Affichage de l'horloge Edge-Lit à sept segments : 16 étapes (avec images)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Les affichages à sept segments existent depuis plus d'un siècle (https://en.wikipedia.org/wiki/Seven-segment_display) et forment la forme familière des chiffres des montres numériques, des tableaux de bord et de nombreux autres affichages numériques. Ils ont été remplacés dans de nombreux cas par des écrans, mais du point de vue de l'efficacité, il est difficile de contester la brièveté de l'encodage de l'état d'un affichage numérique en seulement 7 bits d'information (chaque segment activé ou désactivé)

La plupart des écrans à sept segments sont monochromes, donc cette version à éclairage périphérique ajoute un intérêt visuel en utilisant les capacités couleur des bandes LED RVB bon marché pour éclairer chaque chiffre et même chaque segment (ou même demi-segment) de l'écran dans une couleur différente. L'intégration des segments en acrylique transparent dans un cadre en acrylique plus grand vous permet de voir complètement à travers l'ensemble de l'affichage, ce qui est un autre aspect unique de ce projet.

-Clause de non-responsabilité---

Cette construction combine de petites dizaines de petites pièces acryliques découpées au laser qui s'emboîtent avec des tolérances très serrées. Il utilise des bandes LED fines (4 mm de large) qui doivent être soudées, pliées, puis insérées entre ces pièces en acrylique. Lors de l'assemblage des pièces, vous devez être prêt à forcer les pièces en place, même si vous avez l'impression de stresser l'acrylique fragile. Vous devez également être prêt à retirer et à remettre en place lesdites pièces et bandes LED lorsqu'il s'avère qu'elles ne peuvent pas être réellement mises en place. À un moment donné de l'assemblage, il est fort probable que vous deviez tout retirer et ressouder votre bande LED lorsque vous vous rendez compte qu'en forçant tout en place, vous avez cassé l'un des fils de votre bande de LED ou créé un court-circuit.

Cela dit, il s'agit d'un projet gratifiant si vous êtes patient et prêt à retravailler l'alignement jusqu'à ce que tout se mette en place.

Cette écriture décrit la construction de l'affichage à 6 chiffres. Il est un peu plus facile de construire l'affichage à 4 chiffres, et les étapes sont fondamentalement les mêmes pour les deux, il est donc probablement préférable de commencer par l'affichage à 4 segments à moins que vous ne vous sentiez très en confiance.

Fournitures

Consommables--

Les quantités requises varient selon que vous construisez l'affichage à 4 ou 6 chiffres.

• Feuille de bois de 1/8 po d'épaisseur pour la découpe au laser
• Acrylique transparent 1/16" pour la découpe laser
• Acrylique transparent 1/4" pour la découpe laser
• Ruban LED RVB SK6812 3535 mince (4 mm de large) avec 60 LED/m (comme celui-ci)
• Feuille de vinyle adhésif *** QUI N'EST PAS CONDUCTEUR *** (j'ai utilisé cette feuille adhésive Cricut)
• Fil de raccordement solide 26 AWG avec isolation blanche
• Fil toronné 30 AWG avec isolation blanche
• Une petite quantité de scotch
• 5 ou 7 vis M2 de 12 mm et écrous M2
• Microcontrôleur capable de contrôler la bande LED
• Alimentation pour MicroController et bande LED.
• Colle à bois
• Colle JB Weld (ou similaire) qui peut attacher l'acrylique au bois
• 3-4 vis M3 et écrous M3 (facultatifs mais utiles)

Outils--

• Fer à souder/soudure
• Coupe-fil/dénudeur
• Découpeur laser (ou un service en ligne comme Ponoko)

Étape 1: Fichiers de conception et découpe laser

Il existe six fichiers vectoriels pour la découpe laser, trois chacun pour la construction à 4 ou 6 chiffres. Les formes découpées au laser sont dimensionnées pour s'adapter exactement aux LED et aux condensateurs dans une bande de 60 LED/mètre 3535, donc ne les redimensionnez pas avant de les découper au laser.

• Coupez SevenSegmentBase4Digits.svg ou SevenSegmentBase6Digits.svg dans du bois de 1/8″
• Coupez EdgeLitSevenSegment4Digits.svg ou EdgeLitSevenSegments6Digits.svg dans une feuille acrylique transparente de 1/4 po.
• Coupez EgeLitSevenSegmentCover4Digits.svg ou EdgeLitSevenSegmentCover6Digits.svg dans une feuille acrylique transparente de 1/16 po.

Étape 2: Tolérances

Les tolérances pour ce projet sont très serrées et les segments ont des encoches exactement espacées et *juste* assez grandes pour contenir les LED et les condensateurs sur la bande acrylique (voir image).

Étant donné que les bandes LED varient d'un fabricant à l'autre, vous voudrez vérifier l'espacement et la taille des LED et des condensateurs sur votre bande LED pour confirmer qu'ils s'alignent avec les encoches indiquées dans le fichier SVG. Vous pouvez tester la conception avant de procéder à la découpe laser en imprimant une image à l'échelle des segments et en voyant si les encoches s'alignent avec votre bande LED. Si le vôtre ne correspond pas exactement, la construction ne fonctionnera pas. Si vous maîtrisez la CAO, vous devriez toutefois pouvoir modifier l'espacement des encoches dans le fichier SVG pour qu'il corresponde à votre bande.

Étape 3: Coupez et construisez le boîtier

Coupez les pièces de l'enceinte dans le bois 1/8″ de votre choix. J'ai oublié de photographier cette étape, mais prenez d'abord les pièces du couvercle extérieur et intérieur (contours montrés sur les images) et collez-les ensemble avec de la colle à bois de sorte que les trous soient tous alignés les uns avec les autres. Le plus gros morceau est la partie extérieure du couvercle et le plus petit morceau se trouvera à l'intérieur de l'enceinte.

Notez que le placement des trous n'est pas totalement symétrique et donc l'orientation des pièces du couvercle est importante. Assurez-vous que *TOUS* les trous s'alignent lorsque vous alignez les pièces. Serrez les pièces ensemble ou utilisez des vis et des écrous M3 à travers les trous pour les fixer ensemble pendant qu'elles sèchent.

Assemblez le corps du boîtier en disposant les pièces comme indiqué sur l'image, en appliquant de la colle sur les bords et en faisant glisser les fentes et les languettes correspondantes ensemble. Serrez ou collez les pièces ensemble pendant que la colle à bois sèche.

Étape 4: découpez l'acrylique au laser

Coupez les morceaux de couverture dans une feuille acrylique transparente de 1/16 po (indiquée sous forme de contour vectoriel dans les images).

Coupez le corps de l'horloge principale et les segments dans une feuille acrylique transparente de 1/4 po. Les pièces contiennent de très petits détails, alors assurez-vous que la coupe est suffisamment nette pour que les petites bosses ne se cassent pas lorsque vous séparez les pièces. Gardez les morceaux d'acrylique montrés dans la dernière image de cette étape

Allez-y et retirez tout papier protecteur de *toutes* les pièces en acrylique. Cela vous prendra un certain temps, et j'espère qu'il vous restera encore quelques ongles lorsque vous aurez terminé.

Étape 5: couvrez les bords de tous les petits segments acryliques

Les segments et points acryliques sont très petits et laisseront passer beaucoup de lumière si nous ne masquons pas les bords. Nous utiliserons pour cela le film adhésif *NON CONDUCTEUR*.

J'ai utilisé un coupe-vinyle pour couper le papier d'aluminium en longues bandes de 1/4 . Si vous n'avez pas de coupe-vinyle, vous pouvez utiliser un couteau exacto ou des ciseaux pour couper des bandes de 1/4 po (voir la première image).

Utilisez les bandes de papier d'aluminium pour couvrir chaque bord *sauf celui avec les encoches* des petits segments et des points, comme on le voit sur la deuxième image. Il est plus facile de couvrir les bords de l'acrylique avec un long morceau de feuille de vinyle et de le lisser avec une pression ferme avant de couper l'excédent.

De plus, prenez 4 ou 6 des carrés acryliques (selon que vous ayez un affichage à 4 ou 6 chiffres) et couvrez *un* bord de chaque carré avec une bande de papier vinyle comme le montre la troisième image.

Étape 6: Fixez le couvercle et le cadre acrylique principal

Prenez l'une des pièces de couverture en acrylique de 1/16 "et la grande pièce de 1/4" (représentée recouverte de papier protecteur dans la première image) et alignez-les de sorte que les petits trous se superposent. Insérez une vis M2 dans chaque trou de manière à ce que la vis pénètre dans le couvercle et sorte du cadre acrylique 1/4". Vissez les deux pièces en acrylique comme indiqué ci-dessous. Notez l'orientation des deux points par rapport à la fente en dessous d'eux. Assurez-vous d'orienter le cadre sur le dessus du couvercle de manière à ce que les deux points soient à gauche de la fente. Nous regardons l'arrière de l'écran.

Étape 7: Soudez les bandes LED

Dans la bande LED, découpez deux ou trois bandes plus petites (pour les affichages à 4 ou 6 chiffres respectivement) de 28 pixels chacune (première image) pour éclairer les chiffres, et un ou deux segments de 2 pixels chacun pour éclairer les points. Assurez-vous de garder les plots de soudure du côté entrée de données de la bande. Coupez l'extrémité de sortie de la bande assez près du condensateur final - pas besoin d'y garder les pastilles - car il y a * juste * assez d'espace pour que la bande s'adapte. Essayez d'éviter d'inclure des jointures (qui se produisent généralement tous les 30 pixels) dans la bande car l'espacement exact des LED est important.

Pour chaque bande de 28 pixels, coupez deux longueurs de fil de raccordement solide 26 AWG et une longueur de fil toronné 30 AWG, le tout avec une isolation blanche. Utilisez des longueurs d'environ 8 pouces. Nous utiliserons le fil torsadé pour le signal et le fil de raccordement pour fournir l'alimentation.

Du côté entrée de la bande, appliquez UNIQUEMENT de la soudure sur la pastille de signal, puis dénudez et étamez la pointe du fil toronné 30 AWG, et soudez-la sur la pastille, en veillant à ce qu'il n'y ait pas de brins parasites court-circuitant le 5V ou Lignes GND (deuxième image).

Appliquez maintenant de la soudure sur les pastilles 5V et GND que vous venez d'effacer sur le côté *ARRIÈRE* de la bande LED, dénudez et étamez les extrémités des fils 26 AWG, puis soudez-les aux pastilles d'alimentation. Pliez soigneusement les fils vers le haut à un angle de 90 degrés juste après la soudure. Les fils doivent ressembler à ceux de la troisième image.

Étant donné que les deux fils d'alimentation sont blancs, marquez les extrémités avec un sharpie afin de pouvoir les distinguer plus tard, comme indiqué sur la dernière image.

C'est une bonne idée de tester les connexions maintenant avant de placer le fil à l'intérieur du cadre de l'écran. Assurez-vous que toutes les LED s'allument et qu'il n'y a pas de court-circuit. L'étape suivante consiste à assembler les pièces en acrylique et les bandes LED pour les chiffres de l'écran. Nous allons répéter le même processus pour chaque paire de chiffres.

Étape 8: Intégrez la bande LED et les segments pour les chiffres dans le cadre acrylique

Nous allons maintenant commencer à ajouter la bande LED et les morceaux de segment acrylique dans le cadre. Nous allons commencer par le milieu de la bande et travailler vers l'extérieur avec chaque moitié de la bande en suivant le chemin indiqué dans la première image.

Prenez la bande LED de 28 pixels et insérez-la dans le cadre comme indiqué de sorte que les fils d'alimentation s'insèrent dans la fente suspendue entre les chiffres, et qu'il y ait 14 LED disponibles pour chaque chiffre. L'extrémité d'entrée de la bande LED, qui contient le fil de signal, doit aller à l'intérieur le plus à droite (de notre vue actuelle) des deux chiffres. Nous allons attacher cette bande LED autour du périmètre de chaque affichage à sept segments. Décollez le papier du milieu de la bande au fur et à mesure, mais ne collez qu'une petite partie de la bande à la fois, car vous devrez probablement en retirer et réinstaller des parties périodiquement pour vous assurer que les morceaux de segment s'ajustent correctement..

Assemblez un chiffre à la fois, en commençant par le plus à droite des deux chiffres (celui contenant le fil d'entrée du signal). Chacun des sept petits segments du chiffre correspond à deux LED sur la bande. Alternez en collant deux pixels de la bande LED, puis en ajoutant un segment. Placez tous les petits segments avec le côté gravé vers le haut. Les effets d'éclairage de bord sont bien meilleurs si une gravure se trouve à l'arrière de l'acrylique illuminé. Si vous n'êtes pas sûr de quel côté est gravé, grattez les deux côtés avec un ongle et vous devriez pouvoir sentir les rainures sur le côté gravé.

Placez les segments dans le cadre au fur et à mesure. Il est important que tout soit bien ajusté, donc chaque fois que vous collez une partie de la bande acrylique, appuyez sur le segment en place sur le dessus de la bande et assurez-vous que les segments s'intègrent bien dans le périmètre du doigt. Une petite pince à épiler est utile si vous devez soulever et réinstaller la bande LED.

Une fois les trois premiers segments en place, placez un carré en acrylique au milieu de la «boucle» inférieure du chiffre. Utilisez le carré acrylique qui a une feuille de vinyle couvrant un bord. La feuille doit être sur le bord du carré le plus proche du milieu du chiffre. Il est plus facile de placer le carré en le plaçant dans la "boucle" supérieure et en le faisant glisser vers le bas jusqu'à ce qu'il repose entre les segments.

Continuez à attacher le reste de la bande LED autour du périmètre du chiffre comme indiqué, mais attendez d'insérer les morceaux de segment acrylique. Lorsque vous arrivez à la toute fin, collez les deux derniers pixels de la bande LED sur la feuille de vinyle recouvrant le bord supérieur du carré. Le tout dernier jeu de pastilles de soudure sur cette partie de la bande chevauchera les pastilles de soudure sur une partie précédente de la bande (voir l'image ci-dessous). Avant de le coller, il est important de placer un isolant *très fin* entre les deux parties de la bande. J'ai coupé un petit morceau de scotch et je l'ai collé sous les coussinets au bout de la bande.

Ajoutez les derniers morceaux de segment acrylique. Lorsque vous arrivez au bout de la bande, soyez très prudent lorsque vous les placez afin de ne pas déloger le fil de signal attaché à l'extrémité de la bande. (Je l'ai fait et j'ai dû retirer toutes les pièces et la bande LED et recommencer. Ce n'est pas la fin du monde, mais c'est pénible) Assurez-vous que le fil de signal dépasse du chiffre, comme le montre la dernière image.

Faites glisser le dernier carré en place dans la partie supérieure du chiffre. Ce carré n'a pas de feuille de vinyle dessus. L'ajustement sera assez serré. La façon la plus simple de placer le carré est de pousser d'abord la partie inférieure du carré en place et d'appliquer une pression légère à modérée (vous ne devriez pas avoir à transpirer) vers le bas tout en insérant le haut du carré. Les canaux verticaux entre les chiffres pour les fils rendent la partie inférieure du chiffre un peu plus flexible que le haut. Vous devrez utiliser votre jugement sur la force avec laquelle vous pouvez pousser la pièce en place si elle ne rentre pas facilement.

Étape 9: Acheminez le fil de signal

Une fois que toutes les pièces en acrylique sont en place, nous allons passer soigneusement le fil de signal 30 AWG dans le petit canal entre les pièces, comme indiqué ci-dessous, puis l'acheminer dans le canal contenant les fils d'alimentation. J'ai utilisé une pince à épiler pour le pousser doucement dans le canal et j'ai collé les fils avec du ruban adhésif pour peintre afin qu'ils ne sortent pas lors de l'assemblage des autres chiffres.

Étape 10: Répétez pour tous les chiffres et testez

Fatigué ? Il nous reste à assembler les pièces dans le chiffre de gauche. Le processus est le même que celui que nous venons de terminer, mais il est légèrement plus facile car (1) il n'y a pas de fil de signal de ce côté et (2) si vous avez coupé l'extrémité de la bande LED près du condensateur, aucun des les plots de soudure dans ce chiffre se chevaucheront (si pour une raison quelconque, ils le font, assurez-vous de placer un matériau isolant très fin entre eux). Assurez-vous que lorsque vous placez les pièces pour le chiffre de gauche, vous exécutez la bande LED dans le motif d'image miroir du chiffre de droite, comme indiqué dans l'image du chemin avec les flèches bleues à l'étape 8.

Une fois que les deux chiffres sont complètement en place, connectez le signal d'alimentation et les fils de terre au microcontrôleur de votre choix et exécutez un programme de test pour vous assurer que la bande LED fonctionne correctement. Tout a fonctionné la première fois environ 50% du temps pour moi. Les problèmes les plus courants résultaient d'un fil déconnecté ou poussé en contact avec un autre plot de soudure.

Si tout semble bon, l'étape suivante consiste à insérer la bande LED et les segments acryliques dans les autres chiffres de l'écran, en suivant exactement le même processus. Testez chaque ensemble de chiffres une fois qu'ils sont terminés.

Étape 11: Incorporez la bande LED et l'acrylique pour les points

Ensuite, nous utiliserons de courts segments de la bande LED contenant seulement deux pixels pour éclairer les points de l'écran. Il y aura une ou deux paires de points, selon que vous construisez l'affichage à 4 ou 6 chiffres. Les points sont beaucoup plus faciles à installer que les chiffres.

Coupez trois longueurs de fil de raccordement 26 AWG et soudez-les à l'extrémité d'entrée de la longueur de 2 pixels de la bande LED. Assurez-vous de marquer les extrémités de chaque fil afin que vous sachiez qui est 5V, signal et GND. J'ai utilisé des sharpies rouges, bleus et noirs pour colorer une partie de l'isolation sur chaque fil. Décollez le support adhésif de la bande LED et insérez et collez la bande LED sur la paroi arrière de la fente avec les fils suspendus le long du canal vertical et sortant au bas du cadre.

Trouvez les petits points acryliques qui s'insèrent dans le cadre. Couvrez leur périmètre avec une feuille de vinyle, comme vous l'avez fait pour les segments. Placez-les dans leurs espaces individuels avec le côté gravé vers le haut et la LED et le condensateur de la bande LED nichés dans leurs encoches respectives.

Lorsque tous les points et chiffres sont terminés, votre affichage doit ressembler à la dernière image.

Étape 12: Couvrez et sécurisez l'écran

Une fois que tous les chiffres et points ont été assemblés et que toutes les bandes LED ont été testées, nous placerons l'autre couvercle acrylique mince sur eux. Dévissez les écrous des vis M2, en laissant les vis en place, et retirez soigneusement tout ruban adhésif qui maintient les fils en place. Abaissez soigneusement le couvercle supérieur en acrylique transparent sur le cadre, en insérant les vis dans les trous du couvercle et en veillant à ce que tous les fils restent dans leurs canaux respectifs. Lorsque tout est au bon endroit, vissez et serrez fermement les écrous.

Étape 13: Fixez le boîtier

Nous allons maintenant fixer l'écran au couvercle du boîtier. Posez le couvercle à côté de l'écran de sorte que les fils s'alignent avec les trous du couvercle. Le couvercle n'est PAS symétrique, car les fils des points ne sont pas à mi-chemin entre les chiffres, il n'y a donc qu'une seule orientation dans laquelle l'alignement est parfait.

Faites passer les extrémités de chaque jeu de fils à travers leurs trous correspondants dans le couvercle par le haut, puis déplacez soigneusement l'écran vers le couvercle de sorte que les languettes de l'acrylique s'insèrent dans les fentes rectangulaires du couvercle. Vous aurez probablement accompli cela par petits incréments. Placez les extrémités de chaque fil dans les trous et faites glisser doucement le couvercle le long des fils, en rattrapant alternativement le mou dans chaque groupe de fils au fur et à mesure. Faites très attention à ne pas tirer trop fort sur un fil. Par expérience, c'est une grande déception de déconnecter un fil à ce stade. Insérez doucement les languettes dans les fentes. L'ajustement n'est pas très ajusté, vous voudrez donc coller les languettes dans les fentes (en utilisant JB Weld ou un adhésif similaire qui fonctionne à la fois sur l'acrylique et le bois) une fois que tous les composants électroniques sont connectés et testés.

J'ai fait passer quelques élastiques autour de l'écran et du couvercle du boîtier pour les maintenir bien ajustés pendant que je travaillais sur le câblage. Dans l'image ci-dessus, j'ai soudé les 5 fils d'alimentation d'un groupe et les 5 fils de terre d'un autre groupe, et j'ai joint chaque groupe à un seul fil d'entrée, puis j'ai recouvert tous les joints de soudure avec beaucoup de gaine thermorétractable.

Étape 14: Fixez un microcontrôleur (ou deux)

Il existe de nombreuses façons de connecter un contrôleur à l'écran. Vous pouvez souder les fils directement à votre contrôleur, mais je préfère attacher des connecteurs aux fils, laissant la possibilité d'échanger les microcontrôleurs. J'ai combiné tous les fils d'alimentation et tous les fils de terre ensemble, et j'ai soudé chacun des 5 fils de signal à un seul connecteur à 5 broches.

J'ai essayé plusieurs contrôleurs différents avec l'écran à sept segments éclairé par les bords. J'aime le prototypage de code pour les bandes LED dans CircuitPython car il est rapide et facile de mettre quelque chose en service. Il y a beaucoup de pixels à contrôler, j'ai donc opté pour l'Adafruit Itsy Bitsy M4 Express qui est basé sur une carte ATSAMD51 et est assez rapide et puissant pour contrôler les 88 LED RVB de l'horloge à 6 chiffres, mais assez petit pour s'adapter facilement dans l'enceinte. L'Itsy-Bitsy M4 Express a bien fonctionné, mais je voulais aussi une connectivité IoT, j'ai donc essayé d'exécuter le code de l'affichage sur une carte ESP32. J'ai eu des problèmes pour contrôler les couleurs de la bande lorsque je suis connecté à Internet - similaire à ce problème: https://github.com/adafruit/Adafruit_NeoPixel/issues/139. La meilleure solution consistait à contrôler les bandes LED à partir de la carte Itsy Bitsy et à utiliser un ESP8266 (le Lolin D1 Mini Pro) pour récupérer périodiquement l'heure correcte sur Internet et l'envoyer à l'Itsy Bitsy via une communication série.

Le schéma montre le câblage de l'affichage à 6 chiffres. Pour l'adapter à l'affichage à 4 chiffres, omettez simplement « Dot Strip 2 » et « Num Strip 3 ». La communication entre le Lolin D1 Mini et le Itsy Bitsy étant unidirectionnelle, il suffit de connecter le Lolin TX au Itsy Bitsy RX. J'ai utilisé une carte de dérivation micro-USB pour obtenir une entrée d'alimentation 5V via un câble micro-USB.

Étape 15: codage de l'affichage

L'affichage est codé comme une horloge, mais il existe de nombreuses fonctionnalités supplémentaires potentielles supplémentaires. Il peut s'agir d'un compte à rebours, d'un affichage de la température, d'un affichage du nombre d'abonnés sur les réseaux sociaux ou, en gros, d'un affichage de toute mesure pouvant être représentée par des nombres.

Code Arduino

J'ai programmé le Lolin D1 Mini Pro avec l'IDE Arduino. Le code, dans le fichier ".ino" joint, se connecte à Internet et utilise la bibliothèque "NTPClient" (disponible via le gestionnaire de bibliothèque Arduino) pour obtenir l'heure correcte. L'objet NTPClient lit l'heure du serveur NTP toutes les 10 minutes. Il formate et envoie une chaîne de temps sur le port série toutes les 10 secondes.

CircuitCode Python

Le code Circuit Python, dans le fichier ".py" joint, exécuté sur Itsy Bitsy interroge le port série pour lire les chaînes de temps envoyées par l'ESP8266. Il définit une nouvelle heure de base avec chaque nouvelle chaîne d'heure qu'il reçoit, puis suit l'heure actuelle à l'aide de la fonction monotone () de la bibliothèque de temps.

Le code utilise la bibliothèque adafruit_fancyled pour choisir les couleurs au format HSV et appliquer la correction gamma avant qu'elles ne soient affichées. La couleur des chiffres évolue sur un cycle de 60 secondes qui redémarre au début de chaque minute. Les indices des segments requis pour afficher un nombre donné sur les LED sont stockés sous forme de bits dans le tableau digitSegments et décompressés dans la fonction drawStripDigit.

Étape 16: Ouf

Si vous êtes arrivé jusqu'ici, tant mieux pour vous ! J'espère que ce projet vous plaira. C'était beaucoup de travail, mais assez gratifiant à faire.