Fliptube - Die mechanische 7-Segment Anzeige


Bild "7-Segment_MakerFaire.jpg"

Eigentlich ging es mir darum, auf der Maker Faire Berlin 2018 eine Anwendung für unseren selbstentwickelten Arduino mit H-Brückenausgängen ("c-trone") zu zeigen. Es hätte vermutlich gereicht ein paar Motoren hin- und her zu drehen.
Dann kam mir die Idee, das Umpolen der DC-Motoren für eine 7-Segment Anzeige zu verwenden, bei der Walzen gedreht werden, die halb farbig und halb schwarz sind, um so die Segmente "hell" oder "dunkel" zu schalten.

Die Zutaten


Bild "7-Segment_Motoren.jpg"
Mein Ausgangspunkt waren Motoren, die ich aus alten Kassenttenrekordern ausgeschlachtet hatte. Diese Bauform war hier wichtig, da die Segmente so sehr dicht aneinander platziert werden konnten. Mit längeren Motren müsste man sich eine andere Konstruktion einfallen lassen (siehe unten).

Bild "7-Segment_Isolationsrohr.jpg"
Die Segmente bestehen aus Kabel-Isolationsrohr mit 32mm Durchmesser, das es als zweimeter Stücke im Baumarkt gibt. Günstig und leicht.

Bild "7-Segment_Platte.jpg"
Die Frontplatte wurde aus 3mm dickem, schwarzen Plexiglas gelasert. Wer keinen Zugang zu einem Lasercutter hat, wird die Ausschnitte wohl oder übel mit Laubsäge und Feile erstellen müssen.

Außerdem benötigt man noch einen Mikrocontroller mit H-Brücken-Ausgängen.
Das kann unsere c-trone sein (siehe c-hack.de/projekte/c-trone) oder ein Arduino mit Motor-shield.

Bild "7-Segment_c-trone-0.JPG"

Mechanische Arbeiten


Bild "7-Segment_Kreissäge.jpg"
Am einfachsten erstellt man die winkelgenauen Schnitte auf der Tischkreissäge. Allerdings geht es auch von Hand mit einer Gehrungslade und Fuchsschwanz.

Bild "7-Segment_Rohrstuecke.jpg"
Sieben Rohstücke mit je 12cm Länge.

Bild "7-Segment_OpenSCAD.png"
Die Motorhalter sind in OpenSCAD erstellt und somit an andere Motor- oder Rohrdurchmesser anpassbar.
Den Sourcode gibt es unten am Ende des Artikels zum Download.

Bild "7-Segment_3D-Druck.jpg"
Ein Satz Motor- und Wellenlager. Sieben Stück werden benötigt.

Bild "7-Segment_Lack.jpg"
Ich habe die Rohre dann mit Acryllack vom Lebensmitteldiscounter schwarz gespritzt...

Bild "7-Segment_DCFix.jpg"
... und dann zur Hälfte mit DC-Fix Klebefolie bekelbt. Die Farbwahl ist natürlich beliebig. Gut wäre auch Tagesleuchtfarbe.

Bild "7-Segment_Bauteile.jpg"
Die Rohrstopfen ahbe ich mit Sekundenkleber in die Rohrsegmente geklebt. In meinem Prototyp kam doppelseitiges Klebeband zum Einsatz um die Segmente auf der Platte festzukleben. Für den Dauerbetrieb sollten sie aber solider verklebt werden - z.B. mit UHU Plus.

Bild "7-Segment_1xSegment.jpg"
So sieht ein einzelnes Segment aus.

Bild "7-Segment_Motor-detail.jpg"
Hier sieht man ganz gut das Grundprinzip: Die Nase am Rohstopfen sorgt dafür, dass sich das Segment nur um 180 Grad drehen kann. Allerdings kann es bei den Ecksegmenten dazu kommen, dass sich diese Nasen verhaken. Siehe Verbesserungsvorschläge am Ende des Artikels.

Bild "7-Segment_Rueckseite.jpg"
Damit das Ganze auch von der Rückseite einen aufgeräumten Eindruck macht, verwende ich lange Trinkhalme (Marke Ballermann) als Kabelkanäle.

Bild "7-Segment_Achse.jpg"
Hier zeigt sich, warum das Design auf kurzen Kassettenrekorder-Motoren beruht. Bei den Ecken verläuft die Achse hinter dem Motor. Das ist nur möglich, wenn der Motor ca. 10mm lang ist.

Elektronik


Unser Power-Arduino Klon entspricht exakt dem Arduino Uno mit zusätzlichen L298 H-Brückentreibern auf der Platine. Natürlich kann man auch einen Arduino verwenden und die H-Brückentreiber auf Lochrasterplatte dazu bauen. Oder man setzt ein Motorshield ein.

Bild "7-Segment_c-trone.jpg"

Damit nicht jeder Motor eine eigene H-Brücke braucht (das würde vier L298 erfordern) sind alle Motoren mit einem Pol an eine gemeinsame Leitung angeschlossen. Jeweils der andere Pol hängt an einer Halbbrücke. Die Motoren können daher nur einzeln angesteuert werden. Das ist auch deshalb sinnvoll, da selbst diese kleinen Motoren im Anlauf 1A konsumieren. Bei gleichzeitiger Drehung aller Segmente bedeutete das also 7A Spitzenstrom.
Durch die sequenzielle Umschaltung der Segmente kommt es also maximal nur zu einem Strom von 1A, der aus einem kleinen Steckernetzteil bezogen werden kann.

Bild "7-Segment_Prinzipschaltbild.png"

Hier das Prinzipschaltbild der halben H-Brücken - zum besseren Verständnis hier mit mechanischen Schaltern dargestellt. Die L298 Brückentreiber enthalten natürlich bi-polare Transistoren.  


Software


Die Software ist derzeit noch recht rudimentär. Sie stellt sicher, dass zunächst der gemeinsame Pol aller Motoren zuerst nach +12V geschaltet wird und dann hintereinander jeder Motor mit der gewünschten Spannung (0V oder 12V) 250ms lang angesteuert wird. Danach wird der gemeinsame Pol auf 0V gelegt und das Procedere wiederholt.

In der ersten Version der Software zählt die Ziffer einfach von 0 bis 9 herauf und wiederholt das ständig. Alle zwei Sekunden ändert sich die Anzeige. Viel schneller ist nicht möglich wegen der sequenziellen Ansteuerung der sieben Segmente.
Aber für eine Uhr, die nur jede Minute einen neuen Wert anzeigen muss, ist das auf jeden Fall ausreichend schnell.

Download der Software siehe unten.

Die komplette Anzeige


Bild "7-Segment_komplett.jpg"

Download


Hier der aktuelle Stand der Entwicklung. Inhalt der Zip-Datei:

7-Segment-Anzeige (c-trone).zip

Die nächste Version


Nachdem die Anzeige 2 1/2 Tage auf der Maker Faire ihre Dienste getan hat, zeigt sich weiterer Entwicklungsbedarf.

  1. Irgendwie ist eine einstellige Zahl ziemlich sinnlos. Oft wurden wir gefragt, was hier angezeigt wird. Es müssen also noch weitere drei Stellen her, so dass wir die Uhrzeit anzeigen können.
  2. Die provisorische Klebung mit doppelseitigem Klebeband hat nicht durchgehalten. ich werde die PLA-Teile mit 5min-Epoxy auf die Plexiglasplatte kleben.
  3. Die "Nasen" an den Enden der Segmente, die dafür sorgen, dass sich das Segment nur um eine halbe Umdrehung bewegt, verhaken sich an den Ecken mit dem Nachbarsegment. Viel besser wäre es, diesen Stopp in der Mitte des Segments anzubringen.
  4. Die derzeitige Bauweise ist auf Kassettenrekordermotoren angewiesen, die nur ca. 10mm lang sind. Einer der Besucher unseres Standes hatte die Idee ganz normale DC-Motoren mit größerer Länge zu verwenden und diese dann ins Rohr zu integrieren. Da es sich ja nur eine halbe Umdrehung vor- und zurück macht kann man die Zuführungen ganz normal mit Litze machen. Schleifkontakte sind nicht nötig.

Man könnte die Anzeige auch wesentlich größer machen. da ja lediglich Rohre gedreht werden müssen, sollte eine Segmentlänge von einem Meter machbar sein.