Wordclock

Fertige Wordclock im Betrieb

Motivation

Dieser Artikel beschreibt meinen Nachbau der mittlerweile doch schon recht bekannten Wordclock. Gestoßen bin ich damals auf dieses Projekt durch einen Artikel von www.mikrocontroller.net, der dort nach kurzer Zeit sehr viele Anhänger erhalten hat. Der Thread und auch der dort bald entstandene Artikel wurde schnell sehr groß und behandelte immer mehrere Versionen der Hardware. Dadurch kann beim Nachbau relativ schnell der Überblick verloren gehen. Da mittlerweile bei mir eine eigene Version des Aufbaus der Uhr sowie der Platine entstanden ist und ich mich dazu entschieden hab, das Design leicht zu ändern, sowie die Herstellbarkeit der Uhr möglichst kostengünstig zu halten, habe ich beschlossen, in diesem Artikel dieses Konzept zu beschreiben.

Nachbau

Mechanik

benötigte Werkzeuge

  • Lötkolben/Lötstation
  • Oberfräse
  • Bohrmaschine, besser Ständerbohrmaschine
  • Stahlineal, Winkel, Anreißnadel
  • Stichsäge
  • Heißkleber
  • 26mm Forstnerbohrer
  • Cuttermesser
  • Schneidunterlage

Aufbau

Schichtaufbau der UhrDie Basis der Uhr bildet ein Bilderahmen der Marke „Deha“ (Profil Nr.5) und eine aus Siedbdruckplatte-Birke gefertigte Rastermatrix zum separieren des Lichts von den einzelnen LEDs. Für die Buchstabenmatrix gibt es bei diversen Nachbauten verschiedenste Ansätze. Aufgrund der Größe und der hohen Lichtundurchlässigkeit (opazität), sowie vom Preis- Leistungsverhältnis ,stellten sich belichtete Filme, die eigentlich für den Siebdruckbedarf gedacht sind, als recht brauchbar heraus. Da bei diesen Filmen die Buchstaben transparent sind, wird hinter dem Film ein Diffusor gebraucht. Im einfachsten Fall kann dieser aus weißen Papier bestehen. Alternativ gibt es hierfür im Internet auch verschiedene Diffusorfolien.
Damit die dunklen Buchstaben nicht zu präsent sind und sie dadurch die Optik des aufleuchtenden Wortlautes „Es ist viertel nach sieben“ stören würden, hat es sich als sehr hilfreich erwiesen, die vordere Glasscheibe auf der Rückseite mit einer Tönungsfolie zu beschichten.

Materialien

Teil Kommentar Preis Link
Bilderrahmen 50x50cm, Silber eloxal matt, Antireflexglas 37,12€ www.bilderrahmenwerk.de
Druckfilm Buchstabenmatrix Format 743x1020mm (für 2 Uhren), seitenrichtig, Rasterweite 0cmca. 25€www.hinundzurueck.de
Tönungsfolie reicht für 3 Uhren 19,95€ www. hornbach.de
Siebdruckplatte birke 500x500x12mm, am Holzzuschnitt 6,98€ www.hornbach.de
DiffusorPapier 500x500mm, besser Diffusorfolie (reicht für 2 Uhren)8,88€www.amazon.de
Summe: (pro Uhr)ca. 70€


Downloads

Fertigung

Angezeichnete Rasterplatte Fertige Rastplatte mit AusfräsungenDie Rasterplatte muss, sofern sie nicht aus dem Holzzuschnitt im Baumarkt kommt, auf die Maße 500x500mm zurechtgesägt werden. Anschließend empfielt es sich, für die 114 Bohrungen für die LED's mit Lineal und Anreißnadel auf der glatten Seite der Siebdruckplatte ein Linienraster auszumessen und anzureißen. In den Schnittpunkten der Linien kann ebenfalls mit der Anreißnadel leicht angekörnt werden. Dieses Raster kann nun auf der Ständerbohrmaschine mit einem Forstnerbohrer gebohrt werden. Sollte man mehere Uhren auf einen Schlag fertigen, kann man mehrere Platten mit Holzschrauben in Stellen, wo sowieso gebohrt wird, zusammenschrauben und gemeinsam bohren. Dies spart eine Menge Anreiß- und Bohrarbeit aufgrund der Vielzahl der Bohrungen. Beim Bohren ist es allerdings wichtig, dass immer die glatte Seite oben ist, da auf dieser Seite später der Diffusor und der Druckfilm liegen sollen. Auf der Unterseite hingegen entstehen beim Bohren leicht Ausbrüche, die die plane Auflage des Films stören könnten.

Anschließend werden in die Rückseite der Platte mit der Oberfräse noch einige Kanäle für die Verkabelung der LED-Streifen und eine Tasche für die Platine mit der Elektronik gemäß der Zeichnung gefräst.

Bearbeitete RückplatteNun kann die Rasterplatte mit der Glasscheibe und der Rückwand schonmal in den Bilderrahmen gelegt werden und man wird feststellen, dass sich dieser aufgrund der Dicke des Inhalts nicht mehr verschließen lässt. Deshalb ist es notwendig, die Rückplatte leicht zu modifizieren in dem man mit der Stichsäge, wie im Bild zu sehen, kleine Aussparungen für die Verschlussklammern sägt. Ebenfalls sollte in diesem Zuge noch eine Aussparung für die Elektronik gesägt werden. So muss man nicht jedes mal die Rückwand abbauen, wenn man an die Elektronik möchte.

Aufgebrachte TönungsfolieDer nächste Schritt ist die Beschichtung der Glasscheibe mit der Tönungsfolie. Hierzu sollte man sich Zeit nehmen und es muss mit besonderer Sorgfalt vorgegangen werden. Es kann durchaus sein, dass man mehrere Anläufe benötigt.
Die Töungsfolie muss auf der Rückseite der Glascheibe angebracht werden. Sollte man eine Antireflex-Scheibe beim Bilderrahmen gewählt haben, so muss die matte Seite der Scheibe unten liegen. Zunächst ist die Scheibe gründlich zu reinigen. Es sollte wenn möglich kein Staub und kein Fett auf der Scheibe sein. Um die Tönungsfolie möglichst blasenfrei auf die Glasscheibe aufzutragen wird die Scheibe am besten mit Glasreiniger oder Spüli-Lösung eingesprüht. Darauf wird dann die Folie gelegt, von der zunächst nur die eine (glasseitige) Schutzfolie entfernt wurde. Nun wird Stück für Stück die Reiniger/Spüli-Flüssigkeit mit einem Rakel oder einer alten EC-Karte herausgerakelt. Es sollte immer wieder zwischendurch kontrolliert werden, ob sich im aufgerakelten Teil der Folie Staub- oder Lufteinschlüsse befinden. Dann muss ggf. die Folie dort nochmal angehoben, die Glasscheibe neu benetzt und die Folie wieder neu aufgerakelt werden.
Sobald die Folie komplett Staub- und blasenfrei auf der Scheibe ist, sollten die Überstände mit einem Stahllineal und Cuttermesser ganz am Rand abgeschnitten werden. Hierbei ist darauf zu achten, dass die Folie nicht verrutscht. Anschließend sollte die beschichtete Scheibe 1-2 Tage ruhen, damit die allerletzte Flüssigkeit zwischen Glas und Folie noch entweichen/verdunsten kann. Zuletzt kann auch die zweite Schutzfolie auf der Tönungsfolie entfernt werden und mit dem zurechtgeschnittenen Druckfilm, sowie der Diffusorfolie in den Rahmen gelegt werden.


Positionierung und Verlötung der LED-StreifenBevor es an die Elektronik der Uhr geht, muss die Uhr noch mit den LED-Streifen ausgestattet werden. Dazu schneidet man aus dem 5m Streifen 10 Streifen á 11 LEDs und einen Streifen á 7 LEDs. Durch das veränderte Layout der Uhr (bei dieser Version befinden sich die Minutenpunkte in einer Reihe über der Buchstabenmatrix) muss der Streifen mit den 7 LEDs modifiziert werden. Dazu wird jede 2. LED herausgelötet und die Datenleitung muss gebrückt werden. So ist es möglich, dass die original Firmware aus dem www.mikrocontroller.net - Projekt verwendet werden kann. Die LED-Streifen werden dann auf die Innenseite der Rückplatte des Bilderrahmens geklebt. Am Besten man überträgt dazu das Bohrbild der Rasteplatte auf die Rückwand, indem man bei Platten übereinanderlegt und einfach durchzeichnet. Anhand des entstandenen Kreismusters kann man die LED-Streifen dann optimal ausrichten. Die Kabel können zum Zusammenbau in Position gehalten werden, indem man die Rückplatte mit kleinen 1mm Bohrungen versieht, durch die man sie mit verzwirbelten Draht fixiert.



Deckel als Druckteil Damit die Tasche mit der Elektronik auf der Rückseite verschlossen ist, gibt es dazu einen passenden Deckel als Druckteil. Sollte kein Drucker vorhanden sein, tut es hier sicherlich auch ein entsprechendes Stück Hartfaserplatte oder Ähnliches. Der Deckel wird einfach mit zwei kurzen Holzschrauben an die Rückplatte über die Elektronik montiert. Je nachdem, wie die Elektronik in der Tasche positioniert wird, können hier auch noch 2 Löcher für die Taster hineingebohrt werden.






Elektronik

Da das WordClock Mini-Dev-Shield im originalen Projekt sehr modular aufgebaut ist und dadurch recht groß ist, entstand die Idee, eine eigene kompakte Platine zu entwickeln, auf der die komplette Hardware der Projekts, inklusive der optionalen Features, vorhanden ist. Herausgekommen ist dabei eine 88x40mm kleine Platine.
Darauf sind in der aktuellen Version folgende Komponenten enthalten:

Bestückte Platine der Wordclock

  • RTC
  • DCF77
  • EEPROM
  • ESP12
  • Spannungsversorgung
  • mini DFPlayer
  • Infrarot-Empfänger
  • LDR
  • Taster (WPS- und User-Taste)
  • STM32

Der einzige Wermutstropfen dabei ist, dass das Layout größtenteils auf SMD-Bauteilen basiert, vor denen einige Bastler beim Löten zurückschrecken. Sollte jemand beim Nachbau in dieser Hinsicht Probleme haben, kann er mich gerne kontaktieren, ich habe immer einige Platinen auf Vorrat.

Schaltplan

Schaltplan der Wordclock-Elektronik

  • Download Schaltplan*.pdf

Liste der elektronischen Bauteile

AnzahlBauteilmöglicher LieferantBest.Nr.
5Tantal 47µF SMC_B ReicheltTPS 6032 47/16
2PrinttasterReicheltRND 210-00196
1SMD LED 0805ReicheltSMD-LED 0805 RT
1LM358ReicheltLM 358 SMD
1LM1117-3.3ReicheltTS 1117 BCW33
1LDRReicheltA 905014
1IR-EmpfängerReicheltTSOP 31238
1AT24C32Reichelt24LC32A-I/SN
1KabeldurchführungsringReicheltKDF 4
1Steckernetzteil 5V 2000mAReicheltNT MUSB 2 WS
xDiverse C's und R's 0805 SMD, siehe SchaltplanReichelt
1RTC-Batterie MS621feChinaAliexpress
1STM32f103c8t6ChinaAliExpress
1ESP12ChinaAliExpress
1DS3231ChinaAliExpress
1miniDF-PlayerChinaAliExpress
1WS2812b LED-Stripes, 30pixel/m, 5m, IP30 ChinaAliExpress
xDiverse KabelBastler-Restekiste

Achtung: Die Standard-Firmware funktioniert bei dieser Wordclock nur, wenn die ungenutzten/verdeckten LEDs auf dem WS2812b-Stripe zwischen den Minutenpunkten herausgelötet und gebrückt werden!!


Software

Damit die Wordclock funktioniert, muss die Elektronik noch programmiert werden. Dies gliedert sich in zwei Teile. Zum einen muss der STM32 ARM Cortex programmiert werden und zum anderen das WLAN-Modul ESP12.

Programmierung des STM32

Dazu wird zunächst der ST-Link V2 Programmieradapter benötigt. Dieser ist für relativ wenig Geld im Internet erhältlich. Die dazu passende Programmiersoftware (Windows) kann direkt bei ST heruntergeladen werden: ST-Link Utillity download

Pinout des STM32 Boards
Entsprechend der obigen Grafik muss der Programmieradapter (ST-Link V2) an das auf der Platine befindliche STM32 Board angeschlossen werden. Dazu werden GND, SWCLK, SWDIO und 3V3 mit Dupont-Header-Kabeln verbunden. Die Uhr muss dazu nicht extern mit Strom versorgt werden.

Im nächsten Schritt muss die Software für die Wordclock heruntergeladen werden:

Das *.hex File wird im ST-Link Utillity geöffnet und mit den folgenden 3 Schritten auf den STM32 geladen:

  • Target ->Connect
  • Target ->Program und verify
  • Target ->Disconnect

Programmierung des ESP12

Um das WLAN Modul zu programmieren benötigt man einen normalen USB<->Seriell-Wandler, der mit RX, TX und GND (über Kreuz) , an die entsprechenden Anschlüsse auf der Platine angeschlossen werden muss. Hierfür eignen sich wie beim STM32 ebenfalls Dupont-Header-Kabel. Zudem sollte die Uhr hierbei extern mit Strom versorgt werden.

Der ESP12 wird mit dem ESP-Flasher-Tool programmiert, welches hier heruntergelden werden kann:

Die Firmware, die auf den ESP12 programmiert werden muss, kann ebenfalls von mikrocontroller.net-Projektseite heruntergeladen werden:

Nun muss der ESP-Flasher-Tool gestartet werden und der entsprechende COM-Port eingestellt werden, unter dem Windows die USB<->Seriell-Wandler erkannt hat. Ebenfalls muss hier das heruntergeladene binary-File geladen werden.

Um das WLAN-Modul in Programmiermodus zu versetzen ist nun folgender Ablauf notwendig:

  • Reset-Taste auf dem STM-Board gedrückt halten
  • User-Taste auf der Platine gedrückt halten
  • Reset-Taste loslassen
  • 2sec warten
  • User-Taste wieder loslassen

Nun kann der ESP12 mit dem Klicken des Download-Buttons programmiert werden. Ist der Vorgang abgeschlossen, kann der USB<->Seriell-Adapter entfernt werden und die Uhr sollte einmal mit der Trennung vom Netz neugestartet werden.

Inbetriebnahme

Nach dem Starten der Uhr muss kurz die User-Taste gedrückt werden, damit die Uhr im Access-Point-Modus ist und ein eigenes WLAN aufspannt. Hiermit kann man sich verbinden und über die IP-Adresse der Uhr, die beim Einschalten als Laufschrift durchläuft, das Webfrontend zur Konfiguration im Browser aufrufen. Zuerst sollte man den SPIFFS (Dateisystem des ESP's) formatieren und das entsprechende Layout-File auswählen und in den Speicher schreiben. Zuletzt kann die Uhr dann noch in das eigene WLAN eingebunden werden.

Weitere Informationen