LED-Ring-Uhr

Die hier vorgestellte Uhr basiert auf einem Paspberry Pi Pico-Mikrocontroller und einem LED-Ring bestehend aus 24 Neopixel-LEDs, auf dem die Uhrzeit analog anzeigt wird. Das Programm ist vollständig in der Programmiersprache Python implementiert und baut auf Micropython auf.

Die Uhr ermittelt beim Starten die aktuelle Uhrzeit über eine API (application programming interface) eines Zeitservers (https://timeapi.io). Zusätzlich findet einmal täglich eine Synchronisierung statt.

Das Ziffernblatt zeigt Stundenmarkierungen in blau an, die Stunden 3, 6, 9 und 12 werden heller dargestellt. Ein roter Punkt zeigt die Stunde, ein grüner die Minute und ein weißer die Sekunde an. Der Sekundenzeiger ändert dabei im Sekundentakt die Helligkeit. Werden Stunde und Minute von dem gleichen Punkt dargestellt, so wechselt die Farbe der LED jede Sekunde zwischen rot und grün.

Die Hardware ist eine selbstentwickelte Schaltung. Sie ermöglicht Eingaben über zwei Taster, einen vierpoligen DIP-Schalter und ein Trimm-Potentiometer. Ausgaben können optisch auf 24 ringförmig angeordneten LEDs angezeigt werden sowie akustisch über einen Piezo-Summer erfolgen. Die Steuerung erfolgt über einen Mikrocontroller vom Typ Raspberry Pi Pico-W, der ein WiFi-Modul besitzt und somit über WLAN kommmunizieren kann.

Für die LED-Ring-Uhr werden nicht alle Ein-/Ausgabekomponenten benötigt. Die Schaltung ist so ausgelegt, dass sie auch für andere Anwendungen genutzt werden kann (siehe Abschnitt "Weitere Projekt-Ideen").

Basisplatine:

• 1 Lochrasterplatine, Hartpapier, 50x100mm
• 1 Raspberry Pi Pico-W
• 1 10kOhm-Trimmpotentiometer
• 2 Eingabetaster
• 1 DIP-Schalter 4-polig
• 1 Piezo-Schallwandler (passiv)
• 1 Anschlussklemme 2-polig
• 2 Stiftleisten 20-polig
• 2 Stiftleisten 2-polig

Anzeige:

• 1 24-LED-Ring WS2812 5V

Stromversorgung:

• 1 Netzteil mit Micro-USB-Anschluss 5V/2A

Gehäuse:

• 1 Bilderrahmen 15x15cm

Bildquelle: https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/images/picow-pinout.svg

• Raspberry Pi Pico – Raspberry Pi
• Raspberry Pi Pico W, RP2040 + WLAN Mikrocontroller-Board
• 24Bit RGB LED Ring WS2812 5V
• DIY Bilderrahmen für Tischdisplays und Bastelarbeiten

Thonny ist ein kostenloses Entwicklungsprogramm für den PC, das von einem unabhängigen Entwickler namens Thonny erstellt wurde. Es handelt sich um eine integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) mit Open-Source-Code, die verwendet werden kann, um verschiedene Anwendungen mit der Programmiersprache Python zu erstellen.

Bildquelle: https://thonny.org/img/screenshot.png

Download:

• Thonny, Phython IDE for beginners (Portable variant with 64-bit Python 3.10)

Installation:

1. Im Windows-Explorer ein Verzeichnis mit dem Namen C:\PortableApps\Thonny anlegen
2. Heruntergeladenen Zip-Datei öffnen und den gesamten Inhalt in das Vereichnis C:\PortableApps\Thonny kopieren
3. Thonny starten
4. Unter Tools→Options… im Reiter General bei Language aus der Liste Deutsch auswählen
5. Thonny schließen und wieder neu starten, damit die Änderung der Sprache greift
6. Unter Extras→Optionen… im Reiter Interpreter aus der Liste MicroPython (Raspbeery Pi Pico) auswählen
7. Unter Extras→Optionen… im Reiter Themes & Schriftart beide Schriftgrößen auf 8 setzen

Die Nutzung von Microsoft Visual Studio Code (VSC) ist zwar sehr komfortabel, aber erfordert aber eine längere Einarbeitung. Außerdem ist die Anbindung an den Raspberry Pi Pico noch in einem experimentellen Stadium.

Download:

• Download Visual Studio Code - Mac, Linux, Windows (Windows - .zip - x86)

Installation:

1. Im Windows-Explorer ein Verzeichnis mit dem Namen C:\PortableApps\VisualStudioCode anlegen
2. Heruntergeladenen Zip-Datei öffnen und den gesamten Inhalt in das Vereichnis C:\PortableApps\VisualStudioCode kopieren
3. VSC starten
4. Unter „Erweiterungen (Extensions)“ in VSC die Erweiterung German Language Pack for Visual Studio Code suchen, diese installieren und VSC neu starten (https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=MS-CEINTL.vscode-language-pack-de)
5. Unter Datei → Einstellungen → Design → Farbdesing den Eintrag Hell (Visual Studio) wählen

Erweiterung für den Pico installieren:

1. Unter „Erweiterungen“ in VSC die Extension MicroPico suchen, diese installieren und den Anweisungen folgen (https://marketplace.visualstudio.com/items?itemName=paulober.pico-w-go)

Öffnen/Anlegen eines Projektordners:

1. Einen existierenden Ordner in VSC unter Datei → Ordner öffnen öffnen oder einen neuen Ordner mit Datei → Ordner öffnen → Neuer Ordner anlegen

Zum Pico verbinden (der Pico muss über das USB-Kabel angeschlossen sein):

1. Auf „MicroPico Device Controller“ klicken und dann auf „PACKAGES (PICO-W ONLY)“ klicken
2. In der unteren (blauen) Statuszeile werden jetzt Pico-spezifische Daten und Schaltflächen angezeigt:
   • Pico Disconnected / Pico Connected
   • Run / Stop
   • Reset
   • All Commands
   • Toggle Pico-W-FS

Anlegen eines VSC-Projekts (einmalig):

1. Über Datei → Ordner öffnen … den Projektordner öffnen
2. In der Statuszeile All Commands anklicken
3. Im Kommandofenster MicroPico: Configure project auswählen, um ein Projekt anzulegen. Hierdurch werden der Ordner .vscode und die Datei .micropico angelegt

Hochladen aller Dateien auf den Pico:

1. In der unteren (blauen) Statuszeile All Commands anklicken
2. Optional im oberen Kommandofenster MicroPico: Delete all files from board auswählen, um alle vorhandenen Dateien auf dem Pico zu laden
3. Im oberen Kommandofenster MicroPico: Upload project to Pico auswählen, um alle Dateien in dem Ordner auf den Pico zu laden
4. In der unteren Statuszeile Reset anklicken, um sicherzustellen, dass die neu geladenen Dateien genutzt werden

Hochladen einer einzelnen Dateien auf den Pico:

1. Im „Explorer“-Bereich auf die Datei mit der rechten Maustaste klicken und Upload current file to Pico auswählen
2. In der unteren Statuszeile Reset anklicken, um sicherzustellen, dass die neu geladene Datei genutzt werden

Programm auf dem Pico starten:

1. Im „Explorer“ die zu startende Programmdatei in den Editor laden
2. In der Statuszeile Run anklicken
3. Das Programm wird gestartet und die Ausgabe auf dem Terminalfenster ausgegeben

Programm anhalten:

1. In der Statuszeile Stop anklicken

How To's:

• https://www.laub-home.de/wiki/Raspberry_Pi_Pico_-_MicroPython_und_VSCode_als_IDE
• https://www.hackster.io/shilleh/how-to-use-vscode-with-raspberry-pi-pico-w-and-micropython-de88d6
• https://www.youtube.com/watch?v=O6lkYTfcMEg
• https://www.youtube.com/watch?v=lElb4lydGpU

MicroPython ist eine schlanke und effiziente Implementierung der Programmiersprache Python 3, die eine Teilmenge der Python-Standardbibliothek enthält und für die Ausführung auf Mikrocontrollern und in eingeschränkten Umgebungen optimiert ist.

• MicroPython - Python for microcontrollers
• Raspberry Pi Documentation - MicroPython

• http://docs.micropython.org/en/latest/
• http://docs.micropython.org/en/latest/rp2/quickref.html
• Get Started with MicroPython on Raspberry Pi Pico

• MicroPython - Python for microcontrollers (Pico Firmware)
• MicroPython - Python for microcontrollers (Pico-W Firmware) (wird in diesem Projekt benötigt)

Aktuell genutze Version ist MicroPython Pico W v1.24.1(2024-11-29).uf2

1. Um das Board in den Bootloader-Modus für das Firmware-Update zu bringen, die BOOTSEL-Taste gedrückt halten, während das Board an den USB-Anschluss angeschlossen wird.
2. Die uf2-Datei mit dem Firmware-Abbild wird dann auf den erscheinenden USB-Massenspeicher kopiert.
3. Sobald die Programmierung der neuen Firmware abgeschlossen ist, wird das Gerät automatisch zurückgesetzt und ist einsatzbereit.

Das Software für die LED-Ring-Uhr ist in der Programmiersprache Python geschrieben. Python ist eine einfach zu lernende, aber mächtige Programmiersprache mit effizienten abstrakten Datenstrukturen und einem einfachen, aber effektiven Ansatz zur objektorientierten Programmierung. Durch die elegante Syntax und die dynamische Typisierung ist Python als interpretierte Sprache sowohl für Skripte als auch für schnelle Anwendungsentwicklung hervorragend geeignet.

• Welcome to Python.org
• https://de.wikipedia.org/wiki/Python_(Programmiersprache)

Download von Python:

• https://www.python.org/downloads/

Installation von Python:

1. Go to the Python Downloads page and download the installation file.
2. After a few seconds, you should have an executable file downloaded to your computer. Double-click the file to open it.
3. Make sure you have the option Add Python to PATH ticked to add Python to path.
4. Then, you can proceed with the installation.

Der Quellcode ist in zwei Bereiche aufgeteilt. Die Applikationsdateien bilden die notwendigen Funktionen und Klassen für die Steuerung der LED-Ring-Uhr ab. Die Bibliothesdateien stellen Hilfsfunktionen und -klassen zur Verfügung, die allgemeiner Natur sind und somit auch in anderen Projekten genutzt werden können (siehe Abschnitt "Weitere Projekt-Ideen").

• clock/mainClock.py: Steuerung des Programmablaufs
• clock/ClockTime.py: Berechnung der Uhrzeit
• clock/LedRingClockDisplay.py: Anzeige der aktuellen Uhrzeit auf dem LED-Ring
• clock/secrets.py: Zugangsdaten für das Wireless-LAN

• lib/Button.py: Auslesen der Taster
• lib/Buzzer.py: Ansteuerung des Piezosummers
• lib/DipSwitch.py: Auslesen der DIP-Schaltereinstellung
• lib/LedRing.py: Ansteuerung des LED-Rings
• lib/PicoWlan.py: enthält die Zugangsdaten für das Wireless-LAN
• lib/Potentiometer.py: Auslesen der Potentiometerstellung

• lib/mymachine.py: Instanziierung der konkreten Hardwarekomponenten

• lib/TimeApiIo.py: Holen der aktuellen Uhrzeit von einem Zeitserver
• lib/Timer.py: Hilfsfunktionen für Steuerung des zeitlichen Ablaufs

Der vollständige Quellcode ist unter Git-Versionskontrolle und in folgendem GitLab-Repository abgelegt:

• fritzi4you / LED-Ring Clock · GitLab

curl --header "Private-Token: glpat-XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX" https://gitlab.com/api/v4/projects/52515253/repository/archive.zip?sha=vX.X.X  --output led-ring-uhr.zip

Die selbstentwickelte Softwarebibliothek abstrahiert die bereitgstellten Komponenten der Hardwareschaltung und ermöglicht so die einfache Nutzung dieser. Desweiteren werden mehrere Hilfsklassen und -funktionen zur Verfügung gestellt.

• Pico-Bibliothek

• Getting started with Raspberry Pi Pico
• MicroPython - Python for microcontrollers
• NeoPixel WS2812B RGB LED with Raspberry Pi Pico (MicroPython)
• TimeAPI

• Ring-Pong
• Elektronischer Würfel
• Wetterstation
• Reaktionstest
• Pixel Chaser
• Simon Game Variante (Rechts/Links-Sequenz) https://dronebotworkshop.com/pi-10-pico-simon/
• Ampel
• Lichtorgel mit Mikrofon https://www.elektronik-kompendium.de/sites/raspberry-pi/2701251.htm
• Lampe mit zeitlichem Farbverlauf