Wortuhr

Die Wortuhr

ist ein Projekt, das mich länger verfolgt hat, als ich erwartet hätte. Ursprünglich war es als Geschenk gedacht, das "mal eben" zusammengebaut werden sollte.
Auf den ersten Blick sah es ganz einfach aus: die benötigte Software war frei im Netz erhältlich, der elektronische Aufwand bei dieser Version hielt sich auch in Grenzen, da auf selbstklebende LED-Streifen mit einzeln adressierbaren LEDs zurückgegriffen wurde. Klang einfach. Aber es sollte sich herausstellen, dass bei einem Projekt, das irgendwann in einem Wohnzimmer hängen soll, auch das Äußere eine wichtige Rolle spielt...
Aber der Reihe nach:

1. Elektronik + Software

Im Netz gibt es diverse Ansätze, eine solche Wortuhr zu realisieren. Einige Lösungen benötigen einen enormen Verdrahtungsaufwand, da die LEDs alle einzeln am Microcontroller angeschlossen werden - meist im Multiplexverfahren. Ich fand eine sehr charmante Lösung, die auf selbstklebenden LED-Streifen mit einzeln über einen „Bus“ ansteuerbaren RGBW-LEDs (Typ WS2812B) basiert. D. h. es kommen LEDs zum Einsatz, die die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau und zusätzlich Weiß darstellen können, dabei aber nur mit einer einzigen Datenleitung miteinander verbunden sind. Die LEDs befinden sich auf einem Klebestreifen, der Spannungsversorgung und Datenleitung enthält. Es müssen also nur die Streifen mit Spannung versorgt und die Datenleitung verbunden werden.
Die Wörter der Uhr sind auf einem Feld von 11 x 10 Buchstaben angeordnet. Zu den 110 LEDs für die Buchstaben kommen noch vier weitere für die minutengenaue Anzeige und eine Status-LED, die ich eingefügt habe, damit die Uhr verschiedene Zustände anzeigen kann.
Die Ansteuerung der LEDs erfolgt über eine NodeMCU ESP8266, die hier mit der Arduino-IDE programmiert wird.
Das Programm zu diesem Projekt war schon recht ausgereift, aber dennoch musste ich ein paar Anpassungen und Fehlerkorrekturen vornehmen. Ich habe auch zwei Wörter umgestellt: im Original steht die „FÜNF“ in der obersten Zeile - mir gefiel aber nicht, dass dann die Umlautpunkte aus dem Buchstabenquadrat herausragten, so dass ich die Position mit der „ZEHN“ in der zweiten Zeile getauscht habe.
Die NodeMCU stellt außerdem eine Verbindung zu einem WLAN her, um über einen Zeitserver im Internet immer die genaue Uhrzeit zur Verfügung zu haben, und auch die Zeitumstellungen (Sommer-/Winterzeit) automatisch zu erledigen. Sie enthält auch einen kleinen Webserver, über den die Uhr von einem Smartphone oder Computer aus eingestellt werden kann. Daher gibt es an der Uhr selbst gar keine Bedienelemente.
Zusätzlich zu den LED-Streifen und der NodeMCU wird nur noch ein Pegelwandler benötigt, und für die Helligkeitsregelung ein lichtabhängiger (LDR) und ein fester Widerstand. Ich habe eine kleine Platine entworfen, die alle Bauteile (außer LEDs und LDR) aufnimmt und über eine Steckverbindung mit dem Uhr-Modul verbunden wird.
(Anmerkung: leider ist das Originalprojekt nicht mehr online, sonst hätte ich hier einen Link gesetzt.)

2. Von der LED zum Buchstaben

Nachdem die Elektronik geklärt war, musste ich mir Gedanken über das Layout der Wortuhr machen. Die LED-Streifen gibt es mit 30 oder 60 LEDs pro Meter länge. Also ist der Abstand zwischen den LED-Mittelpunkten 3,33 oder 1,67 cm. Der Nachteil der LED-Streifen ist also, dass die resultierende Größe des Buchstabenfeldes fest vorgegeben ist.
Ich entschied mich für das kleinere Maß und fand bei einem Möbelhaus einen recht günstigen Bambus-Bilderrahmen, der einen relativ hohen Falz hat. Meine Uhr war damit auf 23 x 23 cm festgelegt.
Der nächste Schritt war nun, ein „Gitter“ zu erstellen, das zwischen die LEDs und die Buchstaben gesetzt wird. Dieses Gitter soll zum einen etwas Abstand zwischen Front und LED erzeugen, damit sich das Licht gleichmäßig auf die Größe des Buchstaben verteilt und dann noch die LEDs voneinander abschirmen, damit nicht eine LED noch benachbarte Buchstaben mit beleuchtet. Da dies vor der Zeit des 3D-Druckers und der Fräse war, habe ich 116 Löcher in eine weitere MDF-Platte gebohrt.
Dann stellte sich die Frage nach den Wörtern. Wie bekomme ich eine Schablone hin, die lichtundurchlässig ist, ausgeschnittene Buchstaben aber scharf durchscheinen lässt und auch noch gut aussieht?
Der erste Gedanke war, einen Reprofilm machen zu lassen. Damit hatte ich schon einmal gute Erfahrungen gemacht, als ich noch selbst Platinen geätzt habe und Filme zur Belichtung selbiger machen lies. Also habe ich mich an die Erstellung einer entsprechenden Vorlage gemacht, und jemanden gefunden, der mir solch einen Film erstellt.
Zu beachten war hier, dass die gebohrten Löcher in meinem Gitter rund waren und die Buchstaben entsprechend klein gewählt werden mussten, damit sie voll ausgeleuchtet werden. (Bei den Umlautpunkten habe ich mit der Feile nachgeholfen und die Bohrungen nach oben vergrößert.) Zwischen LEDs und Gitter kam dann noch Moosgummi, um die Leitungen und Lötstellen auszugleichen, und ein Durchscheinen zwischen Gitter und LED-Platte zu verhindern
Zusätzlich benötigte ich noch einen Diffusor, der das Licht der LEDs gleichmäßig durchscheinen lässt und somit den Buchstaben durch den Film abbildet. Auch da habe ich etwas suchen müssen, bis ich ein geeignetes Material gefunden hatte, dass milchig, lichtdurchlässig und dünn genug war.


3. Alles im Rahmen

Nachdem nun alles andere geklärt war, musste nun ein passendes Gehäuse gefunden werden. Wie ich oben schon andeutete, wollte ich einen Bilderrahmen verwenden. Dieser war aus Bambus und war für Bildgrößen von 23 x 23 cm gedacht. Da das Buchstabenfeld durch den LED-Streifen auf 11 x 1,67 cm = 18,4 cm Kantenlänge festgelegt war, blieb nur noch ein schmaler Rand von 2,3 cm an allen Seiten um die Buchstaben herum. Dies war zu schmal, um die Platine unterzubringen. Daher konnte ich sie nur hinter den LEDs montieren - also auf der Rückseite der Uhr. Das war aber ganz praktisch, da die Platine zur Neuprogrammierung dank der Steckverbindung einfach entnommen werden kann. Die Stromversorgung erfolgte ebenfalls über die Rückseite: ich montierte eine Micro-USB-Buchse auf einer kleinen Platine. Somit war nun alles komplett und passte in den Rahmen.
Allerdings fand ich, dass eine weiße Front besser mit dem Bambusrahmen harmonierte, als der schwarze Reprofilm. Daher montierte ich den Film hinter der Acryl-Milchglas-Scheibe. Dies führte leider zu einem etwas unscharfen Schriftbild, das mich nicht wirklich zufrieden stellte...

4. Letzter Stand

Alles oben gesagte bezieht sich auf den Prototypen der Wortuhr. Inzwischen habe ich fast alle Teile verbessert:

Programm

Software

Die Software läuft soweit fehlerfrei und die letzte Verbesserung erlaubt es nun auch, die Uhr in ein WLAN zu integrieren, das Leerzeichen im Namen (SSID) enthält.

gedrucktes Gitter

Gitter

Das Gitter über den LEDs wurde 3D-gedruckt. Das spart Gewicht, ermöglicht rechteckige und trichterförmige Zellen (die wiederum größere Buchstaben erlauben), erzeugt Hohlraum zwischen den Trichtern für die Verkabelung und andere Bauteile und macht das Moosgummi überflüssig. Und es sind 116 Bohrungen, die mir erspart bleiben...

MDF- und HF-Platte

MDF/HF-Platten

Sowohl die Hartfaserplatte, die die LEDs trägt, als auch die MDF-Platte, die die Rückwand bildet, wurden mit der CNC-Fräse gebohrt und gefräst. Das ergab eine sehr saubere Verarbeitung und beide Platten passen mit allen Bohrungen und Durchführungen exakt aufeinander.

Rückseite der Wortuhr

Platinenhalterung und USB-Anschluss

Die Halterung für die Platine befindet sich nun in einem gedruckten Fach auf der Rückseite der Uhr. Das Fach ist in die MDF-Platte eingelassen, so dass die Platine durch die versenkte Montage nicht mehr „aufträgt“. Der Micro-USB-Anschluss für die Stromversorgung wird mit einer gedruckten Halterung montiert. Insgesamt sieht die Rückseite der Uhr nun recht aufgeräumt aus.

Wortuhr-schablone in weiß

Schablone

Der Reprofilm hat sich zwar als nicht ganz ungeeignet erwiesen, aber da ich eine weiße Front wollte, musste der Film hinter dem Acrylglas montiert werden. Dies führte zu etwas unscharfen Buchstaben. Außerdem fand ich das Acrylglas zu kratzempfindlich und „billig“.
Die letzte Version der Uhr hat nun eine weiße Schablone, die direkt hinter einer klaren Glasscheibe sitzt. Das führt zu einem deutlich schärferen Schriftbild und einer „edleren“ Oberfläche.

Wortuhr in schwarz

Größe

Und zu guter Letzt muss ich zugeben, dass ich nicht widerstehen konnte und mir nach der verschenkten 23 x 23 cm Version selbst noch eine Variante mit 30 LEDs/Meter gebaut habe. Sie ist ca. 55 x 55 cm groß und schwarz.
Ein Massivholzrahmen unterstreicht das wertige Aussehen.

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