Đồng hồ hiển thị bằng LED filament phản ứng với chuyển động

LED Filaments cho màn hình Seven-Segment

Bạn có thể tự làm màn hình hiển thị 7 đoạn bằng các loại LED filament của Trung Quốc, kích thước 38mm. Những sợi filament này chứa nhiều chip LED nhỏ ở cả hai mặt của đế, tất cả được mắc song song. Khi sắp xếp chúng vào khung 3D in sẵn theo hình 7 đoạn, bạn sẽ có một màn hình hiển thị lớn, giá rẻ và có nhiều màu sắc khác nhau. Độ sụt áp chuyển tiếp tùy thuộc vào màu sắc: ví dụ LED trắng ở mức 50mA là khoảng 2.78V, trong khi màu cam là 2.83V. Hiện chưa có dữ liệu về dòng điện tối đa cho phép. Đế có kích thước khoảng 0.8 x 0.4 mm, và mình đếm được 25 LED mỗi mặt, tổng cộng 50 LED mỗi sợi. Ngay cả khi chạy ở 300mA (1W), filament cũng không hề nóng lên.

Lắp ráp màn hình

Trên máy in 3D của mình, mình không thể in thiết kế cho 4 chữ số và dấu hai chấm cùng lúc vì nó quá lớn. Do đó, mình đã chia bản in thành hai phần rồi dán lại với nhau. Các sợi filament rất dễ gãy, nên hãy dùng nhíp để bẻ các chân kim loại—chân có lỗ nhỏ là cực dương (anode). Đặt filament vào vỏ in 3D, sau đó bẻ ngược chân ở phía đối diện. Hàn dây đồng tráng men (0.25mm) vào từng chân. Filament có thể sắp xếp theo cấu hình cực dương chung (common anode) hoặc cực âm chung (common cathode).

Có nhiều loại IC có thể điều khiển các đoạn của màn hình 7 đoạn, chẳng hạn như TM1638. Tuy nhiên, các driver ghép kênh này không cung cấp đủ công suất (100mA) cho mỗi đoạn. Vì lý do đó, ở đây mình có kèm theo ví dụ về mạch điều khiển trực tiếp từng đoạn. Độ sáng trong thiết kế này được kiểm soát bởi chip AMS7135. Mỗi chữ số có bộ điều khiển độ sáng độc lập, dòng điện sẽ tự điều chỉnh dựa trên số lượng đoạn đang sáng. Điều này giúp độ sáng của các đoạn luôn đồng nhất, dù bạn đang hiển thị số '1' (chỉ dùng 2 đoạn) hay số '8' (dùng cả 7 đoạn).

Mạch điều khiển 74HC595

Đối với mảng LED filament cực âm chung, phía cathode được điều khiển bởi các bộ ổn dòng AMS7135, được kiểm soát bằng PWM. Các đầu ra của thanh ghi dịch 74HC595 điều khiển các transistor PMOS, và cực dương của mỗi đoạn được cấp nguồn thông qua các transistor này. Các đoạn sẽ sáng khi đầu ra của thanh ghi dịch ở mức thấp. Không cần điện trở hạn dòng vì AMS7135 đã giới hạn dòng ra ở 350mA. Đối với LED cực dương chung, cấu hình driver sẽ khác: đầu ra 74HC595 điều khiển transistor NMOS. Các chân source của NMOS được nối song song với chân "OUT" của AMC7135, trong khi mỗi cathode của đoạn nối với drain tương ứng. Cực dương chung nối trực tiếp vào +5V. Các đoạn sẽ sáng khi đầu ra thanh ghi ở mức cao. Một điện trở 2.2kΩ mắc song song với AMS7135 sẽ cung cấp dòng phân cực nhỏ.

Driver ghép kênh (Multiplex Driver)

Series TM16xx cung cấp giải pháp ghép kênh đơn giản với độ sáng đủ dùng trong gia đình. Đặc điểm chung của các chip này là giao tiếp nối tiếp và có thể điều khiển hầu hết các loại LED, dù là cực dương chung hay cực âm chung. Ví dụ ở đây cho thấy chip TM1618 cơ bản điều khiển 4 chữ số cực dương chung và dấu hai chấm.

Ứng dụng: Đồng hồ kỹ thuật số chạy pin

Chiếc đồng hồ này chỉ hiện giờ khi có người ở gần. Bình thường máy sẽ ở chế độ ngủ, khi có cảm biến chạm hoặc cảm biến chuyển động PIR, nó sẽ thức dậy, hiển thị thời gian trong 10 giây rồi quay lại chế độ ngủ. Một bo Arduino sẽ đọc chip thời gian thực PCF8563 và điều khiển màn hình hiển thị giờ phút.

• TTP223: gỡ bỏ LED hoặc điện trở của nó, kết nối Jumper A.
• Đầu ra của cảm biến PIR bị đảo ngược, ngắt quãng xảy ra khi đầu vào chân D2 ở mức thấp.
• Có thể chỉnh giờ bằng hai nút nhấn tactile.
• Ở vị trí thứ ba của công tắc SP3T, đồng hồ có thể hoạt động ở chế độ liên tục—lúc này bạn hãy cắm sạc.
• Mã nguồn (AVR) có dung lượng 5kByte. Nguồn điện dùng pin Li-Ion dẹt.

Để tiết kiệm điện, mình dùng một bo Arduino tự chế (xem: https://www.thingiverse.com/thing:5223844). Bạn cũng có thể dùng bo Pro Mini tiêu chuẩn, miễn là đã gỡ bỏ các LED báo nguồn và bộ ổn áp LDO trên bo. Việc này giúp dòng tiêu thụ ở chế độ ngủ chỉ còn 10–20 µA. Công tắc mình dùng thực tế là loại DP3T, nên có thể ngắt hẳn nguồn của cảm biến không dùng tới (PIR hoặc cảm biến chạm) để tiết kiệm thêm năng lượng. Vỏ ngoài có mặt sau bằng nhôm và đế để bàn. Vỏ cảm biến PIR được gắn vào đồng hồ bằng ốc M2 và có thể xoay theo hướng mong muốn.