Bausatz: RGB-LED Uhr

Video: Betrieb der RGB-LED Uhr (das Flickern kommt durch die Kamera und ist in Wirklichkeit kaum wahrnehmbar)

Vor Kurzem ist mir ein interessanter Bausatz auf Aliexpress ins Auge gefallen, den man unter einem der folgenden Links beziehen kann: Creative RGB Colour Clock Kits 51 SCM oder Creative RGB Colour Clock Kits 51 SCM oder Creative RGB Colour Clock Kits 51 SCM oder Creative RGB Colour Clock Kits 51 SCM oder Creative RGB Colour Clock Kits 51 SCM.
Der Preis beläuft sich auf EUR 10.- und man erhält ein Kit, welches nach dem Zusammenbau die aktuelle Uhrzeit als Farben kodiert mittels 10mm RGB-LEDs anzeigt. Im Folgenden werden der Zusammenbau und die Funktionsweise der fertigen Uhr beschrieben. Für den Zusammenbau werden einige Grundlegende Werkzeuge und Hilfsmittel benötigt.

Zusammenbau

Inhalt des Bausatzes
Abb.: Inhalt des Bausatzes: 1× USB-Kabel, 6× kleine Gläser, 1× Platine, 1× Plexiglas-Platte, elektronische Komponenten
Komponenten des Bausatzes
Abb.: Alle elektronischen Komponenten des Bausatzes (zzgl. der benötigen Schrauben und Muttern für den Zusammenhalt)

Komponenten

Beschriftung Bauteil
R1-R3, R12 120Ω (121) Widerstand
R4-R5 1MΩ (105) Widerstand
R7 1kΩ Widerstand
R8-R11, R13-R14 10kΩ Widerstand
C1 220µF Elektrolyt-Kondensator
C2 100nF (104) SMD-Kondensator
C3 10µF Elektrolyt-Kondensator
C4 100nF (104) SMD-Kondensator
L1, L2 SMD-LED
L3-L8 10mm RGB-LED
LR1 Fotowiderstand (LDR)
Q1 S9012 (2T1) PNP-Transistor
U1 DS3231 Echtzeituhr-IC (RTC)
U2 ASM1117 Spannungsregulator 3,3V 1A
IC1 15W413AS STC Mikrocontroller

Löten

Zunächst werden alle kleinen SMD-Bauteile, d.h. Widerstände, Kondensatoren, ICs, Spannungsregler und LEDs auf die Platine gelötet. Gerade beim Verlöten der Chips sollte nicht mit Flussmittel gespart werden, damit die Lötstellen gut gelingen. Vorsicht: Vor allem den ICs, Elektrolyt-Kondensatoren und LEDs gut auf die Polarität achten!

Wer unsicher beim Löten mit SMD-Komponenten ist kann sich Tipps in den beiden Videos How to solder SMD ICs: An actually useful tip for beginners oder EEVblog #997 - How To Solder Surface Mount Components holen.

SMD-LED verlöten
Abb.: Die beiden blauen SMD-LEDs auf der Unterseite müssen mit dem (-)-Pol zur rechten Seite (Doppelstrich) gelötet werden.
USB-Mini-B-Anschluss
Abb.: Der USB-Anschluss hat zusätzlich zu den kleinen Verbindungen von + und - auch noch vier größere Lötstellen, die die Buchse stabil auf der Platine halten sollen.
Spannungsregulator, RTC-Chip und Kondensatoren
Abb.: Spannungsregulator, RTC-Chip (Ausrichtung beachten) und Kondensatoren (Polarität beachten)
Mikrocontroller und SMD-Widerstände
Abb.: Mikrocontroller (Ausrichtung beachten) und SMD-Widerstände
Kondensatoren, Widerstände und Transistor
Abb.: Kondensatoren, Widerstände und Transistor
Tilt-Schalter mit Quecksilber-Füllung
Abb.: Leider war mir nicht bewusste, dass dieser Bausatz auch zwei Tilt-Schalter mit Quecksilber-Füllung enthält, sonst hätte ich ihn vermutlich nicht bestellt.
Verlöten der Tilt-Schalter
Abb.: Dass die Pads für die Schalter (SW1 und SW2) keine Löcher besitzen, muss man die Beine der Tilt-Schalter etwas kürzen und biegen und dann so anlöten, dass sie hinterher etwa im 40°-Winkel von der Platine abstehen.
Verlöten des LDR Fotowiderstands
Abb.: Auch die Pads für den LDR haben keine Löcher und daher muss der Fotowiderstand ebenfalls mit gekürzten Beinen auf diese Lötstellen verbaut werden.
Anbringen des Buzzers
Abb.: Der Buzzer wird neben dem Knopfbatteriehalter eingelötet, wobei der (+)-Pol auf die eckige Lötstelle gehört.
LED-Hack statt des Buzzers
Abb.: Da der Buzzer recht laut und nervig werden kann (angeblich piept der wohl stündlich), kann man auch eine beliebige LED anstatt dessen einsetzen (hier eine gelb 1,8mm LED). Hier muss nur auf die richtige Polung geachtet werden, d.h. wieder den (+)-Pol auf die eckige Lötstelle bringen.
Anbringen der RGB-LEDs auf der Platine
Abb.: Die RGB-LEDs werden auf der Oberseite (Beschriftung) angebracht, wobei das längste Bein in die rechteckige Lötstelle gehört.
Fertig verlötete Platine
Abb.: Nun sind alle elektronischen Komponenten auf der Platine verlötet und man kann die Uhr ein erstes Mal in Betrieb nehmen, indem man über das mitgelieferte USB-Kabel z.B. eine Powerbank anschließt.

Bei mir ist nach dem Anlegen der Spannung nur die kleine 1,8mm LED bzw. der Buzzer angegangen und ansonsten blieben alle weiteren LEDs dunkel. Auch nach Durchmessung und genauerer Überprüfung konnte ich die Uhr nicht in Gang setzen. Evtl. ist der MCU oder RTC defekt oder eine Lötstelle kalt. Dies bedarf noch weiterer Prüfung...

...Nach langem Prüfen und Überlegen, wo das Problem liegen könnte hatte ich zunächst den PNP-Transistor in Verdacht, dass der durch das Einlöten verbraten wurde, aber auch nach dem Austausch durch einen neuen S9012 (es lagen im Bausatz zum Glück einige Ersatzteile bei) war das Resultat dasselbe.
Letztendlich hat sich herausgestellt, dass ein Pin des Mikrocontrollers keinen Kontakt zur Platine hatte und das Problem war nach mühevollem SMD-Gebastel endlich erledigt.

Erster Test der RGB-Uhr
Abb.: Nach dem Anschließen an eine Powerbank leuchtete zunächst eine der blauen SMD-LEDs und dann alle RGB-LEDs. Diese fingen auch im Sekundentakt an heraufzuzählen.

Fertigstellung

Gläser als Abdeckung der RGB-LEDs
Abb.: Kleine Gläser, die als Abdeckung der RGB-LEDs gedacht sind
Gläser werden mit Heißkleber befestigt
Abb.: Die Gläser werden mit ein wenig Heißkleber auf der Platine befestigt. Ich habe sie recht locker angebracht, falls der Bausatz in nächster Zukunft nochmals einer Wartung bedarf...
Anschrauben der Plexiglas-Platte
Abb.: Nun musste nur noch die Plexiglas-Platte auf der Unterseite der Abstandsmuttern festgeschraubt werden, damit die Uhr aufrecht stehen kann, ohne die Elektronik bzw. die Tilt-Schalter zu belasten.
Fertiggestellte RGB-LED-Uhr
Abb.: Fertiggestellte RGB-LED-Uhr mit festgeklebten Gläsern im Betrieb.

Damit die eingestellte Uhrzeit erhalten bleibt, sollte man in den dafür vorgesehenen Batteriehalter noch eine CR1220 Lithium-Knopfzelle einlegen.

Funktionsweise

Die Uhr zeigt getrennt Stunde, Minuten und Sekunden im 24h-System an, wobei hier jeweils die beiden Ziffern als ein Farbwert durch eine RGB-LED dargestellt wird. Ähnlich den Farbbändern bei Widerständen. Die folgende Farbtabelle gibt Aufschluss über die aufleuchtenden Ziffern:

Farbtabelle

Farbe Ziffer
weiß 0
rot 1
orange 2
gelb (grünlich) 3
grün 4
cyan (grünlich) 5
cyan (bläulich) 6
dunkelblau 7
violett 8
pink/magenta 9

Der DS3231-Chip ist eine Echtzeituhr mit Notfall-Stromversorgung über eine Knopfbatterie, d.h. die eingestellte Uhrzeit bleibt erhalten, wenn die Spannungsquelle nicht mehr angeschlossen ist. Es gibt einen Alarm und (halb?-)stündliche Töne (vorausgesetzt, man ersetzt den Buzzer nicht durch eine LED)

Bedienung

Zum Stellen der Zeit kippt man die Uhr 90° nach vorne (Beschriftung beachten) und es wird durch Blinken aller LEDs angezeigt, dass man sich im Edit-Modus befindet. Durch Tippen des "Set"-Touchpads auf der rechten Seite stellt man die aktuell blinkende Ziffer. Durch einmaliges Tippen auf das "Add"-Touchpad springt man eine Ziffer weiter. Wenn man am Ende der 6 Ziffern angekommen ist, drückt man erneut "Set" und die Zeit ist gespeichert.

Um einen Alarm zu aktivieren, muss man die Uhr um 90° nach hinten kippen und dann auf "Add" tippen. Die linke, blaue SMD-LED leuchtet dann auf (oder erlischt, wenn man den Alarm wieder entfernt).
Die Alarmzeit stellt man ähnlich wie die Uhrzeit, nur dann man eben die Uhr um 90° nach hinten und nicht nach vorne kippt.
Wenn der Alarm ertönt, dann schaltet man ihn durch Tippen auf "Add" oder "Set" wieder aus.

Bedienungsanleitung (original)

Tilt the clock forward as shown to set the time using the touch buttons. The “Set” button moves between digits, and the “Add” button adds one to the count with each press. You need to scroll through all six LEDs with the set button. Once the clock is set to the correct time, just press the set button one more time and the time will be set.
When setting the alarm, the two SMD LEDs will light up to show the alarm is on. You can’t set the alarm time unless the LEDs are lit. To turn the alarm off, tilt the clock back (the opposite direction to when setting the time) and just press the “Add” button without first pressing the set button. The two LEDs should go out to tell you the alarm is off.
Setting the alarm is a little quirky. Rotate the clock 180 degrees so that the USB connector is pointing towards you and then tilt the clock towards you. You are effectively tilting it back, but it makes it easier to set this way, and the clock is designed to transpose the LED positions during alarm setting, so that the seconds LEDs actually display the alarm hours setting and the minutes LEDs display the alarm minutes setting (but transposed). This seems odd, but works well in practice.
You set the alarm in the same way as the time—the set key switches between setting the hours and minutes while the add key increments by one. Note that you don’t set the tens and units individually when setting the alarm time, you just scroll through 0-23 for the hours and 0-59 for the minutes. Once the alarm time is set, just press set again to finalise the alarm setting procedure. The two SMD LEDs should be lit to indicate that the alarm is on.
When the alarm sounds, just touch either touch switch to turn it off.
The clock also flashes the LEDs and beeps every half hour by default. If the beeping annoys you it can be turned off by tilting the clock forward as if you are going to set it. When the clock is in beeping mode, the left-hand SMD LED will light when you tilt the clock for- ward. Just press the “Add” button (without first pressing the set button) and the LED will go out and the clock will stop beeping. Note that this setting isn’t saved, and so if you power the clock down, it will start beeping on the half-hour again when you power it back up. For a permanent solution just don’t install the piezo sounder, although this will disable the alarm of course.
The clock will also display temperature—with it sitting upright just touch the “Set” or “Add” buttons and only the two middle RGB LEDs will light. We have found this to be not overly accurate, however.

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