Mechanische 7-Segment Uhr
Elektromechanische Zeitanzeige mit eigener Elektronik und Webinterface
Einleitung
Meine Diplomarbeit befasst sich mit der Entwicklung einer Uhr, deren Ziffern nicht durch Leuchtmittel dargestellt werden, sondern über mechanisch bewegte Segmente entstehen. Die Segmentformen einer klassischen 7-Segment-Anzeige werden dabei durch 28 Servomotoren erzeugt, welche die einzelnen Elemente in die richtige Position bringen.
Die Konstruktion kombiniert Mechanik, selbst entwickelte Elektronik und Software zu einem funktionalen Gesamtsystem, das die Uhrzeit vollständig ohne LED-, LCD- oder andere Displaytechnologien darstellt.
Projektziel
Die Zielscheibe definiert folgende Kernziele:
- Entwicklung eines alltagstauglichen Gesamtsystems, bestehend aus einer mechanischen 7-Segment-Anzeige mit vier Ziffern und integriertem Doppelpunkt
- Präzise und zuverlässige Ansteuerung von 28 Servomotoren, inklusive sauberer Bewegungsabläufe und Wiederholgenauigkeit
- Eigenständige Entwicklung der Elektronik, bestehend aus Mikrocontroller (Raspberry Pi Pico), Servotreibern und einer stabilen Spannungsversorgung
- Kombination einer RTC-Zeitbasis mit einer WLAN-gestützten NTP-Synchronisation, um jederzeit eine exakte Uhrzeit sicherzustellen
- Implementierung eines Webinterfaces, über das Zeitzonen, Zeitformat sowie Wecker- und Schlafmodus komfortabel konfiguriert werden
Diese Ziele bildeten den Rahmen für Konstruktion, Elektronik und Software.
Technische Umsetzung
Mechanik
Für die mechanische Struktur diente ein Open-Source-Modell von Thingiverse als Ausgangspunkt, dass gezielt an die Anforderungen dieses Projekts angepasst und weiterentwickelt wurde. Ergänzend entstand ein eigenes Abdeck- und Aufnahmesystem, dass die Elektronik sauber integriert und schützt. Sämtliche Bauteile wurden 3D-gedruckt, konstruktiv erweitert und präzise auf die spätere Montage der Elektronik abgestimmt. Die Bewegung jedes Segments erfolgt über einen SG90-Servomotor, der eine kompakte und zuverlässige Mechanik ermöglicht.
Elektronik
Die Elektronik wurde vollständig eigenständig entwickelt. Ein Raspberry Pi Pico W übernimmt die zentrale Steuerung und kommuniziert über zwei PCA9685-Module, welche die PWM-Signale für sämtliche Servomotoren bereitstellen. Als lokale Zeitbasis kommt eine DS1302+ Echtzeituhr zum Einsatz. Die gesamte Schaltung wird über eine stabile 5-Volt-Gleichspannungsversorgung betrieben.
Software & Webinterface
Die Software initialisiert alle elektronischen Komponenten, steuert die Servopositionen, verwaltet die lokale Zeitbasis und synchronisiert die Uhrzeit automatisch per WLAN über einen NTP-Server. Das integrierte Webinterface bietet folgende Funktionen:
- Auswahl der Zeitzone und des Zeitformats
- Aktivierung von Wecker und Snooze
- Definition von Ein- und Ausschaltzeiten (Schlafmodus)
- Zugriff auf grundlegende Diagnosefunktionen
Die Bedienung erfolgt komfortabel über jedes WLAN-fähige Endgerät.
Ergebnisse
Die Uhr stellt die Zeit stabil dar, die Segmentbewegungen arbeiten präzise und die WLAN-Synchronisation funktioniert zuverlässig. Bei einer fehlenden Verbindung übernimmt die RTC automatisch und ohne sichtbare Abweichungen die lokale Zeithaltung.
In den Funktionsprüfungen wurden Servobewegung, Zeitdarstellung, RTC-Fallback, Webinterface, Weckerfunktion und Schlafmodus erfolgreich getestet. Mechanik, Elektronik und Software greifen sauber ineinander und ergeben ein robustes, funktionssicheres Gesamtsystem.
Fazit & Ausblick
Im Verlauf dieser Arbeit konnte ich wertvolle Erfahrungen im Zusammenspiel von Mechanik, Elektronik und Mikrocontrollertechnik sammeln. Die Umsetzung hat gezeigt, dass sich ein mechanisches Anzeigeprinzip strukturiert entwickeln und zuverlässig steuern lässt. Die Ergebnisse bestätigen den gewählten Ansatz und bieten eine klare Basis für weitere Schritte.
Für zukünftige Erweiterungen bieten sich verschiedene Richtungen an: Verbesserte Bewegungsabläufe, zusätzliche Funktionen zur Zeitanzeige oder Anpassungen im Design und in der Benutzerführung. Auch Varianten mit anderen Dimensionen oder Segmentformen sind gut vorstellbar. Das Projekt lässt damit ausreichend Raum für Weiterentwicklungen, ohne dass grundlegende Änderungen am Gesamtkonzept erforderlich wären.
