kaskadierfähige 7-Segment Anzeigen mit TWI (I2C) Anschluss

Hallo zusammen!

Ich hatte ja erst vor ein paar Wochen hier meine neue Alarmuhr (Ver. 3.0) mit 57mm hohen 7-Segment Anzeigen eingestellt.

Durch die Neugestaltung dieser Alarmuhr ist natürlich einiges an Hardware von der alten "2.0-Version" nun wieder in der Bastelkiste gelandet.
Da mir aber die großen 7-Segment Anzeigen zu schade waren um in der Bastelkiste herum zu liegen, habe ich nun endlich meine kaskadierfähigen 7-Segment Anzeigen realisiert.

Zur Ansteuerung der Module habe ich mich für den TWI (I2C) BUS entschieden.
Durch die Verwendung zwei verschiedener Bauteile (PCF8574 & PCF8574A) und verschiedener BUS-Adressen können auf diese Weise 16 Anzeigen hintereinander geschaltet werden..... wenn man denn so viele benötigt.

Damit die "Modul-Platine" auch genau hinter die 7-Segment Anzeige passt, habe ich alle Bauteile ins SMD-Ausführung vorgesehen.
Nach einigen Überlegungen, wie ich das Platinenlayout am besten gestalte und diversen Versuchen, ist nun diese Version entstanden:


Weil ich hier nun noch vier 7-Segment Anzeigen liegen hatte und wir im Haushalt noch eine weitere Alarmuhr benötigten hatte ich mich dazu entschlossen, eine modulare Alarmuhr mittels TWI (I2C) BUS zu erstellen.

Nun aber erst mal der Reihe nach......
Passend zum Layout für die kaskadierfähigen Module, folgt nun erst mal die Zeichnung:



Damit ich nicht zu viele einzelne Platinen fertigen musste.... ich aber auch keine ganze Platine für alle Module erstellen wollte, habe ich immer zwei Module auf eine Platine erstellt.


Eigentlich wollte ich die Module dann nach der Herstellung trennen......
Letztlich habe ich mich aber dafür entschieden immer zwei Module zusammen zu lassen.
Auf diese Weise konnte ich die Verbindungen teilweise auch mit "0 Ohm" SMD-Brücken herstellen.
Die fertig bestückte Platine könnt ihr hier sehen:



Damit waren nun alle Platinen-Module erstellt und mit aufgesteckten 7-Segment Anzeigen sieht es dann so aus:



Ach so....
Sollten euch kleine Unterschiede zwischen der fertigen Platine und dem Layout auffallen so liegt es daran, dass mir (wie meistens) bei der Herstellung einige Ideen mit Verbesserungen gekommen sind, die ich dann gleich im Layout geändert habe.


Im nächsten Beitrag folgen noch ein paar Hinweise zu den Details der Modul-Platine und dann geht es um die Steuer- bzw. Controllereinheit. :hello:

Grüße,
Cassio

Hallo Michael!

Doch, doch.... den SAA1064 habe ich hier auch noch liegen.

Zu Beginn wollte ich den für eine "Quick-and-dirty"-Lösung nehmen, damit ich die Alarmuhr schnell fertig bekomme.
Bei den ersten Überlegungen zu der Version habe ich mich dann ein wenig "geärgert", dass ich schon wieder ein neues Layout herstellen muss.... obwohl es um die gleichen 7-Segmente ging.
Da ich für meine Matrix-Anzeigen sowieso noch eine kaskadierfähige Variante erstellen möchte kam ich auf die Idee, dies nun auch für die 7-Segment Anzeigen zu realisieren.

Für das SAA1064 habe ich noch etwas anderes vorgesehen..... aber das kann noch etwas warten.
Ich danke dir daher schon mal für den Hinweis mit dem IC.


Grüße,
Cassio

Hallo!

Wie ihr auf der Zeichnung und dem Platinenlayout erkennen könnt, werden insgesammt sieben Kontakte von einer Platine zu Anderen durchgeschliffen.

Die oberen fünf Kontakte sind fest belegt mit:

Vled = Betriebsspannung (Anode) der Anzeige
GND = gemeinsames GND für die Anzeige und den IC`s
+5V = Versorgungsspannung für das PCF8574(A)
SDA = Dataleitung des TWI (I2C) BUS
SCL = Clockleitung des TWI (I2C) BUS

Die unteren beiden Kontakte sind frei verwendbar!


Ich habe allerdings eine Möglichkeit vorgesehen, den "zweiten" Anodenanschluss an den 7-Segment Anzeigen ebenfalls mit Vled zu verbinden.
Wenn dies gewünscht ist, muss man nur eine SMD-Brücke (1206) einlöten.


Das war es erst mal, zu den Modul-Platinen.
Wenn einer noch Fragen haben sollte.... dann raus damit.

Grüße,
Cassio

Hallo !

Weiter geht es mit der Controllereinheit.

Damit die Abmaße der 7-Segment Anzeigen nicht überschritten wurden, hatte ich mich für eine Sandwich-Bauweise entschieden.
Die Controllerplatine wird mittels Abstandhalter in der Mitte der Modulplatinen befestigt und sorgt damit noch für mechanische Stabilität.

Da zu Beginn der Entwicklung die Alarmuhr lediglich nur zwei Funktionen besitzen sollte, Uhrzeit via DCF77 und RTC sowie einen Alarm überwachen, hatte ich für die Controllerplatine nur den Platz von zwei Modul-Platinen vorgsehen.
Für die wenigen Funktionen sollte dann auch ein Mega8 ausreichen.

Wie es aber immer so ist, kommen einem doch die ein oder anderen Gedanken während der Programmierung und so habe ich am Ende eine Kompromisslösung geschaffen, die alle gedachten Funktionen und Speichergröße des Mega8 beinhalten.

Wichtige Punkte zum Betrieb waren dabei:

• DCF77-Synchronisierung
• RTC als Gangreserve
• mindestens eine Alarmzeit einstellbar
• Temperatur-Anzeige
• Datums-Anzeige
• separate Sekunden-Anzeige
• automatische Helligkeitsumschaltung aller Segmente (Tag und Nacht)
• Helligkeitswert nachträglich einstellbar
• Erweiterungsmöglichkeiten
• Anschlussmöglichkeit für meine ISE (I2C-Service-Einheit mit LCD)

Auf dieser Basis hatte ich dann den Schaltplan und die Platine gezeichnet:



Anschließend erfolgte wieder die Herstellung der Platine.....


...und die Bestückung.



Im Anschluss wurde ein erster Test gemacht, ob alle Einheiten auch wirklich zusammen passen würden:



Grüße,
Cassio

PS: Auch bei dieser Platine gilt wieder.....
Kleine Differenzen zwischen dem jetzt gezeigten Platinenlayout und der bereits gefertigten Platine dienen nur dem Fortschritt.

Hallo!

Weiter gehts....


Damit ich die Alarmuhr später auch einstellen kann, habe ich eine kleine Platine erstellt auf der sich später die Bedientaster befinden.
Zu Anfang wollte ich die Taster in einer Matrix anordnen...... letztlich benötige ich aber nur sieben bis acht Taster und das schafft der PCF8574A auch auf herkömmliche Weise.

Separate Tasten habe ich für folgendes vorgesehen:

• Snooze-Taste
• Alarm-OFF Taste
• Alarm-SET Taste
• Alarm Ein/Aus
• Stunden/Minuten Umschalter
• Plus
• Minus

Obendrein werden die folgenden Funktionen noch zusätzlich unterstützt:

• Datum anzeigen
• Sekunden anzeigen
• Helligkeit der LEDs einstellen

Auf Grund der wenigen Taster, fällt der Schaltplan nebst Platinenlayout auch recht simpel aus:



Wie auf den oben gezeigten Schaltplan, wie auch auf dem für die Controllereinheit zu sehen ist, verwende ich für den Anschluss externer Geräte und Platinen immer die selbe Steckerbelegung.
Auf diese Weise kann ich nun mit selbst erstellten Verbindern auch die Tasten-Platine mit der Controllereinheit verbinden.



Grüße,
Cassio

Hallo !

Die Helligkeitssteuerung der Anzeigen funktioniert nach folgendem Prinzip....

Jede Sekunde wird einmal die Raumhelligkeit über ein LDR-C Glied ermittelt.
In der Software gibt es dann zwei "Schwellwerte", die für volle Helligkeit und die gedimmte Variante verantwortlich sind.
Sobald der Sollwert für den Dimmer überschritten wird, werden die Anzeigen auf den vorher eingestellten Dimmwert abgedunkelt.

Zur Helligkeitssteuerung der Anzeigen hatte ich zu Beginn die Transistorstufe mit einer Soft-PWM Methode gesteuert.
Da aber die Bedientasten einen Interrupt an INT0 erzeugen und dann erst der TWI-BUS abgefragt wird, wurde für die Ausführung der ISR immer die Dimmung der Anzeigen unterbrochen.
Mit anderen Worten..... bei jedem Tastendruck wurden die Anzeigen für den Bruchteil einer Sekunde entweder ganz hell, oder waren kurz dunkel.

Natürlich tritt dieser Effekt nur selten auf..... ab es ärgerte mich trotzdem.

Aus diesem Grunde habe ich den PWM-Dimmer hardwaretechnisch ausgelagert.
In meinem Fundus an Bauteilen hatte ich noch ein paar PCA9533/1 IC`s.
Das PCA9533/1 ist ein vierfach LED-Dimmer mit TWI (I2C) Schnittstelle und zwei getrennten PWM-Kanälen.
Natürlich ist es für die Aufgabe ein wenig "überdimensioniert", weil ich letztlich ja nur einen Ausgang und einen PWM-Kanal brauchte, aber ich hatte sie gerade da und so entstand eine weitere Platine.

Da ich nun noch eine weitere Platine als Sandwich erstellen wollte, habe ich die drei freien LED-Ausgänge des IC`s mit SMD-LED`s versehen und nutze diese als "Serviceanzeige".

Ein großer Vorteil des IC`s ist auch, dass jeder Ausgang mit 25mA belastet werden kann, sonfern man die LED`s nach GND durchschaltet.

Hier nun wieder mal der Schaltplan und das Platinenlayout:


Wie auf den Bildern zu erkennen ist, habe ich vier SMD-LED`s verbaut.
LED 5 befindet sich an Ausgang 1 und zeigt zur Kontrolle den Dimmwert der Anzeigen an.
LED 6 befindet sich an Ausgang 2 und leuchtet rot, wenn vom DCF77-Signal die 15.Sekunde empfangen wurde.
LED 7 befindet sich an Ausgang 3 und leuchtet grün, wenn vom DCF77-Signal die Stunden- und Minuten-Paritäten ordnungsgemäß empfangen wurden.
LED 8 befindet sich an Ausgang 4 und leuchtet orange, wenn sich die Softclock mit dem DCF77-Signal synchronisiert hat.

Auf diese Weise kann ich später den DCF77-Empfang am gewählten Standort kontrollieren, ohne zusätzliche Hardware (Laptop oder meine ISE) verwenden zu müssen.


Ach so....
Auf der Controllerplatine befinden sich ebenfalls drei SMD-LED`s.
Eine Rote zeigt den Betrieb der 12V Versorgung an und eine Grüne signalisiert den Betrieb der 5V Versorgung.

Zur schnellen Überprüfung zum möglichen Empfang des DCF77-Signals, gibt es eine weitere grüne SMD-LED am oberen Ende der Controllerplatine (die mit einem Jumper ein- oder ausgeschaltet werden kann).
Wird nun das DCF77-Signal empfangen, blinkt die LED im Takt der eingehenden Signale.
Damit kann man recht schnell prüfen, ob am gewählten Standort auch wirklich ein Signal empfangen werden kann.


Wenn alles perfekt ist, dann leuchten später teilweise sieben LED`s im Inneren der Alarmuhr und das Ganze sieht dann so aus:
(Leider ist das Bild im Dunkeln etwas unscharf geworden)



Wie oben schon erwähnt, wurde die LED-Erweiterungseinheit als Sandwich über die Controllerplatine montiert.
Aus diesem Grunde konnte ich alle benötigten Pins mittels Stecker- und Buchsenleisten direkt von einer Platine zur Anderen übergeben und benötige keine weiteren Leitungen zur internen Vedrahtung.
In der Realität (und bei Licht) sieht das dann so aus:




Da ich durch den Aufsatz der LED-Platine meine ursprüngliche Anschlussmöglichkeit für die Bedientasten eingebüßt hatte, habe ich auf der neuen Platine gleich zwei weitere Abgänge für externe Einheiten vorgesehen.
Nun kann ich auch die Bedientasten und meine ISE gleichzeitig an der Alarmuhr betreiben.




Das war es dann fast erst mal zur Hardware der "modularen" Alarmuhr.
Eine Sache habe ich noch..... aber das folgt im nächsten Beitrag.

Grüße,
Cassio

Hallo !

Wie auf der Controllerplatine zu erkennen ist, habe ich zur Erzeugung der +5V Betriebsspannung einen Schaltregler LM2574N5 verwendet.

Das Problem, das sich im Nachhinein erst herausstellte, war der interne Takt des Schaltreglers von ca. 56kHz.
Diese Frequenz stört auf kurze Entfernung (bis ca. 25cm) den DCF77 Empfang vollständig.
Es ist also nicht ohne weiteres möglich beide Einheiten in einem Gehäuse zu betreiben.

Aus diesem Grunde habe ich eine kleine "Versorgungsplatine" erstellt, die mit einem 3,5mm Klinkenstecker ausgerüstet ist und aus den 12V eines Steckernetzteils die 5V Betriebsspannung mit einem LM2574 erzeugt.



Die GND-Fläche ist dabei großzügig ausgelegt und umschließt alle anderen Komponenten.
Diese kleine Platine wird nun noch in ein kleines Weißblechgehäuse untergebracht, welches ebenfalls mit GND verbunden wird.

Danach sollte sich das Problem mit der "unangenehmen" 56kHz "Störfrequenz" hoffentlich erledigt haben und ich kann die Versorgungseinheit trotzdem in das Kunststoffgehäuse der Alarmuhr integrieren.
Leider steht mir das Blechgehäuse noch nicht zur Verfügung, weshalb die tatsächliche Erfolgsmeldung noch aussteht.

Auf der Controllerplatine habe ich allerdings weiterhin den Schaltregler vorgesehen.....
Schließlich kann die Empfangseinheit ja auch separiert werden bzw. das gesamte Gehäuse der Alarmuhr als Abschirmung dienen.


Das war es nun aber zur gesamten Hardware, den Zeichnungen und Platinen.
Den Programmcode werde ich demnächst dann auch in einzelnen Teilen hier einstellen.

Grüße,
Cassio

Hallo Flo!

Ich habe die Gesamtstromaufnahme mal im Testbetrieb gemessen als alle Segemente eingeschaltet waren... also 8.8.8.8. und ohne Dimmfunktion.
Damit hatte ich dann trotzdem nur knapp 80mA Verbrauch.


Die Stecker sind von Reichelt....
Typ: PSK 254/...
Die Litzen habe ich aber aus einem geschirmten 6x0,14mm² Kabel heraus genommen.

Gruß,
Cassio

Hallo zusammen!

Es ist zwar in der Zwischenzeit einiges an Wasser den Berg hinunter gelaufen......
trotzdem arbeite ich hin und wieder an der Sache noch weiter.


Momentan bin ich gerade dabei, alles in die Gehäuse zu bauen.
Tja und da das bekannter Weise meine "Lieblingsarbeit" ist dauert das Ganze auch entsprechend lange.

Aktuell läuft bei mir der Versuch mit der gekapselten Versorgungseinheit.
Dazu hatte ich ja eine separate Platine mit dem LM2574 Schaltregler und den zugehörigen Bauteilen erstellt.
Dies kam nun alles in ein festes Weißblechgehäuse, welches über die Eingangsbuchse mit GND verbunden ist.

Die fertige Einheit sieht nun so aus:

Nach meinen letzten Tests kann ich die Versorgung nun auch ruhig in die Nähe des DCF77-Empfängers bringen und das Signal wird trotzdem noch empfangen.

Wie gut bzw. fehlerfrei das Signal jedoch ist, werde ich wohl erst in ein paar Tagen wissen.


Und so sieht die Einheit von Innen aus:


Da ich GND als Massefläche ausgelegt habe, könnte ich auch noch eine Verbindung zum Gehäuse anlöten......

....aber es geht auch über die Klinkenbuchse.



Sobald es die ersten sehenswerten Bilder vom großen Gehäuse gibt, mit dem ich heute mal etwas begonnen habe, werde ich die natürlich noch nachreichen.
Bis dahin....

Grüße,
Cassio

Hallo Michael!

Nun ja, erwartet hatte ich das auch.... wie das aber manchmal so ist mit Theorie und Praxis.
Einen Käfig würde ich dazu nun nicht mehr sagen, schließlich hat er keine Löcher die je nach Frequenz eine gewisse Größe nicht überschreiten dürfen..... aber der Effekt ist mit der "Blechdose" wohl der Selbe.

Das Gehäuse habe ich von Pollin ( hier der Link )...... und für die 1,95 Euro fällt es doch recht stabil und gut verarbeitet aus.
Ich hoffe die erhöhen die Preise nun wegen des Beitrages nicht.


Grüße,
Cassio

Hallo zusammen!

Vielleicht hat ja noch jemand eine Idee.....
denn ich verzweifel hier gerade.

Damit meine kleine Alarmuhr auch ein passendes Gehäuse bekommt,
habe ich mir DIESES HIER besorgt.

Es dient also zur Aufnahme der Platinen und die Front wird dann eine andere..... und nicht der schwarze Deckel.


Wenn ich nun meine gesamte Einheit in das Gehäuse bringe, ist der DCF77-Empfang gestört.
Es blinkt zwar meine Kontroll-LED...... allerdings ist das teilweise eher ein Flackern.
An meiner Versorgungseinheit kann es auch nicht liegen, da ich ja extra in ein separates Blechgehäuse verwende.
Um aber eine Beeinflussung völlig ausschließen zu können, habe ich es mal ca. 25cm entfernt.
Das Ergebnis ist jedoch das Selbe. Der DCF-Empfang ist unregelmäßig.


Ziehe ich die Einheit soweit nach vorn dass die Antenne fast heraus schaut, dann funktioniert der Empfang sofort wieder.
Ich komme einfach nicht dahinter.... außer das der I2C-Bus mir noch Schwierigkeiten machen könnte.


Nun frage ich mich natürlich, was ich noch machen kann......
Außer den Ferritstab außerhalb des Gehäuses zu befestigen.

Grüße,
Cassio

Hallo Dino!

Ich bekomme da auch keinen Reim drauf.....
Das Gehäuse ist wirklich komplett aus Kunststoff.
Lakiert ist es auch nicht, denn der Kunststoff wurde vor der Verarbeitung schon gefärbt.... sieht man beim Löcherbohren.

Schrauben gibt es später nur vier Stück.... die halten den Deckel. Der ist aber noch nicht montiert.


Ich habe keine Ahnung, was mir da nun wieder in die Suppe spuckt.
Ein paar Ideen habe ich zwar noch zum Ausprobieren, aber da werde ich bestensfalls morgen mit starten.
Das seltsame Phänomen hat mich den heutigen Tag schon gekostet..... ich mag heute nicht mehr.

Außerdem muss ich morgen mal ein paar Bilder machen, damit du dir das besser vorstellen kannst.

Grüße,
Cassio

Hallo zusammen!

Ich inzwischen der Alrmuhr mal ein Gehäuse verpasst.
Es ist zwar noch nicht die Endlösung..... weil die Front noch mal gewechselt wird.... aber für`s erst sollte es reichen.


Über das Gehäuse und die Schwierigkeiten mit dem DCF77-Empfang habe ich ja schon berichtet.
Das Problem mit dem Empfang habe ich leider immer noch nicht in Griff bekommen, aber die RTC läuft recht zuverlässig und darum werde ich mich erst später damit noch einmal befassen.


Bevor ich hier aber zig Zeilen zum Gehäuse und dem Einbau schreibe, stelle ich lieber ein paar Bilder ein.
Meistens "sagen" die ja sowieso mehr als hundert Zeilen Text.

Ach so..... eines noch:
Ich bin dem Hinweis von Pirx aus diesem Beitrag gefolgt und habe mir für die Front mal so eine Spiegelfolie bestellt.
Ich muss schon sagen..... sieht in der Realität RICHTIG nett aus!
Leider können die gezeigten Bilder nicht den vollen Effekt wiedergeben.

Die Folie lässt sich super verarbeiten und klebt sowohl auf "Kunststoffscheiben" wie natürlich auch auf Glas.
Da sich eine echte Glasscheibe natürlich nicht biegt, wirkt es damit auch wie ein echter Spiegel. Absolut fantastisch!

Für diese Uhr habe ich aber erst mal die Kunststoffscheibe verwendet...... das soll aber ja noch mal geändert werden.



Und so sieht das Ganze zur Zeit aus:
(ohne Strom, mit Blick aus dem Fenster )



In Betrieb leuchten dann die 7-Segmente durch die Spiegelfolie:




Und so sieht das Gehäuse von Innen aus.....

Unten links ist die "Blechdose" mit dem 5V-Schaltregler LM2574.
Oben ist die Bedienplatine und dahinter (nicht zu sehen) ist der LDR.

Hier ein Blick von schräg oben....

Die Bedientaster bekommen dann noch eine laminierte Folie zur Beschriftung....
Der LDR soll noch eine klare Kalotte bekommen, damit er etwas "bedeckter" aussieht.


So sieht es dann aus, wenn die Alarmuhr eingesetzt wird:

Das Schöne an dem Gehäuse ist, dass es an jeder Seite Führungsschienen (eigentlich für Platinen) hat.



Es geht gleich weiter.......

.....weiter geht`s....


Nun noch einen Blick "hinter die Kulissen":

Die gesamte Uhr mit allen Platinen befindet sich auf einen "Träger", so dass ich die gesamte Einheit komplett aus dem Gehäuse nehmen kann.

Damit die Anzeige nach dem Einsetzen auch ganz dicht an der Spiegelfolie sitzt (je dichter destor besser ist der Effekt, weil kein Licht zurück refelktiert wird), habe ich einfach zwei einstellbare "Abstandshalter" mit Holzklötzchen und Schrauben gebaut.
Durch die Holzschrauben kann ich auf beiden Seite sehr fein die "Einbautiefe" regulieren und sie verstellen sich hinterher auch nicht mehr.
Nun kann ich die gesamte Einheit in das Gehäuse schieben, bis die Schraubenköpfe hinten am Gehäuse anliegen.

Soweit also zur "Hardware".....



Sofwareseitig funktioniert sie ähnlich wie meine "große" Alarmuhr und daher zeige ich nur mal ein paar Bilder:

Natürlich mit Temperaturanzeige:



oder auch nur mal die Sekunden allein:



Wenn man die Alarmzeit einstellen möchte, zeigt die Uhr folgendes:



Nach dem Einstellen der Alarmzeit wird dies optisch mit "SAVE" quittiert:




....geht gleich weiter....

Da die 7-Segmente nicht immer die selbe Helligkeit besitzen sollen,
prüft ein LDR die Raumhelligkeit.
Ist es im Raum hell (Tageslicht), dann leuchten die Anzeigen mit voller Helligkeit.
Wird es jedoch dunkler, dann werden die Anzeigen ab einem bestimmten Wert gedimmt.
Auf diese Weise wird ein Blenden in der Nacht vermieden und man schläft wesentlich besser.

Wie hell bzw. dunkel die Anzeigen werden sollen, kann man nachträglich einstellen.
Dafür gibt es an den Bedientastern ein Menü, welches optisch so dargestellt wird:


Der "Regelbereich" geht von 1 bis 9 !
Dabei ist.....
1 = volle Helligkeit (kein Dimmer aktiv)
9 = höchst möglicher Dimmwert (Anzeige recht dunkel)




Nach dem Einstellen des Dimmwertes wird das Menü natürlich auch mit der "SAVE"-Meldung wieder verlassen:




Tja, das war es dann auch schon.
Ach ja....
Das Datum kann sie bei Bedarf natürlich auch anzeigen.




Noch eines.....
Bevor Anmerkungen kommen möchte ich das gleich vorweg nehmen:
NEIN! Die Spiegelfolie hat keinen Einfluss auf den DCF77-Empfang!
Dieses habe ich hier inzwischen an zwei verschiedenen Uhren getestet!
Beide funktionieren problemlos, ob mit oder ohne die verspiegelte Front.

Grüße,
Cassio