Visor do relógio de sete segmentos Edge-Lit: 16 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Os displays de sete segmentos existem há mais de um século (https://en.wikipedia.org/wiki/Seven-segment_display) e formam a forma familiar dos números em relógios digitais, painéis de instrumentos e muitos outros displays numéricos. Eles foram substituídos em muitos casos por telas, mas do ponto de vista da eficiência, é difícil argumentar com a brevidade de codificar o estado de um display numérico em apenas 7 bits de informação (cada segmento ligado ou desligado)

A maioria das telas de sete segmentos são monocromáticas, então esta versão iluminada adiciona interesse visual usando os recursos de cores de tiras de LED RGB baratas para iluminar cada dígito e até mesmo cada segmento (ou mesmo meio segmento) da tela em uma cor diferente. Incorporar os segmentos de acrílico transparente em uma moldura de acrílico maior permite que você veja completamente toda a tela, que é outro aspecto exclusivo deste projeto.

-Isenção de responsabilidade---

Esta construção combina pequenas dezenas de pequenas peças de acrílico cortadas a laser que se encaixam com tolerâncias muito restritas. Ele usa tiras de LED finas (4 mm de largura) que devem ser soldadas, dobradas e, em seguida, encaixadas entre as peças de acrílico. Ao montar as peças, você deve estar disposto a forçar as peças no lugar, mesmo que pareça que está forçando o acrílico quebradiço. Você também deve estar disposto a remover e recolocar as ditas peças e tiras de LED quando se verificar que elas * não podem * realmente ser forçadas no lugar. Em algum ponto durante a montagem, há uma grande probabilidade de você ter que remover tudo e soldar novamente a faixa de LED quando perceber que forçar tudo no lugar quebrou um dos fios da faixa de LED ou criou um curto-circuito.

Com tudo isso dito, este é um projeto gratificante se você for paciente e estiver disposto a retrabalhar o alinhamento até que tudo se encaixe no lugar.

Este artigo descreve a construção do display de 6 dígitos. É um pouco mais fácil construir o display de 4 dígitos e as etapas são basicamente as mesmas para ambos, então provavelmente é melhor começar com o display de 4 segmentos, a menos que você se sinta muito confiante.

Suprimentos

Consumíveis--

As quantidades necessárias dependem se você está construindo o display de 4 ou 6 dígitos.

• Folha de madeira de 1/8 ″ de espessura para corte a laser
• 1/16 ″ acrílico transparente para corte a laser
• 1/4 ″ acrílico transparente para corte a laser
• Skinny (4 mm de largura) SK6812 3535 RGB tira LED com 60 LEDs / m (como este)
• Folha adesiva de vinil *** ISSO NÃO É CONDUTIVO *** (usei esta folha adesiva Cricut)
• Fio de conexão sólido 26 AWG com isolamento branco
• Fio trançado 30 AWG com isolamento branco
• Uma pequena quantidade de fita adesiva
• Parafusos M2 5 ou 7 x 12mm e porcas M2
• MicroControlador capaz de controlar a faixa de LED
• Fonte de alimentação para MicroControlador e faixa de LED.
• Cola de madeira
• JB Weld (ou similar) cola que pode prender acrílico à madeira
• 3-4 x parafusos M3 e porcas M3 (opcional, mas útil)

Ferramentas--

• Ferro de solda / solda
• Cortador / removedor de fio
• Cortador a laser (ou um serviço online como Ponoko)

Etapa 1: Arquivos de projeto e corte a laser

Existem seis arquivos vetoriais para corte a laser, três cada para a construção de 4 ou 6 dígitos. As formas cortadas a laser são dimensionadas para caber exatamente nos LEDs e capacitores em uma faixa de tamanho 3535 de 60 LED / metro, portanto, não os redimensione antes de cortá-los a laser.

• Corte SevenSegmentBase4Digits.svg ou SevenSegmentBase6Digits.svg de madeira de 1/8 ″
• Corte EdgeLitSevenSegment4Digits.svg ou EdgeLitSevenSegments6Digits.svg em folha de acrílico transparente de 1/4 ″.
• Corte EgeLitSevenSegmentCover4Digits.svg ou EdgeLitSevenSegmentCover6Digits.svg de uma folha de acrílico transparente de 1/16 ″.

Etapa 2: Tolerâncias

As tolerâncias para este projeto são muito restritas, e os segmentos possuem entalhes exatamente espaçados e * apenas * grandes o suficiente para segurar os LEDs e capacitores na faixa de acrílico (veja a imagem).

Como as faixas de LED variam entre os fabricantes, você deve verificar o espaçamento e o tamanho dos LEDs e dos capacitores em sua faixa de LED para confirmar se eles estão alinhados com os entalhes mostrados no arquivo SVG. Você pode testar o design antes de fazer o corte a laser, imprimindo uma imagem em escala dos segmentos e vendo se os entalhes se alinham com a faixa de LED. Se o seu não se encaixar exatamente, a construção não funcionará. No entanto, se você for bom com CAD, deverá ser capaz de modificar o espaçamento dos entalhes no arquivo SVG para corresponder à sua faixa.

Etapa 3: cortar e construir o gabinete

Corte as peças da caixa de madeira de 1/8 ″ à sua escolha. Esqueci de fotografar esta etapa, mas primeiro pegue as peças da tampa externa e interna (contornos mostrados nas imagens) e cole-as com cola de madeira de forma que todos os orifícios fiquem alinhados. A peça maior é a parte externa da tampa e a peça menor ficará dentro do gabinete.

Observe que a colocação dos furos não é totalmente simétrica e, portanto, a orientação das peças da tampa é importante. Certifique-se de que * TODOS * os orifícios estejam alinhados ao alinhar as peças. Prenda as peças juntas ou use parafusos e porcas M3 através dos orifícios para prendê-las enquanto secam.

Monte o corpo do gabinete distribuindo as peças conforme mostrado na imagem, aplicando cola nas bordas e deslizando as ranhuras e guias correspondentes. Prenda ou prenda as peças juntas enquanto a cola de madeira seca.

Etapa 4: corte de acrílico a laser

Corte as peças da capa de uma folha de acrílico transparente de 1/16 ″ (mostrado como contorno vetorial nas imagens).

Corte o corpo do relógio principal e os segmentos em uma folha de acrílico transparente de 1/4 “”. As peças contêm detalhes muito pequenos, portanto, certifique-se de que o corte esteja limpo o suficiente para que as pequenas saliências não quebrem ao separar as peças. Mantenha as peças de acrílico mostradas na última imagem desta etapa

Vá em frente e retire qualquer papel protetor de * todas * as peças de acrílico. Vai demorar um pouco e, com sorte, você ainda terá algumas unhas restantes quando terminar.

Etapa 5: cubra as bordas de todos os pequenos segmentos de acrílico

Os segmentos e pontos de acrílico são muito pequenos e permitirão que uma grande quantidade de luz vaze se não mascararmos as bordas. Para isso, usaremos a folha adesiva * NÃO CONDUTIVA *.

Usei um cortador de vinil para cortar o papel alumínio em longas tiras de 1/4 de polegada. Se você não tiver um cortador de vinil, você pode usar uma faca ou tesoura para cortar tiras de 1/4 de polegada (veja a primeira imagem).

Use as tiras de alumínio para cobrir todas as bordas * exceto aquela com os entalhes * dos pequenos segmentos e pontos, como pode ser visto na segunda imagem. É mais fácil cobrir as bordas do acrílico com um longo pedaço de papel alumínio e alisá-lo com uma pressão firme antes de cortar o excesso.

Além disso, pegue 4 ou 6 dos quadrados de acrílico (dependendo se você tem um visor de 4 ou 6 dígitos) e cubra * uma * borda de cada quadrado com uma tira de papel alumínio como visto na terceira imagem.

Etapa 6: prenda a tampa e a estrutura acrílica principal

Pegue uma das peças da capa de acrílico de 1/16 "e a peça grande de 1/4" (mostrada coberta com papel protetor na primeira imagem) e alinhe-as de forma que os pequenos orifícios fiquem um sobre o outro. Insira um parafuso M2 em cada orifício de forma que o parafuso entre pela tampa e saia da moldura de acrílico de 1/4 ″. Aparafuse as duas peças de acrílico como mostrado abaixo. Observe a orientação dos dois pontos em relação ao slot abaixo deles. Certifique-se de orientar a moldura na parte superior da tampa de forma que os dois pontos fiquem à esquerda do slot. Estamos olhando para a parte de trás da tela.

Etapa 7: soldar as tiras de LED

Corte da tira de LED duas ou três tiras menores (para telas de 4 ou 6 dígitos respectivamente) de 28 pixels cada (primeira imagem) para iluminar os dígitos, e um ou dois segmentos de 2 pixels cada para iluminar os pontos. Certifique-se de manter as almofadas de solda no lado de entrada de dados da tira. Corte a extremidade de saída da tira bem perto do capacitor final - não há necessidade de manter as almofadas lá - porque há * apenas * espaço suficiente para a faixa caber. Tente evitar a inclusão de quaisquer junções (que geralmente ocorrem a cada 30 pixels) dentro da faixa, pois o espaçamento exato dos LEDs é importante.

Para cada faixa de 28 pixels, corte dois pedaços de fio sólido de conexão 26 AWG e um pedaço de fio trançado 30 AWG, todos com isolamento branco. Use comprimentos de cerca de 8 polegadas. Usaremos o fio trançado para sinal e o fio de conexão para fornecer energia.

No lado de entrada da tira, aplique solda APENAS na almofada de sinal, em seguida, descasque e estanhe a ponta do fio trançado 30 AWG e solde-o à almofada, tomando cuidado para que não haja fios soltos em curto com o 5V ou Linhas GND (segunda imagem).

Agora aplique a solda nas almofadas de 5V e GND que você acabou de limpar no lado * TRASEIRO * da faixa de LED, descasque e estanhe as pontas dos fios 26 AWG e, em seguida, solde-os nas almofadas de energia. Com cuidado, dobre os fios para cima em um ângulo de 90 graus logo após a junção da solda. Os fios devem ser semelhantes aos da terceira imagem.

Como os dois fios de alimentação são brancos, marque as pontas com um objeto pontiagudo para que você possa distingui-los mais tarde, como mostrado na última imagem.

É uma boa ideia testar as conexões agora antes de colocar o fio dentro da moldura da tela. Certifique-se de que todos os LEDs estejam acesos e que não haja curtos. A próxima etapa é montar as peças de acrílico e as tiras de LED para os dígitos do display. Repetiremos o mesmo processo para cada par de dígitos.

Etapa 8: incorpore a faixa de LED e segmentos para os dígitos na estrutura de acrílico

Agora vamos começar a adicionar a faixa de LED e peças de segmento de acrílico no quadro. Começaremos do meio da faixa e trabalharemos para fora com cada metade da faixa seguindo o caminho mostrado na primeira imagem.

Pegue o strp de LED de 28 pixels e encaixe-o na estrutura, conforme mostrado, para que os fios de alimentação se encaixem no slot pendurado entre os dígitos, e há 14 LEDs disponíveis para cada dígito. A extremidade de entrada da faixa de LED, que contém o fio de sinal, deve ficar dentro da extremidade direita (de nossa visão atual) dos dois dígitos. Vamos prender esta faixa de LED ao redor do perímetro de cada tela de sete segmentos. Retire o papel do meio da tira conforme você avança, mas cole apenas uma pequena parte da tira de cada vez, porque você provavelmente terá que remover e recolocar partes dela periodicamente para garantir que as peças do segmento se encaixem corretamente.

Monte um dígito de cada vez, começando com o mais à direita dos dois dígitos (aquele que contém o fio de entrada do sinal). Cada um dos sete pequenos segmentos do dígito corresponde a dois LEDs na faixa. Alterne colar dois pixels da faixa de LED e, em seguida, adicionar um segmento. Coloque todos os pequenos segmentos com o lado gravado voltado para cima. Os efeitos de iluminação de borda têm uma aparência muito melhor se houver corrosão no verso do acrílico iluminado. Se você não tiver certeza de qual lado está gravado, arranhe ambos os lados com a unha e você deverá ser capaz de sentir as ranhuras no lado gravado.

Coloque os segmentos no quadro conforme você avança. É importante que tudo se encaixe perfeitamente, então cada vez que você colocar parte da tira de acrílico, pressione o segmento no lugar no topo da tira e certifique-se de que os segmentos se encaixem bem no perímetro do dedo. Uma pequena pinça é útil se você precisar levantar e recolocar a faixa de LED.

Depois que os três primeiros segmentos estiverem no lugar, coloque um quadrado de acrílico no meio do “loop” inferior do dígito. Use o quadrado de acrílico que tem a folha de vinil cobrindo uma das bordas. A folha deve estar na borda do quadrado mais próximo do meio do dígito. É mais fácil colocar o quadrado colocando-o no “laço” superior e deslizando-o para baixo até que ele fique entre os segmentos.

Continue prendendo o resto da faixa de LED ao redor do perímetro do dígito conforme mostrado, mas espere para inserir as peças do segmento de acrílico. Quando você chegar bem no final, cole os últimos dois pixels da faixa de LED sobre a folha de vinil que cobre a borda superior do quadrado. O último conjunto de almofadas de solda nesta parte da tira irá se sobrepor às almofadas de solda em uma parte anterior da tira (veja a imagem abaixo). Antes de colar, é importante colocar um pedaço * muito fino * de isolamento entre as duas partes da tira. Cortei um pequeno pedaço de fita adesiva e colei na parte de baixo das almofadas no final da tira.

Adicione as últimas peças do segmento de acrílico. Quando você chegar ao final da tira, tenha muito cuidado ao colocá-los para não desalojar o fio de sinal preso ao final da tira. (Eu fiz isso e tive que remover todas as peças e a faixa de LED e começar de novo. Não é o fim do mundo, mas é uma dor) Certifique-se de que o fio de sinal se estenda para fora do dígito, conforme mostrado na última imagem.

Deslize o último quadrado no lugar na parte superior do dígito. Este quadrado não contém nenhuma folha de vinil. O ajuste será bastante confortável. A maneira mais fácil de colocar o quadrado é empurrar a parte inferior do quadrado no lugar primeiro e aplicar uma pressão leve a moderada (você não deve suar) para baixo enquanto encaixa no topo do quadrado. Os canais verticais entre os dígitos dos fios tornam a parte inferior do dígito um pouco mais flexível do que a parte superior. Você terá que usar seu julgamento sobre o quão forte você pode empurrar a peça no lugar, se ela não entrar facilmente.

Etapa 9: direcionar o fio de sinal

Depois que todas as peças de acrílico estiverem no lugar, vamos passar cuidadosamente o fio de sinal 30 AWG através do pequeno canal entre as peças como mostrado abaixo e, em seguida, encaminhá-lo para o canal que contém os fios de alimentação. Usei uma pinça para empurrá-lo suavemente para dentro do canal e prendi os fios com fita isolante para que não saíssem durante a montagem dos outros dígitos.

Etapa 10: Repita para todos os dígitos e teste

Cansado ainda? Ainda temos que montar as peças no dígito esquerdo. O processo é o mesmo que acabamos de concluir, mas é um pouco mais fácil porque (1) não há fio de sinal neste lado e (2) se você cortou a extremidade da faixa de LED perto do capacitor, nenhum dos os blocos de solda neste dígito se sobreporão (se por algum motivo isso acontecer, certifique-se de colocar um material isolante muito fino entre eles). Certifique-se de que, ao colocar as peças para o dígito esquerdo, você execute a faixa de LED no padrão de imagem espelhada do dígito direito, conforme mostrado na imagem do caminho com as setas azuis na etapa 8.

Depois que os dois dígitos estiverem completamente posicionados, conecte o sinal de alimentação e os fios terra ao microcontrolador de sua escolha e execute um programa de teste para certificar-se de que a faixa de LED está funcionando corretamente. Tudo funcionou na primeira vez em cerca de 50% do tempo para mim. Os problemas mais comuns resultavam de um fio sendo desconectado ou colocado em contato com outra almofada de solda.

Se tudo estiver certo, o próximo passo é inserir a faixa de LED e os segmentos de acrílico nos outros dígitos do display, seguindo exatamente o mesmo processo novamente. Teste cada conjunto de dígitos depois de concluídos.

Etapa 11: incorpore a faixa de LED e acrílico para os pontos

A seguir, usaremos segmentos curtos da faixa de LED contendo apenas dois pixels para iluminar os pontos na tela. Haverá um ou dois pares de pontos, dependendo se você está construindo o display de 4 ou 6 dígitos. Os pontos são significativamente mais fáceis de instalar do que os dígitos.

Corte três pedaços de fio de conexão 26 AWG e solde-os na extremidade de entrada do comprimento de 2 pixels da faixa de LED. Certifique-se de marcar as extremidades de cada fio para saber qual é 5V, sinal e GND. Usei agulhas vermelhas, azuis e pretas para colorir parte do isolamento de cada fio. Retire o adesivo da faixa de LED e insira e cole a faixa de LED na parede posterior do slot com os fios pendurados no canal vertical e saindo na parte inferior da moldura.

Encontre os pequenos pontos de acrílico que cabem na moldura. Cubra seu perímetro com filme de vinil, assim como você fez para os segmentos. Coloque-os em seus espaços individuais com o lado gravado voltado para cima e o LED e o capacitor da faixa de LED aninhados em seus respectivos entalhes.

Quando todos os pontos e dígitos estiverem completos, sua exibição deve ser semelhante à última imagem.

Etapa 12: cubra e prenda a tela

Assim que todos os dígitos e pontos forem montados e todas as tiras de LED testadas, colocaremos a outra capa de acrílico fina sobre elas. Desaparafuse as porcas dos parafusos M2, deixando-os no lugar, e remova com cuidado qualquer fita que esteja prendendo os fios no lugar. Abaixe cuidadosamente a tampa de acrílico transparente superior sobre a estrutura, encaixando os parafusos nos orifícios da tampa e tomando cuidado para que todos os fios fiquem dentro de seus respectivos canais. Quando tudo estiver no lugar certo, aparafuse e aperte as porcas com firmeza.

Etapa 13: prenda o gabinete

Agora vamos prender a tela à tampa do gabinete. Coloque a tampa próxima à tela de forma que os fios fiquem alinhados com os orifícios da tampa. A tampa NÃO é simétrica, pois os fios dos pontos não estão na metade entre os dígitos, então há apenas uma orientação em que o alinhamento é perfeito.

Passe as pontas de cada conjunto de fios pelos orifícios correspondentes na tampa a partir da parte superior e, em seguida, mova cuidadosamente a tela em direção à tampa para que as abas do acrílico se encaixem nas ranhuras retangulares da tampa. Você provavelmente terá feito isso em pequenos incrementos. Passe as pontas de cada fio pelos orifícios e deslize suavemente a tampa ao longo dos fios, eliminando alternadamente a folga em cada grupo de fios à medida que avança. Tenha muito cuidado para não puxar com muita força nenhum dos fios. Falando por experiência própria, é muito chato desconectar um fio neste momento. Insira delicadamente as abas nas ranhuras. O ajuste não é super confortável, então você vai querer colar as abas nas ranhuras (usando JB Weld ou um adesivo semelhante que funcione tanto em acrílico quanto em madeira) assim que todos os componentes eletrônicos estiverem conectados e testados.

Passei alguns elásticos ao redor da tela e da tampa do gabinete para mantê-los juntos enquanto trabalhava na fiação. Na imagem acima, eu soldei todos os 5 fios de alimentação em um grupo e todos os 5 fios de aterramento em outro grupo, juntei cada grupo a um único fio de entrada e cobri todas as juntas de solda com muitos tubos retráteis.

Etapa 14: conecte um microcontrolador (ou dois)

Existem muitas maneiras diferentes de conectar um controlador ao monitor. Você pode soldar os fios diretamente no seu controlador, mas eu prefiro prender os conectores aos fios, deixando a flexibilidade para trocar os microcontroladores. Combinei todos os fios de alimentação e todos os fios de aterramento juntos e soldou cada um dos 5 fios de sinal a um único conector de 5 pinos.

Experimentei vários controladores diferentes com o display de sete segmentos iluminado por bordas. Gosto de fazer o protótipo de código para tiras de LED no CircuitPython porque é rápido e fácil fazer algo funcionar. Há muitos pixels para controlar, então optei pelo Adafruit Itsy Bitsy M4 Express que é baseado em uma placa ATSAMD51 e é rápido e poderoso o suficiente para controlar os 88 LEDs RGB no relógio de 6 dígitos, mas pequeno o suficiente para caber facilmente no gabinete. O Itsy-Bitsy M4 Express funcionou bem, mas eu também queria conectividade IoT, então tentei executar o código para a tela em uma placa ESP32. Tive problemas para controlar as cores na faixa enquanto estava conectado à Internet - semelhante a este problema: https://github.com/adafruit/Adafruit_NeoPixel/issues/139. A melhor solução foi controlar as faixas de LED da placa Itsy Bitsy e usar um ESP8266 (o Lolin D1 Mini Pro) para obter periodicamente o horário correto da internet e enviá-lo para o Itsy Bitsy via comunicação serial.

O diagrama mostra a fiação para o display de 6 dígitos. Para adaptá-lo ao display de 4 dígitos, simplesmente omita “Dot Strip 2” e “Num Strip 3”. Como a comunicação entre o Lolin D1 Mini e o Itsy Bitsy é unilateral, é necessário apenas conectar o Lolin TX ao Itsy Bitsy RX. Usei uma placa breakout micro-USB para obter uma entrada de energia de 5V por meio de um cabo micro-USB.

Etapa 15: codificando a tela

A tela é codificada como um relógio, mas há muitas funções adicionais potenciais adicionais. Pode ser um cronômetro de contagem regressiva, uma exibição de temperatura, uma exibição de contagem de seguidores de mídia social ou basicamente uma exibição de qualquer métrica que pode ser representada em números.

Código Arduino

Programei o Lolin D1 Mini Pro com o IDE do Arduino. O código, no arquivo ".ino" anexado, conecta-se à internet e usa a biblioteca “NTPClient” (disponível no gerenciador de bibliotecas do Arduino) para obter o horário correto. O objeto NTPClient lê a hora do servidor NTP a cada 10 minutos. Ele formata e envia uma string de hora pela porta serial a cada 10 segundos.

Código CircuitPython

O código Circuit Python, no arquivo ".py" anexado, rodando no Itsy Bitsy monitora a porta serial para ler as sequências de tempo enviadas do ESP8266. Ele define uma nova base de tempo com cada nova string de hora que recebe e rastreia a hora atual usando a função monotonic () da biblioteca de tempo.

O código usa a biblioteca adafruit_fancyled para escolher as cores no formato HSV e aplicar a correção de gama antes de serem exibidas. A cor dos números evolui ao longo de um ciclo de 60 segundos que recomeça no início de cada minuto. Os índices dos segmentos necessários para exibir qualquer número dado nos LEDs são armazenados como bits na matriz digitSegments e descompactados na função drawStripDigit.

Etapa 16: Uau

Se você chegou até aqui, bom para você! Espero que gostem deste projeto. Foi muito trabalhoso, mas muito gratificante de se fazer.