierbei ist darauf zu achten, einen Typ zu verwenden, der die durch die “Ladeschaltung” angebotene Spannung verträgt. Normale Doppelschichtkondensatoren sind für Spannungen von 2,2 V bis maximal 2,7 V ausgelegt, man muss einen Doppelschichtkondensator mit zwei Zellen wählen der 5,5 V verträgt.

(Man verzeihe mir die mehrfache Verwendung des recht sperrigen Begriffes “Doppelschichtkondensator”, aber vor ein paar Jahren ging eine Abmahnwelle durchs Netz die die Verwendung des bis dato nicht geschützten Begriffes xxxx - xxxx steht für die deutsche Übersetzung der englischen Bezeichnung “super capacitor” - verbot, weil ein Hersteller sich diesen Begriff hat schützten lassen).

So verfahren arbeiten die RTCs in meinen beiden WordClocks jetzt also ohne Probleme durch überladen... sollte man jedenfalls meinen.

Die Realität spricht eine andere Sprache: Sofort nach Abziehen der Versorgungsspannung und erneuter Bestromung der Uhren zeigen diese immer wieder störrisch “Es ist zehn nach elf” an und die erste Minuten-LED leuchtet, somit ist es 11:11 Uhr.

Das ist die Vorgabe bei den verschiedenen QlockXXX-Firmwares für “Ich habe noch keine gültige Uhrzeit”, folglich kann ich davon ausgehen, dass meine Änderung der Spannungsversorgung der RTC-Module nicht funktioniert.

Ok, ich verwende wegen des schmalen Bauraums am Rand der Uhr kleine - man kann sagen minimalistisch angehauchte - RTC-Module... ein kurzer Blick aus der Nähe verrät: Da ist keine Ladeschaltung vorhanden, wo soll die auch Platz finden?

Das IC sitzt quasi formatfüllend auf der Oberseite, links ganz verschämt unter dem blauen Draht zwei Widerstände und ein Kondensator. Der Draht ist übrigens das SQW-Signal, das die meisten QlockXXX-Firmwares zum Betrieb unbedingt benötigen. Fehlt das Signal, wird die Uhrzeit auf dem Display nur bei manuellen Einstellungen oder einmalig, direkt nach dem Einschalten der Stromversorgung aktualisiert. Zum Glück ist am Stecker ein Pin frei, bezeichnet mit NC, ich konnte also das SQW-Signal am Stecker zur Verfügung stellen.

Hinweis
Bei neueren Firmwares für die Wort-Uhr wird das SQW-Signal nicht mehr benötigt (steht so in der Erklärung der Software, ich habe das nicht verifiziert). Ich werde die Firmware aber so ändern, dass SQW doch wieder notwendig ist, weil die in der Original-Firmware verwendete Methode der Uhrzeit-Auslesung aus der RTC - zumindest bei den von mir verwendeten Billig-DS3231-Modulen - zu extremer Zeitabweichung führt.

Um also den Doppelschichtkondensator zu laden, muss die oben erwähnte Reihenschaltung von Widerstand und Diode implantiert werden.

Um so wenig wie mögliche Spannungsverluste zu erreichen, habe ich eine Schottky-Diode verwendet, der Widerstand aus der Krabbelkiste hat 383 Ω. Hier habe ich zur Montage auf dem Grundboard den unsäglich großen Stecker bereits demontiert und den 5,5 V Doppelschichtkondensator aufgelötet.

Die Zusatzschaltung zum Laden des Doppelschichtkondensator sitzt links vorne zwischen +-Anschluss und dem Kontakt des Doppelschichtkondensators... ok, hier:

Links die Schottky-Diode (Aufdruck “BE”), rechts der Widerstand (das weiße, rechteckige Keramikteil), beides in SMD Größe 0603. Ab jetzt merkt sich die RTC die Uhrzeit :-)

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Die Bedienung der WordCLock in meiner Konfiguration habe ich in einer Anleitung zusammengefasst. Die Firmware bietet deutlich mehr Optionen, die ich aber nicht implementiert und auch nicht in der Anleitung beschrieben habe.

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Die zweite Version meiner WordClock basiert auf der Firmware von Manuel Bracher und arbeitet anstelle des Arduino Nano mit einem ESP-12E.