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WordClock

Ich habe bei Freunden eine Original Wort-Uhr von Biegert & Funk in ca. 50 x 50 cm GrĂ¶ĂŸe an der Wand hĂ€ngen gesehen und war sofort begeistert. Ein kurzer Blick ins Netz ergab allerdings, dass fĂŒr so ein SchĂ€tzchen mehrere hundert Euronen den Besitzer wechseln mĂŒssen, was mir weniger gut gefiel.

Da ich die Lizenz zum Löten und FrĂ€sen besitze, forschte ich weiter, stolperte ĂŒber die SchnĂ€ppchenversion von Franzis (der Pong-Bausatz mit passender Firmware) und landete letztlich ĂŒber 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 zugĂ€nglich 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 lĂ€uft mit einem zusĂ€tzlich einzulötenden Uhrenquarz und muss manuell eingestellt werden, die weiter oben schon verlinkte Version holt sich zusĂ€tzlich die Uhrzeit ĂŒber DCF77.

ZurĂŒck zur Wort-Uhr:
FĂŒr mich war klar, die von Bird Bastel verwendeten RGBW-LED-Stripes sind das Mittel der Wahl zur Hinterleuchtung meiner WordClock, nur die Abmessungen mĂŒssen 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 KantenlĂ€nge von ca. 23 cm fĂŒr das GehĂ€use ergibt. Insider erkennen sofort, dass ich mit dem Gedanken spielte, die Front-Vorlagen fĂŒr den Wort-Uhr Wecker zu verwenden.

Etwas spĂ€ter ist klar, dass die im Forum vorhandenen Front-Vorlagen fĂŒr den 23er Wort-Wecker fĂŒr meine Wort-Uhr nicht passen, die Buchstaben sitzen zu eng beisammen und die LEDs der Stripes dafĂŒr zu vereinzeln kommt natĂŒrlich 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 FrÀstiefe 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 ĂŒbrig, in dem es die Elektronik unterzubringen gilt.

Da wĂ€re zuerst der Arduino Nano V3 als Herz der Maschine zu nennen, dazu ein DCF77-EmpfĂ€nger, ausgeschlachtet aus einem defekten Funkwecker, als weitere „große“ Bauteile noch zwei 2200”F Elkos fĂŒr 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 kĂŒrzer und gleichmĂ€ĂŸiger.

LED-Stripes auf Kapa-Platte

Zu Anfang war mein Plan, die obere und die untere HĂ€lfte 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 dĂŒnnen Leitungen eine höhere Spannung (24 V oder wenigstens 12 V) aber geringeren Strom zur Uhr fĂŒhren kann.

Hier ein paar CloseUps der Ecken:

Einspeisung der Daten

Ecke links unten

Ecke rechts oben

Ecke rechts unten

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 ĂŒber die 24 V -Zuleitung, da kann ich ggf. sogar 0,5 mm Kupferlackdraht verwenden, ohne Probleme mit der Stromversorgung befĂŒrchten zu mĂŒssen.

Die Buchstaben habe ich mit einem 1 mm FrĂ€ser von vorne gefrĂ€st, dann, wie von Michael beschrieben, die Konturen mit wasserklarem Harz von G&H verfĂŒllt. Das musste mehrfach erfolgen, MDF ist saugfĂ€hig 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 ausgehĂ€rtet war.

Da das mit der Klinge verteilte Harz auch in die OberflĂ€che der MDF Platte eingedrungen ist und das Material dunkel gefĂ€rbt hat, habe ich zum Schluss die komplette OberflĂ€che mit Harz eingelassen, das sieht jetzt gleichmĂ€ĂŸig dunkel aus, muss aber nochmal ĂŒberschliffen werden.

Frontplatte mit Harz eingelassen

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

Front mit Buchstabensalat

Aufmerksame Betrachter des Fotos erkennen, dass das fĂŒr 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 weggefrĂ€st - und im G in der zweiten Zeile ist ein ĂŒberflĂŒssiger 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 ausgehĂ€rtet, wie man an den eingefallenen OberflĂ€chen erkennt.

defektes A

Der Punkt im G ließ sich mit den mir zur VerfĂŒgung stehenden Mitteln nicht ohne Weiteres vertuschen, meine BefĂŒrchtung war, dass ich die dĂŒnne 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 gefĂŒllt um erst mal zu schauen, ob der Punkt im Betrieb auffĂ€llt. Nun, er fĂ€llt auf :(

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

fehlerhaftes G

Ich habe versucht, diese beiden Fehler nachzuvollziehen, ungelöste RÀtsel 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-GrĂ¶ĂŸe auf 9 eingestellt und den FrĂ€serdurchmesser mit 1 mm angegeben. Ausschließlich mit dieser Kombination landet der, wohl absichtlich platzierte, Einstichpunkt fĂŒr den Winkel am G-Strich nicht auf der eigentlichen FrĂ€serbahn. Bei BuchstabengrĂ¶ĂŸe 6, 8 und 10 ist der Punkt bei großer VergrĂ¶ĂŸerung ebenfalls sichtbar, liegt aber innerhalb der FrĂ€sbahn, wo er hingehört.

Da ich mit der BuchstabengrĂ¶ĂŸe gebunden bin, habe ich die Stelle im G-Code gesucht und auskommentiert. Die Suche gestaltet sich bei einer DateigrĂ¶ĂŸe 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 ungefĂ€hren X- und Y-Koordinaten gesucht werden kann.

Um die Minuten-LEDs in der GrĂ¶ĂŸe und im Design passend zu den Buchstaben auszufĂŒhren, habe ich dafĂŒr jeweils einen Kreis mit 8 mm Außendurchmesser und 1 mm Breite sowie in der Mitte ein 3 mm durchmessendes Loch gefrĂ€st.

Minuten-Anzeige

Nachdem das Harz an der Vorderseite ausgehĂ€rtet 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 fĂŒr alle anderen Buchstaben vorgesehen sind. Die W-Tasche muss breiter sein, 13 mm sind ausreichend.

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

Frontplatte von hinten

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

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

mieser Versuch 2

Ich habe deshalb dann doch die zuerst gefrĂ€ste Seite verwendet und die oben beschriebenen Korrekturen durchgefĂŒhrt.

Das fertige Kunstwerk:

Frontplatte fertig gefrÀst und verharzt


Die Elektronik des Prototyps liegt neben der Uhr auf dem Tisch, das Programm muss fĂŒr die von mir verwendeten LED-Stripes angepasst werden. Die Bedienung erfolgt hier noch mittels normaler Tasten. Die DCF77-Antenne habe ich versuchsweise mit der WĂ€scheklammer 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 bestĂ€tigt, 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 fĂŒr meine Wort-Uhr zu groß, ich habe kleinere Module ohne Flash -Speicher bestellt.

Das Herz des Wort-Uhr Prototyps

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

starke Abweichung von RTC-Modul und DCF77 Zeit

Nach ca. 10 Stunden weicht die RTC DS3231 ĂŒber eine viertel Stunde ab. Das zweite Modul lĂ€uft in der gleichen Zeit “nur” ca. 1 Minute 20 Sekunden zu langsam, aber auch das ist unzumutbar daneben. Das dritte Modul aus dieser Lieferung verhĂ€lt sich unauffĂ€llig - 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.


Die Bedienung der Uhr habe ich letztlich ĂŒber 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 gewĂ€hlt 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 wĂŒrde 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 ĂŒbrig, die Front meiner Uhr sollte damit schön glatt aussehen und die nicht beleuchteten Buchstaben sollten unsichtbar bleiben.

Vorgriff auf spÀter... Erste Tests, noch ohne die Folie zu verkleben, haben diese Annahme bestÀtigt.

Wort-Uhr hinter 3M-Spiegelfolie

Beim Prototyp der Wortuhr habe ich die LED-Stripes auf eine 5 mm starke Schaumstoffplatte, beidseitig mit dĂŒnner Pappe kaschiert (aka “Kapa-Platte”), geklebt und diese Grundplatte genauso groß wie die MDF-Platte ausgefĂŒhrt. Die Platte schaut also hinter der 16 mm dicken Frontplatte heraus, was eine irgendwie geartete Verkleidung der Seiten bedingt. Außerdem musste ich auf der RĂŒckseite der Frontplatte KanĂ€le fĂŒr die Verdrahtung und die LED-Stripes vorsehen, was die Bearbeitung der Front ziemlich aufwĂ€ndig gestaltet hat.

Soweit die Vorarbeiten mit dem Prototyp.


FĂŒr die endgĂŒltige Version habe ich ein etwas anderes Design gewĂ€hlt.
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 zusÀtzlich verkleidet werden.

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

Grundplatte WordClock V2, Hartfaserplatte

Die 0,5 mm flachen Taschen fĂŒr die Bauteile dienen nur als Platzhalter zur Orientierung bei der Befestigung, die DrĂ€hte, LED-Stripes und Kupferfolien hingegen sind echt versenkt.

Konstruktion der Grundplatte

LED-Stripes und Kupferfolienleiter

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 LeitungsfĂŒhrung bedingt, aber auch das ließ sich lösen. Hier beispielhaft die Ecke links unten:

LeitungsfĂŒhrung an der Minuten-LED

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

Die Positionen fĂŒr 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.

fertig bestĂŒckte Grundplatte

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

Herz der WordClock

... die wir uns auch nochmal nÀher anschauen:

die Sensoren zur Steuerung

die Echtzeituhr und der LRD zur Helligkeitsregelung

Arduino Nano V3 Clone


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 ĂŒber die Versorgungsspannung aufgeladen werden. Dazu ist auf den betreffenden Platinen ein Widerstand von ca. 200 ℩ sowie eine normale Diode 1N4148 oder Ă€hnlich 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 vertrĂ€gt beides klaglos. Ich habe mir nicht die MĂŒhe 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 dĂŒrfen. Diese Anforderung wird von der vorhandenen Schaltung mit Sicherheit verletzt!

Dass manche Hersteller identische Module auch mit Knopfzellen CR2032 ausliefern, die nun ĂŒberhaupt nicht geladen werden dĂŒrfen, sei nur am Rade erwĂ€hnt.

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

(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 geschĂŒtzten Begriffes xxxx - xxxx steht fĂŒr die deutsche Übersetzung der englischen Bezeichnung “super capacitor” - verbot, weil ein Hersteller sich diesen Begriff hat schĂŒtzten lassen).

RTC-Modul mit original Liion-Zelle

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

Die RealitĂ€t 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 fĂŒr “Ich habe noch keine gĂŒltige 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 NÀhe verrÀt: Da ist keine Ladeschaltung vorhanden, wo soll die auch Platz finden?

Das IC sitzt quasi formatfĂŒllend auf der Oberseite, links ganz verschĂ€mt unter dem blauen Draht zwei WiderstĂ€nde und ein Kondensator. Der Draht ist ĂŒbrigens 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 GlĂŒck ist am Stecker ein Pin frei, bezeichnet mit NC, ich konnte also das SQW-Signal am Stecker zur VerfĂŒgung stellen.

Hinweis
Bei neueren Firmwares fĂŒr die Wort-Uhr wird das SQW-Signal nicht mehr benötigt (steht so in der ErklĂ€rung der Software, ich habe das nicht verifiziert). Ich werde die Firmware aber so Ă€ndern, 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 fĂŒhrt.

Oberseite des RTC-Moduls mit herausgefĂŒhrtem SQW-Signal (Pin 3)

Um also den Doppelschichtkondensator zu laden, muss die oben erwÀhnte 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 ℩.

Hier habe ich zur Montage auf dem Grundboard den unsĂ€glich großen Stecker bereits demontiert und den 5,5 V Doppelschichtkondensator aufgelötet.

RTC-Modul mit Supercap

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

DS3231 SuperCap Modding

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


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.


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

 


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