Sanakello (saksalainen asettelu): 8 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 08:59

Hei, ich möchte Euch hier mal mein letztes Projekt vorstellen. Ich habe eine Uhr gebaut. Allerdings keine "normale" Uhr, sondern eine Word Clock. Zu solchen Bastelprojekten gibt es hier zwar schon ein paar Artikel, aber trotzdem möchte ich mal zeigen was ich mir ausgedacht und gebaut habe. Vielleicht hilft es ja dem ein oder anderen ja bei seinem Projekt.

Idea hierzu hat mich vor ein paar Monaten ein Kollege gebracht, der mir ein bisschen etwas über seine Mikrocontroller-Projekte erzählt hat and das er unter and aere eine solche Uhr für seine Frau gebaut hat. Idea fand ich niin viileä, dass ich mich auch entschieden habe so eine Uhr zu bauen. Sollte ja für einen Informatikstudenten im vierten Lukukausi wohl irgendwie machbar sein. Danke Jannes: D

Glücklicherweise hatte ich zu diesem Zeitpunkt noch genug Zeit (5 Monate) bis zum Geburtstag meiner Freundin, sodass ich das kombinieren konnte und sie dann die Uhr zum Geburtstag bekommen hat.

Da das hier mein erstes richtiges Projekt war, bin ich sicher, dass ich bestimmt nicht alles perfekt gemacht habe. Allerdings bin ich mit dem Ergebnis mehr als zufrieden (und meine Freundin auch:). Von daher falls ihr Anmerkungen und Tipps habt, gerne in die Kommentare.

Vaihe 1: Materiaali

Baumaterialen:

• MDF Holzplatte (n) (8mm ja 12mm)
• Frontplatte (Fotokarton)
• Plexiglasplatte
• Holzdübel

• Schrauben:

  • Zylinderkopfschraube 25mm x M5
  • M5 Hülsenmutter
  • Schrauben 20 mm x M4
  • Kleine Metallwinkel
  • Große Metallwinkel
  • Holzschrauben 40 mm

Mikrokontrolleri:

• Arduino Nano AtMega328p
• RTC-moduuli

Elektroniikka:

• Netzteil (ulkoinen, lähtö: 5V, 3A (15W), Hohlstecker 2, 1x5, 5mm)
• WS2812b LEDit (60LED/m) (noin 2 m)
• Kupferdraht
• CR1220 Knopfzelle
• Hohlsteckerbuchse 2, 1x5, 5mm
• Hohlstecker-Verlängerungskabel
• Verlegekabel 3x0, 75mm^2
• Infrarot-Fernbedienung (IR)
• Schrumpfschläuche
• Ota selvää
• IR-Empfänger (TSOP4838 38 kHz)

• Bauteile Platine:

  • Buchenleiste (1x15 polig)
  • Buchenleiste 90 ° gebogen (1x5 polig)
  • Leveämpi (470 ohmia, 1 k ohmia)
  • Kondensaattori (1000µF)

  • Klemmleiste (Schraubklemmblock):

    • 2-polig
    • 3-polig
    • 10-polig

Und das wichtigste:

Nerven und Geduld

Vaihe 2: Suunnittelu

Zu Beginn habe ich mir erstmal Gedanken gemacht welche Funktionen die Uhr nachher haben soll. Anhand der dafür benötigten Bauteile konnte ich die Planung machen. Ich habe mich auf folgende Funktionen festgelegt:

• Anzeige der aktuellen Uhrzeit (minutengenau)
• Speicherung der Zeit (für Spannungsausfall)
• Steuerung der LED-Farben
• Automatische Anpassung der Helligkeit an die Umgebung + manuelle Einstellung der Helligkeit
• Automatische Umstellung auf Sommer-/Winterzeit
• Funktion zum manuellen Einstellen der Zeit (für den Fall der Fälle)
• Steuerung über eine Infrarot-Fernbedienung (Farbe, Helligkeit, Blinkeffekte, Zeiteinstellung)

Zudem soll die Uhr an der Wand montiert werden tai normal aufrecht hingestellt werden können.

Damit konnte ich mich an die Konstruktion wagen. Nachdem ich mit den ganzen Papierzetteln irgendwann dann fast den Überblick verloren hatte, bin ich auf eine CAD App (Shapr3D) for iPad umgestiegen. Die bekommt man als Student glücklicherweise kostenlos:). Damit konnte ich die Uhr als 3D-Modell aufbauen, was die Planung deutlich erleichtert hat (siehe Bilder)

Vaihe 3: Frontplatte

Das wohl wichtigste Teil der Uhr ist die Frontplatte mit dem scheinbar wirren Buchstabenfeld. Entsprechend habe ich damit auch angefangen, da sich die ganze Konstruktion der Uhr daran orientiert.

Bei der Positionierung der Buchstaben bzw. Wörter habe ich ein Muster gewählt, bei dem der Nimi meiner Freundin senkrecht in der in Mitte des Buchstabenfeldes steht. Dazu musste ich ein bisschen rumprobieren, bis ein passendes Muster mit allen notwendigen Wörtern rauskam. Da aber nicht alle Buchstaben genutzt werden, hatte ich hier etwas Spielraum.

Frontplatte an sich besteht aus einem schwarzen Fotokarton. Diesen habe ich bei formulaor.de fertigen lassen. Das größtmögliche bestellbare rechteckige Maß beträgt 384mm x 384mm. Dieses Maß liegt somit der gesamten Uhr zugrunde.

Buchstaben im Karton werden per Laser ausgeschnitten. Dazu muss eine Vektorgrafik-Datei auf der Formulor-Webseite hochgeladen werden, die genau das auszuschneidende Muster definiert. Zur Erstellung einer Vektorgrafik eignet sich sehr gut das OpenSource-Tool InkScape. Auf der Formulor-Webseite lävisti sich eine Art "Vorlage" herunterladen, in der die Maße des Fotokartons bereits eingezeichnet sind.

Mit dem Programm habe ich ein Raster für die Buchstaben erstellt und die Buchstaben entsprechend positioniert. Hierbei mussten einige Buchstaben allerdings extra bearbeitet werden, damit die Innenbereiche (sog. "Punzen") nicht herausfallen beim lasern. Dazu habe ich Pfade der betroffenen Buchstaben einzeln angepasst und "Stege" eingesetzt werden. Dabei entstand ein ziemlich schöner und passender Schriftstil wie ich finde.

Vaihe 4: Konstruktion Und Fertigung Der Holzteile

Nachdem die Frontplatte fertig war, konnte ich mit der eigentlichen Konstruktion und dem Bau der Uhr beginnen.

Materiaali:

Der Rahmen der Uhr besteht aus MDF-Platten (mitteldichte Holzfaserplatte). Die Holzbauteile habe ich im Internet on den pass passen Maßen bestellt. Kann man natürlich auch selbst zuschneiden, war aber einfacher:)

Rahmen:

Wie bereits erwähnt, orientiert sich die Größe der Uhr an der möglichen bestellbaren Größe der Frontplatte. Aus diesem Grund wurden die Rahmenteile entsprechend der Größe dimensioniert:

Die Ober-, Unter- und Seitenplatten sind gedübelt, verleimt und verschraubt. Damit wird eine optimale Stabilität gewährleistet, da die Uhr schon ein bisschen was wiegt.

Auf der Oberplatte is not der den Löchern für die Befestigungsschrauben in der Mitte ein Loch gebohrt, in dem der Fotowiderstand für die automatische Helligkeitssteuerung eingesetzt ist. Die Unterplatte besitzt ebenfalls mittig ein Loch für die untere Hohlsteckerbuchse zur Spannungsversorgung.

Alle Rahmenteile wurden nach der Bearbeitung von außen und an den Rändern mit einer Grundierung schwarz deficitiert (siehe spätere Bilder). Das habe ich von einem Malermeister aus dem Bekanntenkreis machen lassen. Vielen Dank an der Stelle nochmal Christoph:)

Mittelplatte:

Die Mittelplatte hält die Uhr im Grunde von innen zusammen. Hier sind alle Teile des Innenlebens befestigt. Die Mittelplatte besitzt vier äußere Bohrungen für die Hülsenmuttern zur Fixierung der Frontplatte. Zudem sind verteilt sieben Löcher gesetzt, durch die die Kabel für die LEDs and den IR-Empfänger durchgeführt sind.

Auf der Rückseite der Platte on außerdem mittig mit einer Oberflächenfräse ein rechteckiger Bereich ausgefräst worden, in der später die Platine mit dem Arduino etc. eingelassen wurde. Hierdurch lässt sich die Uhr insgesamt etwas schmaler bauen. Die Fräse habe ich mir von von einem Kollegen meines Vaters ausgeliehen. Vielen Dank ja Stelle nochmal dieser:)

Lochplatte:

Die Lochplatte ist das aufwendigste Teil der Uhr. Tämä ei ole Aufgabe das Licht jeder einzelnen LED -valot. Tässä on LED -valot ja 23 mm: n aukot Loch mit einem Forstnerbohrer gefertigt.

Zusammen sind dies 110 Löcher für die leds, vier kleinere Löcher für die Minuten-LEDs and nochmal vier weitere Löcher and den Ecken zur Fixierung der Platte.

Zudem sind auf der Rückseite dieser Platte Kerben für die LEDs and Kabel ausgefräst, damit die Platte möglichst bündig auf der Mittelplatte aufliegen kann und so eine gute Lichtabschirmung ermöglicht wird. Außerdem ist im oberen Bereich der Lochpiergen platziert ist.

Vaihe 5: Elektronik

Schaltung und Platine

Die Steuerung der Uhr erfolgt über einen Arduino Nano. Mikro -ohjaimen osoite WS2812b -merkkivalot ovat Buchstabenfeldin sisällä. Uhrzeit für die Verarbeitung bezieht der Arduino aus einem RTC-Modul. Tämä on Batterie und kann die Zeit speichern und "zählt weiter", auch wenn die Spannungsversorgung unterbrochen ist. Externe Steuerungssignale voi kuunnella Arduinoa ylemmässä infrarotempfängerissa (TSOP4838 38 kHz). Tietojen lähettäminen Umgebungshelligkeit -järjestelmään ei ole sallittua.

Zu beachten hierbei ist das die Datenleitung der WS2812b LEDs mit einem Widerstand zwischen 300 und 500 Ohm geschützt werden muss. Die Werte des Fotowiderstand werden über einen Spannungsteiler mit dem analogen Eingang des Mikrocontrollers ermittelt.

Zur besseren Handhabung (und zum besseren Aussehen;)) habe ich für die Schaltung eine Platine entwickelt. Dazu habe ich EAGLE von Autodesk verwendet (is für Hobbyanwender kostenlos und als Student bekommt man sogar die Vollversion). Hier wurde der Schaltplan nachgebaut und die Platine entsprechend designt. Lataa Platine ja sich habe ich bei JLCPCB.com bestellt. Vielen Dank on Jonas, der mir mit EAGLE und der Bestellung geholfen hat: D

LED -merkkivalot, jotka on asennettu Platiniin. Die 10 (bzw. 11) LED Reihen sind in fünf zweier (bzw. die letzte in dreier) Parallelstränge aufgeteilt, damit die Strombelastung für die Leiterbahnen der ersten LEDs and der Spannungsabfall am Ende nicht zu groß wird.

Beim Netzteil habe ich mich für ein externes Netzteil entschieden, damit die Uhr etwas dünner gebaut werden kann. Dimensionierung basiert auf der Grundlage der erwarteten Leistungsaufnahme der LEDs. Pro LED -kotelo on mitattu 0, 06A, se ei ole enää saatavilla, mutta se ei ole oikeassa paikassa (kaikki 3 RGB -LEDiä). Bei 114 LEDiä wären das theoretisch stolze 6, 8A. Da alerdings bei der Anzeige der Zeit niemals all LEDs gleichzeitig leuchten werden, kann hier ein deutlich kleineres Netzteil verwendet werden. Ich habe mich für ein 3A Netzteil entschieden, das somit immer noch genug Reserven hat. (Bei der Programmierung sollte man das aber im Hinterkopf behalten und evtl. Grenzen für die Helligkeit in der Software einbauen, damit das Netzteil nicht abraucht)

Bau

Nach der sehnsüchtig erwarteten Ankunft meiner ersten selbstdesignten Platinen und dem verlöten der Bauteile konnte ich die 114 LEDs auf der Mittelplatte platzieren und ebenfalls zusammenlöten. Määrittele die unschönste Arbeit an der ganzen Uhr. Aber oli hieno mies…:) Dafür sollte man einige Abende einplanen. Zur Verbindung der LEDs internalhalb der Reihe eignet sich verzinnter Kupferdraht hervorragend.

Nach dem Verlöten der LEDs wurden die Kabel für die Spannungsversorgung der Reihen auf der Rückseite der Mittelplatte festgeklebt und an die Schraubklemmen der Platine geführt.

Der Fotowiderstand wurde oben in der Oberplatte ebenfalls festgeklebt und die Kabel zur Platine gelegt. Ebenso wie beim IR-Empfänger, 3D-gedruckte Halterung auf der Vorderseite and Oberplatte geklebt wird (später mehr).

Vaihe 6: 3D Druckteile

Zwei Teile der Uhr habe ich mit einem 3D-Drucker fertigen lassen. Da diese beiden Halterungen nur sehr kleine Bauteile tragen müssen und nicht viel Platz vorhanden ist, habe ich mich für einen 3D Druck entschieden:

• Halterung der rückwärtigen Hohlsteckerbuchse
• Halterung des IR-Empfängers

Den Entwurf on löytänyt Shapr3D-sovelluksen. Kuuntele yleistä STL-Datei konnte ich an einen Freund senden, der ganz zufällig einen 3D-Drucker hat. Danke nochmal dafür Jonas: D

Die Halterung für die Hohlsteckerbuchse befindet sich in der Uhr auf der Unterplatte auf der Rückseite. Damit lässt sich die Uhr auch im Stand betreiben, obwohl die untere Buchse verdeckt ist. Zweite Halterung on unterseite der Oberplatte geklebt und positioniert den IR-Empfänger geneau hinter der entsprechenden Öffnung der Frontplatte.

Vaihe 7: Bau Der Uhr

Nachdem alle notwendigen Teile gebaut waren, konnte endlich die Uhr vollständig zusammengebaut werden.

Der Rahmenteile sind wie anfangs erwähnt mit der Mittelplatte verschraubt und verleimt. Die Schraubenilla on luultavasti schwarz -puute, mutta se on hyvä niin, että se on Rahmen auffallen.

Mit dem zusammengebauten Rahmen konnte dann die Verkabelung für die Spannungsversorgung gemacht werden. Die beiden Hohlsteckerbuchsen sind dazu zusammengeführt (parallel) und gehen zusammen auf die Eingangsklemmen der Platine, damit die Uhr sowohl hängend an der Wand als auch aufrecht stehend betrieben werden kann. Außerdem konnte jetzt der Fotowiderstand und der IR-Empfänger mit der 3D-gedruckten Halterung verklebt und mit der Platine verkabelt werden.

Zur besseren Streuung des Lichtes und damit die LEDs hinter der Frontplatte nicht sichtbar sind, sind die Bohrungen der Lochplatte mit weißen, leicht läpinäkyvä Papier überdeckt. Dadurch leuchten die Buchstaben gleichmäßig.

Vaihe 8: Ohjelmointi

Zur Programmierung der Uhr habe ich die Arduino IDE verwendet. Ohjelmointiohjelma lähti lähelle sitä, että se oli niin tehokas, että se oli erittäin tehokas, mutta ei kannabista systeemistä. Die Bibliotheken für die eingebauten Funktionen und Bauteile sind die folgenden:

• DS3231.h RTC-Modul
• Adafruit_Neopixel.h Steuerung WS2812b-LEDit
• IRremote.h und IRremoteInt.h IR-vastaanotin

Grundprinzip (einfach): Über das RTC-Modul werden bei jedem Zyklus des Mikrocontrollers die Zeitdaten bezogen. Tämä vaihtoehto on 5 minuutin Bereiche zerlegt und die entsprechenden, kuten Wörterin määrittämät LEDit, aktiviert. Bei jedem Zyklus wird zusätzlich die Umgebungshelligkeit überprüft und es wird gecheckt, ob neue Signale über den IR-Empfänger empfangen wurden. Falls etwas davon zutrifft, wird in ausgelagerte Funktionen gesprungen um z. B. einen Helligkeits-Fading-Effekt zu erzeugen. Hier kann man sich beliebig austoben. Meine über die Software realisierten Funktionen sind die folgenden:

• "Julia"-Intro beim Start der Uhr und jeder vollen Stunde (Fadeout-Effekt)
• Steuerung der Farbe über IR-Fernbedienung (sisäinen Verwendung HSV-Farbsystem)
• Manuelle Steuerung der Helligkeit über IR-Fernbedienung
• Fading-Effekt der LED-Helligkeit bei Änderung der Umgebungshelligkeit tai valmistaja Änderung
• Automatische Zeitumstellung (Sommer/Winter)
• Manuelle Zeitstellung (durch blinkendes "Menü" zum Durchschalten der Minutenbereiche und anschließendes flashen ins RTC) über IR-Fernbedienung
• Blinkeffekt mit zufällig vergebenen Farben über die aktiven Buchstaben
• Rainbow-Effekt

Und damit ist die Uhr auch (schon) fertig. Vielen Dank fürs lesen:)

Kippis!