Und in dieser Form kommt sie auch in meinem nächsten Weckuhr-Projekt zum Einsatz. Dort bildet eine Gruppe von acht Siebensegmentanzeigen das Ausgabemedium der Uhr und das verhalf dem Projekt auch zu seinem Namen ...
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Aber
es gibt eine Alternative: Vergießbares Silikon. Das gibt es im Handel
zwecks Isolation von Verteilerkästen im Außenbereich. Es wird aus zwei
Komponenten zusammengemischt und härtet zu einem Gelee aus, einer Art
Silikon-Götterspeise. Die Substanz, ist vollkommen klar, lässt sich gut
verarbeiten und verschmilzt quasi mit dem Glas. Das Resultat ist ein
Glasstab mit integrierter Octet-7-Anzeige. Und das Ganze wäre sogar
wasserdicht. |
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Die Anzeige
Die
Hauptaufgabe übernimmt der bereits betagte, aber funktionale
Treiberbaustein MAX7219 des Herstellers Maxim. Wie bei Digitalanzeigen
üblich, steuert er die Anzeige im Multiplexverfahren an. Dabei werden
die Masseleitungen der Ziffern reihum mit 800 Hz (Scanrate)
durchgeschaltet, was folglich voraussetzt, dass Segmente mit
gemeinsamer
Masse (Common Catode) zum Einsatz kommen. In der Octet-7 Anzeige werden
Siebensegmentanzeigen vom Typ SC36-11 (Kingbright) in gelb verwendet. Sie haben
eine Bauhöhe von 14 mm (Ziffernhöhe 9 mm) und passen leicht in die
Glasröhre. Die Dezimalpunkte der Stellen 4 und 5 sind nicht mit den
LEDs der Segmente verschaltet, sondern als separate LEDs auf der
Platine herausgeführt (Jumper-konfigurierbar). Sie haben die Aufgabe,
Statusinformationen der Uhr zu liefern. D1 leuchtet, wenn der Wecker
gestellt ist, D2 signalisiert Fehlerzustände.Damit der Chip in seinem Silikon-Bett nicht zu heiß wird, ist der Maximalstrom der Segmente mittels R1 auf ca. 25mA begrenzt. Zusätzlich wurde dem IC noch ein schmaler Kühlkörper spendiert, was die Wärmeabfuhr erleichtert.
Die Kommunikation zwischen Anzeige und Controller ist durch ein 3-Leiter-SPI realisiert. Trotz der moderaten Übertragungsfrequenz von knapp 2 MHz, sollte man Störungen berücksichtigen und die Anschlussleitungen nicht zu lang werden lassen. Bei der Octet-7-Uhr sind es ca. 30 cm. Der Schaltplan der Anzeige ist links zu sehen, ebenso das Layout der Platine, die extra so geformt ist, dass sie in ein Glasröhrchen mit 19mm Innendurchmesser passt.
Die Daten der Anzeige, sowie auch der der anderen Komponenten, sind im technischen Dokument zusammengefasst. Darin finden sich auch Stücklisten und Pinbelegungen.
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Das Steuergerät
Die Kombination aus Bedieneinheit und Controllermodul bildet das Octet-7 Steuergerät.
Es ist in einem kleinen Halbschalengehäuse aus Aluminium
(Typ AKG 55 24 50 von Fischer) untergebracht. Die Bedieneinheit, hier als Konsole bezeichnet, besteht
nur aus drei Teilen: Drehinkrementalgeber, LED und Fotowiderstand. Alle
zusammen sitzen auf der kleinen "Console"-Platine,
die hinter der Frontplatte so montiert ist, dass die Bedienelemente
durch die Frontplatte hindurchreichen und so die Bedienung der Uhr von
vorn möglich machen. Hinter der Konsolenplatine befindet sich das
Controllermodul. Das Layout der Controller-Platine ist so gestaltet,
dass sie
einerseits exakt die Kontaktierung der dazu senkrecht stehenden
Konsolenplatine ermöglicht, andererseits aber auch in die
Platinen-Schienen des Aluminiumgehäuses geschoben werden kann. Hier ist
das Bauraumkonzept dazu. Ebenfalls darin zu sehen sind die Bemaßungen
und Aussparungen der Frontplatte. Es fällt auf, dass neben den drei
Komponenten der Konsolenplatine noch ein viertes Teil in der Frontplatte auftaucht: Es ist ein passiver IR-Bewegungssensor vom
Typ AMN3, wie er auch schon beim Weckomaten zum Einsatz kommt. Er
konnte aufgrund seiner Größe nicht in die Konsolenplatine aufgenommen
werden
und musste daher direkt auf dem Controllermodul platziert werden.
Bleiben
wir beim Controllermodul. Zentrale Einheit ist ein Microcontroller vom
Typ Atmega328P. Der kommt dieses Mal im flachen TQFP32-Gehäuse daher,
also SMD. Das spart Platz, so dass mitsamt einigen weiteren
SMD-Komponenten das Controllermodul auf eine Fläche von nur 51x33 mm
passt. Funktionale Unterstützung erfährt der Controller durch
die Echtzeituhr vom Typ DS1307. Er ist über I²C mit dem Controller
verbunden und dient dazu, die laufende Zeit konstant zu halten und über
kürzere Stromausfällen
hinweg zu retten. Der dazu notwendige Stützkondensator C14 ist mit
220µF allerdings etwas schwach bemessen, so dass bei Unterbrechungen
von mehr als einer Stunde auch der Echtzeituhrenchip schon mal die Zeit
vergisst.
Des Weiteren findet sich auf der Unterseite der
Controllerplatine ein Piezo-Signalgeber, der der akustischen
Signalisierung dient. Wem der Signalgeber im Betrieb zu leise ist, kann
mittels eines kleines Loches auf der entsprechenden Gehäuseseite dem
Schall den Weg nach außen erleichtern und so den Schalldruck
erhöhen. Neben einigen Abkoppelkondensatoren und Entprell-Bausteine
sind das die wesentlichen Dinge, die auf dem Controllermodul verbaut
sind.Vielleicht noch ein Wort zur Spannungsversorgung: Die ganze Uhr arbeitet auf Basis von 5V. Es gibt nun zwei Optionen die Uhr mit der nötigen Spannung zur versorgen: Entweder man nutzt ein stabilisiertes Netzteil, das direkt die nötigen 5V liefert oder man überlässt dem integrierten Schaltregler die Arbeit und versorgt die Uhr mit einer Gleichspannung irgendwo zwischen 9 und 30 Volt. Nutzt man die direkte 5V Versorgung, muss Jumper J1 mit einer Lötbrücke geschlossen werden. Danach kann natürlich die Bestückung des Schaltreglers entfallen.
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Die Firmware
Anders als bei der GenuhR und dem Weckomaten habe ich mich bei diesem Projekt dazu entschlossen, die Firmware allgemein zur Verfügung zu stellen. Den C-Code habe ich an vielen Stellen kommentiert und dokumentiert. Die Quellen stehen in Form eines Atmelstudio-7-Projektes zum Herunterladen bereit. Übersetzt wird mit der GNU-Toolchain für AVR-Controller, wie sie bereits das Atmelstudio mit an Bord hat, dort allerdings unter dem Namen Atmel-Toolchain. Natürlich ist das Vorhandensein der Atmel (inzwischen Microchip) hauseigenen Entwicklungsumgebung kein Muss. Jede andere, bis hin zum nackten Makefile geht natürlich auch. Nun ist es aber nicht zwingend nötig, die Firmware selbst zu kompilieren. Wer möchte, kann auch die fertig übersetzte Binärdatei (Intel Hex-Format) direkt auf den Controller flashen. Für die Fusebits empfehle ich 0xFD, 0xDB, 0xF7 (Ext/High/Low).Ich habe natürlich den Code für den Octet-7-Wecker nicht komplett neu geschrieben. Viele Passagen und Funktionalitäten sind von der Firmware des Weckomaten und weitergehend sogar von der der GenuhR in den Octet-7-Wecker gewandert. So gesehen ist es also kein Wunder, dass die Weckuhr ähnliche Funktionalitäten hat, wie die Vorgängerprojekte.
Octet-7 bezieht seine Zeit aus der Luft. Genauer gesagt aus dem 77,5 kHz Langwellenband, in das die PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) die offizielle deutsche Zeit als Funkzeit ausstrahlt. Genaueres zur Funkzeit und wie sie auch in der Octet-7 verarbeitet wird, kann man in meinem Artikel Die Sache mit der Funkzeit aus der Zeitschrift c't Hacks / Make 02/2014, S.84-91 nachlesen. Er ist kostenfrei bei heise.de herunterladbar.
Octet-7 empfängt die Funkzeit und stellt damit ihre eigene, interne Uhr. Wie oben bereits erwähnt läuft die Uhr auch bei Ausbleiben des Funksignals oder kleineren Unterbrechung der Stromversorgung weiter, so dass bei Wiederkehr der Spannung die Uhrzeit unmittelbar wieder zur Verfügung steht (Gangreserve). Ebenso verhält es sich mit der Umstellung Sommer/Normalzeit. Die Zeitpunkte im Frühjahr und im Herbst werden von der Software der Uhr selbst ermittelt und die Umstellungen finden unabhängig von einer aktiven Funkzeit-Verbindung statt, insofern man die Option in den Einstellungen nicht abgeschaltet hat (s. Octet-7 Geräteeinstellung "dSt").
Wie auch schon beim Weckomaten und der GenuhR, verfügt die Octet-7-Uhr über das Wissen wann staatliche und christliche (westeuropäische) Feiertage sind. Je nach Einstellung der Weckerbetriebsart (s. Geräteeinstellung "AO") bleibt an solchen Feiertagen der Wecker stumm. Man spart sich das Ausschalten und - vielleicht noch wichtiger - das Wiedereinschalten. Dabei wird berücksichtigt, dass in den verschiedenen Bundesländern unterschiedliche Regelungen bezüglich der Feiertage existieren. Der Nutzer kann sein Bundesland in der Geräteeinstellung "LAnd" selbst auswählen, intern richtet sich der Weckomat dabei nach dieser Tabelle. Es gibt noch eine Reihe weiterer Einstellungen. Man erreicht das entsprechende Menü, indem man den Druckknopf des Drehinkrementalgebers länger als 4 Sekunden gedrückt hält.
Wo wir gerade bei der Bedienung
sind: Ein kurzer Druck auf den Knopf des Drehinkrementalgebers schaltet
das angeschlossene Solid-State-Relais, und damit wohl im häufigsten
Anwendungsfall eine schaltbare Steckdose ein und aus. Dabei ist darauf
zu achten, dass die angeschlossene Last die Leistung des SSRs
nicht überfordert.Eine Drehung am Inkrementalgeber-Knopf öffnet das Weckzeit-Menü. Es besteht aus nur zwei Menüpunkten bzw. derer drei, wenn man die Menü verlassen-Funktion mitzählt. Als Erstes erscheint die aktuell eingestellte Weckzeit. Durch Drücken und Drehen kann sie in Schrittweiten von 5-Minuten verändert werden. Der zweite Menüpunkt ermöglicht das explizite Ein- und Ausschalten des Weckers. Ist der Wecker zum Zeitpunkt des Menüpunktaufrufs gestellt, erscheint dort "AL Aus", andernfalls "AL Ein". Ein gestellter Wecker ist an der leuchtenden LED D1 im Display zu erkennen. Dabei zeigt D1 auch einen implizit gestellten Wecker an: Zehn Stunden vor Eintritt des nächsten Weckalarms reaktiviert sich der Wecker von selbst und D1 beginnt wieder zu leuchten. Wird der Wecker explizit gestellt, gilt jedoch stets der nächstmögliche Wecktermin.
Drehinkrementalgeber
gibt es von vielen Herstellern. Sie kodieren ihre Bewegungen ähnlich,
aber nicht einheitlich. Je nachdem, welcher Encoder verbaut wird,
muss im Code die passende Auswertung eingestellt werden. Vorbereitet
sind bereits Auswertungen für Inkrementalgeber von DDM Hopt+Schuler, Alps und AB/TT. In meinem Aufbau ist ein Inkrementalgeber von AB/TT verbaut, daher ist dieser Typ auch in meinem Code
vorausgewählt. Allgemein zum Thema Drehinkrementalgeber und deren
Auswertung habe
ich vor einiger Zeit mal einen kurzen Artikel geschrieben.
Wie oben
schon zu entnehmen war, ist auf der Frontplatte der Octet-7 ein
Bewegungsmelder (PIR) integriert. Diesen nutzt der Controller um die
Anzeige abzuschalten, wenn sich eine Zeit lang nichts regt. Möchte man
dann doch wissen, wie spät es ist, genügt eine einfache Bewegung im
Erfassungsbereich des PIRs. Empfindlichkeit und Abschaltzeit können in
den Geräteeinstellungen "LEAUS" und "LEdSEn" vorgenommen werden.Ein weiteres Einsatzziel findet sich in der Funktion der Weckwiederholung. Wer sich nach Eintreten des Weckalarms gerne noch einmal im Bett umdreht, kann die Schlummerfunktion mittels Bewegungsmelder aktivieren - Handzeichen genügt. Parametrisieren lässt sich die Schlummerfunktion in den Einstellungen "SnoSEn", "SnoLE" und "Snoo".
Ein weiterer, schon oben angesprochener Sensor in der Frontplatte ist der Fotowiderstand (LDR). Wie auch schon bei GenuhR und dem Weckomaten dient der LDR dazu, die Helligkeit der Anzeige an die Helligkeit der Umgebung anzupassen. Das ist insbesondere bei Dunkelheit von Vorteil.
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Der Aufbau
Kommen wir zum Aufbau. Größte Herausforderung dabei stellte wohl die Integration der Glasröhre mitsamt ihrer Anzeige, aber dazu gleich mehr. Fangen wir unten an.Das Bodenteil ist aus Beton. (Also ein Stein). Selbst gegossen. Versiertere Leser werden hier zurecht vielleicht zu feinkörnigerem Ausgangsmaterial raten, aber für den Fuß dieser Weckuhr war Gröberes auch akzeptabel.
Ein paar passend zugeschnittene und beschichtete Bretter
aus
dem Baumarkt wurden zu einer Gussform zusammengesetzt, so dass ein
Quader mit einer Kantenlänge von 25×3×7 cm (B×H×T) beim Giessen entstand. Von oben
wurde noch ein etwas kleinerer Holzklotz leicht in den flüssigen Beton
gedrückt um später eine Vertiefung für die Kabelführung zu haben. 
Damit
wurde die Oberseite des Betongusses später zur Unterseite des Gerätes. Nach
Abschluss der Arbeit mussten an passenden Stellen noch Löcher für
Befestigungen und Kabeldurchführungen gebohrt werden, dann war das
Bodenteil fertig.Die Glasröhre mit der Anzeige hat Ähnlichkeit mit einem Reagenzglas. Doch etwas breiter im Durchmesser lag ihre Aufgabe ursprünglich wohl darin, eine Blume zu halten, doch sie als Vase zu bezeichnen wäre vielleicht etwas übertrieben. Mit einem Reagenzglas gemeinsam hat sie die leichte Ausstülpung an der Öffnung oben.
Mit einem
Reagenzglas gar nicht gemeinsam ist der abgeflachte Boden.Da es ohne größeren Aufwand nicht möglich war, die Ausstülpung loszuwerden, musste eine Lösung her, die Glasröhre mitsamt ihrer Ausstülpung zu befestigen. Da bezüglich der Maße und der Ausmaße der Halterungen Grenzen gesetzt sind, habe ich hier eine exakt passende Halterung mittels 3D-Druck hergestellt. Der linke und der rechte Halter sehen zwar gleich aus, jedoch besteht der linke aus der eigentlichen Haltevorrichtung und einem Ring. Die ausgestülpte Seite des Glasrohres kann im Halter versenkt und dann mittels des Rings arretiert werden. Letztendlich wird die Glasröhre zwischen die Halterungen gesetzt und diese auf der Betonplatte befestigt. Die Kabel laufen durch einen dafür vorgesehenen Kabelschacht im Inneren der Konstruktion bis auf die Unterseite des Bodenteils.
Damit sich das Gehäuse des Octet-7 Steuergerätes optisch auf gleicher Höhe zur Anzeige befindet, musste es auf einem Sockel passender Höhe platziert werden. Es war naheliegend, diesen Sockel ebenfalls per 3D-Drucker herzustellen. Wie bei der Anzeigenhalterung verläuft im Inneren des Sockels ein Kabelschacht, durch den die elf Anschlussleitungen zum Controller-Modul führen. Das Aluminiumgehäuse ist durch vier Schrauben mit dem Sockel verbunden. Da der Abstand zwischen Platine und Boden im Inneren keinen Platz für die Kontermuttern zulässt, wurde das Octet-7 Steuergeräte um 180° verdreht montiert, also auf dem Dach. Die Bauteile auf der Platine lassen zwar ausreichend Platz zum Deckel, trotzdem sollte man darauf achten, an welcher Stellen man die Bohrungen für die Befestigung vorsieht.
In der
Art der Versorgung und dem Funkzeitempfänger unterscheidet sich die
Octet-7-Uhr funktional nicht von ihren Vorgängern. Wie die anderen
erhält Octet-7 die Funkzeit mittels eines fertig aufgebauten
DCF-77-Empfangsmoduls. 
Da der Funkzeitempfang leicht zu stören ist,
befindet sich das Empfangsmodul in einem externen Gehäuse, dessen
Anschlusskabel einen Abstand von bis zu 40cm zur Uhr zulassen. Je nach
Gegebenheit ist vielleicht zusätzlich ein Entstörglied,
bestehend aus Längswiderstand und Kondensator, zwischenzuschalten.Bleibt noch die Netzteil-Einheit. Sie vereinigt das Netzteil für die Spannungsversorgung und ein Solid-State-Relais für den Schaltkontakt. Es ist nicht nötig, das Netzteil selbst aufzubauen. Im Handel findet man genügend fertige Module, die man für die Reintegration mit dem Solid-State-Relais umfunktionieren kann. Um Ausfälle und Fehlfunktionen zu vermeiden, würde ich bei der Auswahl des Moduls allerdings dazu raten, etwas auf Qualität zu achten - also vielleicht nicht gerade das billigste aus der Grabbelkiste zu verwenden.
Je nach Typ des eingesetzten
Solid State Relais, ist ein spezifischer Vorwiderstand, im Plan mit Rx
gekennzeichnet, einzusetzen. 
Dem Datenblatt kann entnommen werden,
welche Stromaufnahme der integrierte Optokoppler hat. Mehr als 30 mA
sollten aber nicht fließen, schließlich wird das SSRs direkt vom einem
Portpin des Controllers geschaltet. Um die Netzteilplatine und das
Halbleiterrelais möglichst platzsparend zusammenbringen, habe ich ein
passgenaues Gehäuse ebenfalls mit dem 3D-Drucker hergestellt. Andere
Gehäuse erfüllen diese Aufgabe natürlich ebenso gut.Die Verschaltung der Komponenten findet überwiegen auf der Unterseite des Bodenteils statt.
Die Kabel lassen sich im Beton mittels Heißkleber gut
fixieren. Der Verdrahtungsplan der Komponenten dazu findet sich nebenstehend, ebenso die
Anschlussbelegungen meiner Platinen.Den Abschluss des Aufbaus, der aus technischer Sicht den Anfang der ganzen Sache darstellt, bildet eine schaltbare Zwischensteckdose. Überflüssig zu sagen, dass in der Steckdose und in der Netzteil-Einheit 230V - herrschen, also aufgepasst!
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| Octet-7 als ZIP |
Alles einzeln herunterladen? Nicht nötig. Ich habe das komplette Projekt samt Quellcode, Doku, Gerberdaten und sogar
STL-Dateien für den 3D-Druck in ein ZIP-Paket zusammengeschnürt und links zum herunterladen bereitgestellt.
Das
Urheberrecht bleibt
natürlich bei mir (geht auch gar nicht anders) aber ich habe das
Projekt dieses Mal unter eine FreeBSD-Lizenz gestellt. Das heißt, es ist
frei nutzbar, jeder kann es
nachbauen
und nach Belieben einsetzen.
Ich würde mich allerdings freuen, wenn man
mich bei Projekten erwähnt.
Und: Für Fragen, Angegungen und
Hinweise bin ich immer offen ...
