Wordclock

Um diese Uhr nachzubauen, ist es vorteilhaft, wenn man Vorkenntnisse in Elektronik, sowie Microcontrollerprogrammierung hat.
Wie man später noch sieht basiert meine Schaltung auf einem Breakout-Board für den Atmega32U4. Solche Boards haben den Vorteil, dass sie direkt verwendet werden können - man muss den Microcontroller z.B. nicht mehr extern mit einem Quarz beschalten, da dieser schon am Breakout-Board vorhanden ist. Natürlich ist es auch möglich einen einfachen Microcontroller zu verwenden. Dabei muss man jedoch auf die externe Beschaltung, sowie auf die korrekte Programmierung der Fuse-Bits achten.

Als erstes wird die Logik-Platine erstellt. Diese Platine ist das Herzstück der Uhr, sie verbindet den Microcontroller mit den LEDs.
Zuerst wollte ich diese Platine ätzen lassen. Die Kosten dafür sind jedoch sehr hoch, weswegen ich mich dann doch für folgende Variante entschieden habe:
Ich habe ein 3x26cm großes Stück Lochrasterplatine verwendet und darauf die einzelnen Bauteile (siehe vereinfachter Schaltplan) verlötet.

Dabei dienen die Schieberegister (HCF4094) zur Ansteuerung der einzelnen Wörter. Man könnte die einzelnen Wörter auch direkt vom Microcontroller aus ansteuern, da jedoch nicht genügend Pins zur Verfügung stehen, muss man diese Schieberegister verwenden. Damit die LEDs nicht zu viel Strom vom MC ziehen, habe ich 3 Transistorarrays (ULN2803A) eingebaut.

Zusätzlich habe ich aus 2 einreihigen Buchsenleisten einen Sockel für das Breakout-Board eingelötet. Daneben befindet sich eine, aus 5 Pins bestehende, Buchsenleiste zur Ansteuerung der LEDs in den Ecken. Die Taster zur Einstellung der Stunden, Minuten, sowie der Helligkeit befinden sich auf der Unterseite der Platine, um später darauf zugreifen zu können. Sie werden mit den Interrupt-Leitungen INT1-3 des MCs verbunden. Am unteren Ende befindet sich noch ein Spannungsregler, welcher die Eingangsspannung des Netzteiles auf 5V reguliert.

Hinweis: Da die Formate der beiden Bilder etwas unglücklich gewählt worden sind, sind die Bilder nur sinnvoll, wenn man sie vergrößert!

Für die "Wörter" erstellt man eine gespiegelte Schablone (siehe Bild), welche auf eine Overhead-Folie gedruckt wird. Je nach Art der Folien, bzw. Drucker müssen 3-5 Folien übereinander gelegt werden, sodass später auch wirklich nur die Buchstaben leuchten.

Tipp: Schöne Ergebnisse werden mit einem Laserdrucker erzielt!

Um später das Licht zu färben habe ich hinter die Overhead-Folien eine blaue (bzw. orange) Folie gelegt. Dabei ist darauf zu achten, dass man ein Material auswählt, welches das Licht gut streut. Gut bewährt hat sich dafür ein einfärbiges Plastik-Sackerl. Möchte man weißes Licht, muss man zumindest ein Blatt weißes Papier dazwischen legen, da man sonst die einzelnen LEDs sieht, bzw. das Licht nicht gestreut wird.

Achtung: Verwendet man einen zu großen Rahmen, muss man die Schablonen auf A3-Folien drucken!

Da es keine Streifenraster-Platinen in der Größe 13x14cm gibt, habe ich 2 Euro-Platinen zusammengefügt.Streifenraster-Platinen sind dadurch gekennzeichnet, dass jeweils alle Pins einer Reihe miteinander verbunden sind. Genau das wird für die LED-Matrix benötigt.

Zuerst müssen die LEDs mit den Widerständen verlötet werden. Anschließend formt man die Beine so, dass die LED mit dem Widerstand einen rechten Winkel einnimmt.

Im nächsten Schritt muss man die Positionen der einzelnen Buchstaben auf der Platine markieren. Dazu vermisst man die Abstände der Buchstaben auf der Overhead-Folie und überträgt diese auf die Platine. Zuletzt werden die LEDs auf der Platine verlötet. Man muss darauf achten, dass in einer Reihe nur LEDs eines Wortes gelötet werden. die Widerstände einer Zeile werden aber alle in die selbe Reihe gelötet. Alle "Widerstands-Reihen" werden schlussendlich miteinander verbunden (rote Litzen im Bild).

Nun habe ich die beiden Platinen miteinander verbunden. Jedes Wort (bzw. die dazu gehörende Reihe der Streifenrasterplatine) wird mit einem Ausgang von einem der 3 ULN2803A verbunden. Anschließend werden die verbundenen Platinen auf der Rückwand des Objektrahmens verschraubt. Dabei muss man aufpassen, dass die Schrauben keinen Kontakt mit etwaigen Leitungen haben! In meinem Fall besteht der Objektrahmen aus 2 Rückwänden. Ich habe die Platinen auf der inneren Rückwand befestigt und die Äußere als Abdeckung verwendet.

Außerdem habe ich die Strombuchse auf der Logik-Platine verlötet. Um die Strombuchse zu fixieren, habe ich eine Halterung aus einem Stück Alublech hergestellt. Um später das Stromkabel einstecken zu können, ohne die Uhr zu öffnen, habe ich eine kleine Aussparung dafür in die beiden Rückwände gemacht. Außerdem habe ich für die drei Taster Löcher gebohrt.

Tipp: Die Aussparung könnte man ruhig etwas größer machen - in meinem Fall benötigt man kleine Finger um das Kabel ein- und ausstecken zu können...

Um zu verhindern, dass benachbarte Wörter beleuchtet werden, habe ich eine Unterteilung aus Karton hergestellt. Dazu habe ich den Karton mit einem Cutter in 24mm breite Streifen geschnitten (das entspricht genau dem Abstand zwischen Rückwand und Vorderseite des Objektrahmens).Die Einzelteile habe ich mit Sekundenkleber zusammengeklebt.

Tipp: Auf dem Breakout-Board befindet sich eine LED. Um ein Durchscheinen auf die Oberseite zu verhindern, kann man diese mit etwas Isolierband abkleben.

Der im Objektrahmen enthaltene Abstandhalter war in meinem Fall "etwas im Weg". Daher musste ich auf einer Seite eine Aussparung für die Logik-Platine machen. Zusätzlich dient der Abstandhalter als Halterung für die "Minuten-LEDs" in den Ecken. Dazu habe ich in den Ecken Dreiecke aus Karton eingeklebt. In den Dreiecken befinden sich 3mm-Löcher zur Befestigung der LEDs.

Alle 4 LEDs haben eine gemeinsame Masse (blaues Kabel), werden jedoch von getrennten Pins am Microcontroller angesteuert. Die LEDs werden in die Löcher gesteckt und von Hinten mit Isolierband fixiert.

Der Microcontroller wird mit C programmiert. Da der Atmega32U4 auf dem Breakout-Board direkt per USB programmiert werden kann, wird hierfür kein eigener Programmer benötigt. Zur Programmierung habe ich WinAVR in Verbindung mit avrdude verwendet.

Das Herzstück des Programms ist ein Timer, der jede Minute eine Änderung der Ausgabe vornimmt. Um den ausgegebenen Text zu ändern, werden die Schieberegister mit (Software-) SPI angesteuert. Die LEDs in den Ecken werden direkt über einzelne Pins am MC angesteuert.

Bei Interesse kann ich die Firmware gerne zur Verfügung stellen.

Im letzen Schritt wird die Uhr zusammengebaut. Gestellt wird die Uhr über zwei Tasten - je eine für Minuten und eine für Stunden. Die dritte Taste regelt die Helligkeit - je Tastendruck wird die Anzeige um 10% heller (via Pulsweitenmodulation) - nach 100% folgt wieder 0%.

Um noch das Geheimnis der Stromversorgung für die orangene Uhr zu lüften: Das Kabel wird durch ein Loch in der Wand in das dahinter liegende Zimmer geführt. Dort befindet sich eine Steckdose hinter einem Kasten :-)
Meine eigene Uhr steht auf einem Kästchen, so dass das Kabel dahinter verschwindet.