Pantalla de reloj de siete segmentos con iluminación de borde: 16 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:40

Las pantallas de siete segmentos han existido durante más de un siglo (https://en.wikipedia.org/wiki/Seven-segment_display) y forman la forma familiar de los números en relojes digitales, paneles de instrumentos y muchas otras pantallas numéricas. En muchos casos, han sido reemplazados por pantallas, pero desde el punto de vista de la eficiencia, es difícil discutir la brevedad de codificar el estado de una pantalla numérica en solo 7 bits de información (cada segmento activado o desactivado).

La mayoría de las pantallas de siete segmentos son monocromáticas, por lo que esta versión con iluminación de borde agrega interés visual al utilizar las capacidades a todo color de las tiras LED RGB económicas para iluminar cada dígito e incluso cada segmento (o incluso medio segmento) de la pantalla en un color diferente.. Incrustar los segmentos de acrílico transparente en un marco de acrílico más grande le permite ver completamente a través de toda la pantalla, que es otro aspecto único de este proyecto.

-Descargo de responsabilidad---

Esta construcción combina pequeñas docenas de pequeñas piezas acrílicas cortadas con láser que encajan con tolerancias muy ajustadas. Utiliza tiras de LED delgadas (4 mm de ancho) que deben soldarse, doblarse y luego colocarse entre esas piezas acrílicas. Al ensamblar las piezas, debe estar dispuesto a forzar las piezas en su lugar, aunque se sienta como si estuviera estresando el acrílico quebradizo. También debe estar dispuesto a quitar y volver a colocar dichas piezas y tiras de LED cuando resulte que * no * pueden colocarse a la fuerza en su lugar. En algún momento durante el montaje, existe una gran probabilidad de que tenga que quitar todo y volver a soldar su tira de LED cuando se dé cuenta de que al forzar todo en su lugar, se rompió uno de los cables de su tira de LED o se creó un cortocircuito.

Dicho todo esto, este es un proyecto gratificante si tiene paciencia y está dispuesto a reelaborar la alineación hasta que todo encaje en su lugar.

Este artículo describe la estructura de la pantalla de 6 dígitos. Es un poco más fácil construir la pantalla de 4 dígitos y los pasos son básicamente los mismos para ambos, por lo que probablemente sea mejor comenzar con la pantalla de 4 segmentos a menos que se sienta muy seguro.

Suministros

Consumibles--

Las cantidades necesarias dependen de si está construyendo la pantalla de 4 o 6 dígitos.

• Hoja de madera de 1/8 ″ de grosor para corte con láser
• Acrílico transparente de 1/16 ″ para corte con láser
• Acrílico transparente de 1/4 ″ para corte con láser
• Tira de LED delgada (4 mm de ancho) SK6812 3535 RGB con 60 LED / m (como esta)
• Lámina de vinilo adhesivo *** QUE NO ES CONDUCTIVA *** (Usé esta lámina adhesiva de Cricut)
• Cable de conexión sólido de 26 AWG con aislamiento blanco
• Cable trenzado de 30 AWG con aislamiento blanco
• Una pequeña cantidad de cinta adhesiva
• Tornillos M2 de 5 o 7 x 12 mm y tuercas M2
• Microcontrolador capaz de controlar la tira de LED
• Fuente de alimentación para MicroController y tira de LED.
• Pegamento de madera
• Pegamento JB Weld (o similar) que puede adherir acrílico a la madera
• 3-4 x tornillos M3 y tuercas M3 (opcionales pero útiles)

Instrumentos--

• Soldador / soldador
• Cortador / pelacables
• Cortadora láser (o un servicio en línea como Ponoko)

Paso 1: Archivos de diseño y corte por láser

Hay seis archivos vectoriales para corte por láser, tres cada uno para la construcción de 4 o 6 dígitos. Las formas cortadas con láser tienen un tamaño que se ajusta exactamente a los LED y los condensadores en una tira de tamaño 3535 de 60 LED / metro, así que no los cambie de tamaño antes de cortarlos con láser.

• Cortar SevenSegmentBase4Digits.svg o SevenSegmentBase6Digits.svg de madera de 1/8 ″
• Corte EdgeLitSevenSegment4Digits.svg o EdgeLitSevenSegments6Digits.svg de una hoja de acrílico transparente de 1/4 ″.
• Corte EgeLitSevenSegmentCover4Digits.svg o EdgeLitSevenSegmentCover6Digits.svg de una hoja de acrílico transparente de 1/16 ″.

Paso 2: Tolerancias

Las tolerancias para este proyecto son muy ajustadas y los segmentos tienen muescas que están exactamente espaciadas y * solo * lo suficientemente grandes para sostener los LED y los capacitores en la tira acrílica (ver imagen).

Debido a que las tiras de LED varían entre los fabricantes, querrá verificar el espacio y el tamaño de los LED y los capacitores en su tira de LED para confirmar que se alinean con las muescas que se muestran en el archivo SVG. Puede probar el diseño antes de realizar el corte con láser imprimiendo una imagen a escala de los segmentos y viendo si las muescas se alinean con su tira de LED. Si el tuyo no encaja exactamente, la construcción no funcionará. Sin embargo, si es bueno con CAD, debería poder modificar el espaciado de las muescas en el archivo SVG para que coincida con su tira.

Paso 3: cortar y construir el gabinete

Corte las piezas de la caja de madera de 1/8 ″ de su elección. Olvidé fotografiar este paso, pero primero tome las piezas de la tapa exterior e interior (los contornos que se muestran en las imágenes) y péguelas con pegamento para madera para que los orificios queden alineados entre sí. La pieza más grande es la parte exterior de la tapa y la pieza más pequeña se colocará dentro del recinto.

Tenga en cuenta que la ubicación de los orificios no es totalmente simétrica, por lo que la orientación de las piezas de la tapa es importante. Asegúrese de que * TODOS * los agujeros estén alineados cuando alinee las piezas. Sujete las piezas juntas o use tornillos M3 y tuercas a través de los orificios para sujetarlas juntas mientras se secan.

Ensamble el cuerpo del gabinete colocando las piezas como se muestra en la imagen, aplicando pegamento en los bordes y deslizando las ranuras y pestañas correspondientes juntas. Sujete o pegue las piezas con cinta adhesiva mientras se seca el pegamento para madera.

Paso 4: corte con láser el acrílico

Corte las piezas de la cubierta de una lámina acrílica transparente de 1/16 ″ (que se muestra como contorno vectorial en las imágenes).

Corte el cuerpo del reloj principal y los segmentos de una lámina acrílica transparente de 1/4 ″. Las piezas contienen detalles muy pequeños, así que asegúrese de que el corte esté lo suficientemente limpio como para que los pequeños bultos no se rompan cuando separe las piezas. Mantenga las piezas de acrílico que se muestran en la última imagen de este paso.

Continúe y retire cualquier papel protector de * todas * las piezas acrílicas. Te llevará un tiempo y, con suerte, aún te quedarán algunas uñas cuando hayas terminado.

Paso 5: cubra los bordes de todos los pequeños segmentos acrílicos

Los segmentos y puntos acrílicos son muy pequeños y permitirán que se desvanezca mucha luz si no enmascaramos los bordes. Para ello utilizaremos la lámina adhesiva * NO CONDUCTIVA *.

Usé un cortador de vinilo para cortar el papel de aluminio en tiras largas de 1/4 ″. Si no tiene un cortador de vinilo, puede usar un cuchillo exacto o unas tijeras para cortar tiras de 1/4 ″ de pulgada (vea la primera imagen).

Use las tiras de papel de aluminio para cubrir todos los bordes * excepto el que tiene las muescas * de los pequeños segmentos y puntos, como se ve en la segunda imagen. Es más fácil cubrir los bordes del acrílico con un trozo largo de papel de vinilo y alisarlo con una presión firme antes de cortar el exceso.

Además, tome 4 o 6 de los cuadrados acrílicos (dependiendo de si tiene una pantalla de 4 o 6 dígitos) y cubra * un * borde de cada cuadrado con una tira de papel de vinilo como se ve en la tercera imagen.

Paso 6: coloque la cubierta y el marco acrílico principal

Tome una de las piezas de cubierta acrílica de 1/16 ″ y la pieza grande de 1/4 ″ (que se muestra cubierta con papel protector en la primera imagen) y alinéelas de modo que los pequeños orificios estén uno encima del otro. Inserte un tornillo M2 en cada orificio de modo que el tornillo entre a través de la pieza de la cubierta y salga del marco acrílico de 1/4 ″. Atornille las dos piezas acrílicas juntas como se muestra a continuación. Tenga en cuenta la orientación de los dos puntos en relación con la ranura debajo de ellos. Asegúrese de orientar el marco en la parte superior de la cubierta de modo que los dos puntos queden a la izquierda de la ranura. Estamos mirando hacia la parte posterior de la pantalla.

Paso 7: suelde las tiras de LED

De la tira de LED, corte dos o tres tiras más pequeñas (para las pantallas de 4 o 6 dígitos respectivamente) de 28 píxeles cada una (primera imagen) para iluminar los dígitos, y uno o dos segmentos de 2 píxeles cada uno para iluminar los puntos. Asegúrese de mantener las almohadillas de soldadura en el lado de entrada de datos de la tira. Recorte el extremo de salida de la tira bastante cerca del condensador final, no es necesario mantener las almohadillas allí, porque hay * solo * espacio suficiente para que quepa la tira. Trate de evitar incluir cualquier unión (que suele ocurrir cada 30 píxeles) dentro de la tira, ya que el espaciado exacto de los LED es importante.

Para cada tira de 28 píxeles, corte dos tramos de cable de conexión sólido de 26 AWG y un tramo de cable trenzado de 30 AWG, todos con aislamiento blanco. Utilice longitudes de aproximadamente 8 pulgadas. Usaremos el cable trenzado como señal y el cable de conexión para proporcionar energía.

En el lado de entrada de la tira, aplique soldadura SOLAMENTE a la almohadilla de señal, luego pele y estañe la punta del cable trenzado de 30 AWG, y suéldelo a la almohadilla, teniendo cuidado de que no haya hebras sueltas en cortocircuito a los 5V o Líneas GND (segunda imagen).

Ahora aplique soldadura a las almohadillas de 5V y GND que acaba de limpiar en el lado * BACK * de la tira de LED, pele y estañe las puntas de los cables 26 AWG, luego suéldelas a las almohadillas de alimentación. Doble con cuidado los cables hacia arriba en un ángulo de 90 grados justo después de la unión soldada. Los cables deben verse como los de la tercera imagen.

Dado que ambos cables de alimentación son blancos, marque los extremos con un marcador para que pueda distinguirlos más adelante, como se muestra en la última imagen.

Es una buena idea probar las conexiones ahora antes de colocar el cable dentro del marco de la pantalla. Asegúrese de que todos los LED se enciendan y no haya cortocircuitos. El siguiente paso es ensamblar las piezas acrílicas y las tiras de LED para los dígitos en la pantalla. Repetiremos el mismo proceso para cada par de dígitos.

Paso 8: incruste la tira de LED y los segmentos para los dígitos en el marco acrílico

Ahora comenzaremos a agregar la tira de LED y las piezas del segmento acrílico en el marco. Comenzaremos desde el medio de la tira y trabajaremos hacia afuera con cada mitad de la tira siguiendo el camino que se muestra en la primera imagen.

Tome la tira de LED de 28 píxeles y colóquela en el marco como se muestra para que los cables de alimentación encajen en la ranura que cuelga entre los dígitos, y hay 14 LED disponibles para cada dígito. El extremo de entrada de la tira de LED, que contiene el cable de señal, debe ir dentro del extremo derecho (desde nuestra vista actual) de los dos dígitos. Adjuntaremos esta tira de LED alrededor del perímetro de cada pantalla de siete segmentos. Despegue el papel del centro de la tira a medida que avanza, pero solo pegue una pequeña parte de la tira a la vez, porque probablemente tendrá que quitar y volver a colocar partes de ella periódicamente para asegurarse de que las piezas del segmento encajen correctamente.

Reúna un dígito a la vez, comenzando por el más a la derecha de los dos dígitos (el que contiene el cable de entrada de señal). Cada uno de los siete pequeños segmentos del dígito corresponde a dos LED en la tira. Alterne pegando dos píxeles de la tira de LED, luego agregue un segmento. Coloque todos los segmentos pequeños con el lado grabado hacia arriba. Los efectos de iluminación de los bordes se ven mucho mejor si hay algún grabado en la parte posterior del acrílico iluminado. Si no está seguro de qué lado está grabado, raspe ambos lados con una uña y podrá sentir las ranuras en el lado grabado.

Coloque los segmentos en el marco a medida que avanza. Es importante que todo encaje bien, por lo que cada vez que pegue parte de la tira acrílica, presione el segmento en su lugar en la parte superior de la tira y asegúrese de que los segmentos encajen bien en el perímetro del dígito. Una pequeña pinza es útil si necesita levantar y volver a colocar la tira de LED.

Después de que los primeros tres segmentos estén en su lugar, coloque un cuadrado de acrílico en el medio del "bucle" inferior del dígito. Utilice el cuadrado de acrílico que tiene una lámina de vinilo que cubre un borde. La lámina debe estar en el borde del cuadrado más cercano a la mitad del dígito. Es más fácil colocar el cuadrado colocándolo en el "bucle" superior y deslizándolo hacia abajo hasta que descanse entre los segmentos.

Continúe colocando el resto de la tira de LED alrededor del perímetro del dígito como se muestra, pero espere a insertar las piezas del segmento acrílico. Cuando llegue al final, pegue los dos últimos píxeles de la tira de LED sobre la lámina de vinilo que cubre el borde superior del cuadrado. El último juego de almohadillas de soldadura en esta parte de la tira se superpondrá a las almohadillas de soldadura en una parte anterior de la tira (vea la imagen a continuación). Antes de pegarlo, es importante colocar una pieza * muy delgada * de aislamiento entre las dos partes de la tira. Corté un pequeño trozo de cinta adhesiva y lo pegué en la parte inferior de las almohadillas al final de la tira.

Agregue las últimas piezas del segmento acrílico. Cuando llegues al final de la tira, ten mucho cuidado cuando los coloques para no desalojar el cable de señal conectado al final de la tira. (Hice esto, y tuve que quitar todas las piezas y la tira de LED y comenzar de nuevo. No es el fin del mundo, pero es un dolor) Asegúrese de que el cable de señal se extienda fuera del dígito, como se muestra en la última imagen.

Desliza el último cuadrado en su lugar en la parte superior del dígito. Este cuadrado no tiene ninguna lámina de vinilo. El ajuste quedará bastante ceñido. La forma más fácil de colocar el cuadrado es empujar la parte inferior del cuadrado en su lugar primero y aplicar una presión ligera a moderada (no debería tener que sudar) hacia abajo mientras encaja en la parte superior del cuadrado. Los canales verticales entre los dígitos para los cables hacen que la parte inferior del dígito sea un poco más flexible que la superior. Tendrá que usar su juicio sobre la fuerza con la que puede empujar la pieza en su lugar si no entra fácilmente.

Paso 9: enrute el cable de señal

Una vez que todas las piezas de acrílico estén en su lugar, pasaremos con cuidado el cable de señal de 30 AWG a través del pequeño canal entre las piezas como se muestra a continuación, luego lo encaminaremos hacia el canal que contiene los cables de alimentación. Usé unas pinzas para empujarlo suavemente en el canal y pegué los cables con cinta de pintor para que no salieran mientras ensamblaba los otros dígitos.

Paso 10: Repita para todos los dígitos y pruebe

¿Estás cansado todavía? Todavía tenemos que ensamblar las piezas en el dígito izquierdo. El proceso es el mismo que el que acabamos de completar, pero es un poco más fácil porque (1) no hay cable de señal en este lado y (2) si recortó el extremo de la tira de LED cerca del capacitor, ninguno de los Las almohadillas de soldadura en este dígito se superpondrán (si por alguna razón lo hacen, asegúrese de colocar un material aislante muy delgado entre ellas). Asegúrese de que cuando coloque las piezas para el dígito izquierdo, ejecute la tira de LED en el patrón de imagen reflejada del dígito derecho, como se muestra en la imagen de la ruta con las flechas azules en el paso 8.

Una vez que ambos dígitos estén completamente en su lugar, conecte la señal de alimentación y los cables de tierra al microcontrolador de su elección y ejecute un programa de prueba para asegurarse de que la tira de LED esté funcionando correctamente. Todo funcionó la primera vez alrededor del 50% del tiempo para mí. Los problemas más comunes se debían a que un cable se desconectaba o entraba en contacto con otra almohadilla de soldadura.

Si todo se ve bien, entonces el siguiente paso es insertar la tira de LED y los segmentos acrílicos en los otros dígitos de la pantalla, siguiendo exactamente el mismo proceso nuevamente. Pruebe cada conjunto de dígitos una vez que haya terminado.

Paso 11: incruste la tira de LED y el acrílico para los puntos

A continuación, usaremos segmentos cortos de la tira de LED que contienen solo dos píxeles para iluminar los puntos en la pantalla. Habrá uno o dos pares de puntos, dependiendo de si está construyendo la pantalla de 4 o 6 dígitos. Los puntos son significativamente más fáciles de instalar que los dígitos.

Corte tres trozos de cable de conexión 26 AWG y suéltelos al extremo de entrada de la tira de LED de 2 píxeles de longitud. Asegúrese de marcar los extremos de cada cable para saber cuál es 5V, señal y GND. Usé marcadores rojos, azules y negros para colorear parte del aislamiento de cada cable. Despegue el respaldo adhesivo de la tira de LED e inserte y pegue la tira de LED a la pared posterior de la ranura con los cables colgando por el canal vertical y saliendo por la parte inferior del marco.

Encuentra los pequeños puntos acrílicos que encajan en el marco. Cubre su perímetro con papel de vinilo, tal como lo hiciste con los segmentos. Colóquelos en sus espacios individuales con el lado grabado hacia arriba y el LED y el condensador de la tira de LED en sus respectivas muescas.

Cuando todos los puntos y dígitos estén completos, su pantalla debería verse como la última imagen.

Paso 12: Cubra y asegure la pantalla

Una vez que se hayan ensamblado todos los dígitos y puntos y se hayan probado todas las tiras de LED, colocaremos la otra cubierta acrílica delgada sobre ellos. Desatornille las tuercas de los tornillos M2, deje los tornillos en su lugar y retire con cuidado la cinta que sujeta los cables en su lugar. Con cuidado, baje la cubierta de acrílico transparente superior sobre el marco, colocando los tornillos a través de los orificios de la cubierta y teniendo cuidado de que todos los cables permanezcan dentro de sus respectivos canales. Cuando todo esté en el lugar correcto, atornille y apriete las tuercas de forma segura.

Paso 13: coloque el gabinete

Ahora uniremos la pantalla a la tapa del recinto. Coloque la tapa junto a la pantalla de modo que los cables queden alineados con los orificios de la tapa. La tapa NO es simétrica, ya que los cables de los puntos no están a medio camino entre los dígitos, por lo que solo hay una orientación en la que la alineación es perfecta.

Pase los extremos de cada juego de cables a través de sus orificios correspondientes en la tapa desde la parte superior y luego mueva con cuidado la pantalla hacia la tapa para que las pestañas del acrílico encajen en las ranuras rectangulares de la tapa. Probablemente habrá logrado esto en pequeños incrementos. Coloque los extremos de cada cable a través de los orificios y deslice suavemente la tapa a lo largo de los cables, eliminando alternativamente la holgura en cada grupo de cables a medida que avanza. Tenga mucho cuidado de no tirar demasiado de ningún cable. Hablando por experiencia, es un fastidio desconectar un cable en este momento. Introduzca suavemente las pestañas en las ranuras. El ajuste no es muy ajustado, por lo que querrá pegar las pestañas en las ranuras (usando JB Weld o un adhesivo similar que funcione tanto en acrílico como en madera) una vez que todos los componentes electrónicos estén conectados y probados.

Pasé un par de bandas elásticas alrededor de la pantalla y la tapa del gabinete para mantenerlas bien juntas mientras trabajaba en el cableado. En la imagen de arriba, he soldado los 5 cables de alimentación en un grupo y los 5 cables de tierra en otro grupo, y uní cada grupo a un solo cable de entrada, luego cubrí todas las uniones de soldadura con muchos tubos retráctiles.

Paso 14: conecte un microcontrolador (o dos)

Hay muchas formas diferentes de conectar un controlador a la pantalla. Puede soldar los cables directamente a su controlador, pero prefiero conectar conectores a los cables, dejando la flexibilidad para intercambiar micro controladores. Combiné todos los cables de alimentación y todos los cables de tierra juntos, y soldé cada uno de los 5 cables de señal a un solo conector de 5 clavijas de encabezado.

Probé varios controladores diferentes con la pantalla de siete segmentos con iluminación de borde. Me gusta crear prototipos de código para tiras de LED en CircuitPython porque es rápido y fácil poner algo en funcionamiento. Hay muchos píxeles para controlar, así que opté por el Adafruit Itsy Bitsy M4 Express, que se basa en una placa ATSAMD51 y es lo suficientemente rápido y potente como para controlar los 88 LED RGB en el reloj de 6 dígitos, pero lo suficientemente pequeño como para caber. fácilmente en el recinto. El Itsy-Bitsy M4 Express funcionó bien, pero también quería conectividad IoT, así que intenté ejecutar el código para la pantalla en una placa ESP32. Tuve problemas para controlar los colores en la tira mientras estaba conectado a Internet, similar a este problema: https://github.com/adafruit/Adafruit_NeoPixel/issues/139. La mejor solución fue controlar las tiras de LED de la placa Itsy Bitsy y usar un ESP8266 (el Lolin D1 Mini Pro) para obtener periódicamente la hora correcta de Internet y enviarla al Itsy Bitsy mediante comunicación en serie.

El diagrama muestra el cableado para la pantalla de 6 dígitos. Para adaptarlo a la pantalla de 4 dígitos, simplemente omita “Dot Strip 2” y “Num Strip 3”. Dado que la comunicación entre el Lolin D1 Mini y el Itsy Bitsy es unidireccional, solo es necesario conectar el Lolin TX a Itsy Bitsy RX. Usé una placa de conexión micro-USB para obtener una entrada de alimentación de 5V a través de un cable micro-USB.

Paso 15: codificación de la pantalla

La pantalla está codificada como un reloj, pero hay muchas funciones adicionales potenciales adicionales. Podría ser un temporizador de cuenta regresiva, una pantalla de temperatura, una pantalla de conteo de seguidores de redes sociales o básicamente una pantalla de cualquier métrica que se pueda representar en números.

Código Arduino

Programé el Lolin D1 Mini Pro con el IDE de Arduino. El código, en el archivo ".ino" adjunto, se conecta a Internet y utiliza la biblioteca "NTPClient" (disponible a través del administrador de la biblioteca Arduino) para obtener la hora correcta. El objeto NTPClient lee la hora del servidor NTP cada 10 minutos. Formatea y envía una cadena de tiempo a través del puerto serie cada 10 segundos.

Circuito Código de Python

El código de Circuit Python, en el archivo ".py" adjunto, que se ejecuta en Itsy Bitsy sondea el puerto serie para leer las cadenas de tiempo enviadas desde el ESP8266. Establece un nuevo tiempo base con cada nueva cadena de tiempo que recibe, luego rastrea el tiempo actual usando la función monotonic () de la biblioteca de tiempo.

El código utiliza la biblioteca adafruit_fancyled para elegir colores en formato HSV y aplicar la corrección gamma antes de que se muestren. El color de los números evoluciona durante un ciclo de 60 segundos que se reinicia en la parte superior de cada minuto. Los índices de los segmentos necesarios para mostrar cualquier número dado en los LED se almacenan como bits en la matriz digitSegments y se descomprimen en la función drawStripDigit.

Paso 16: ¡Uf

Si has llegado hasta aquí, ¡bien por ti! Espero que disfrutes de este proyecto. Fue mucho trabajo, pero muy gratificante de hacer.