Präzise 7-Segment-Uhr mit Arduino Pro Mini & DS1302 RTC – Selbstbau

Benötigte Bauteile

Arduino Pro Mini 328 – 5 V / 16 MHz (SparkFun)		1
DS1302 Echtzeituhr-Modul (RTC)	IC-Sockel & Quarz vom Modul ablösen & auf Platine übernehmen	1
CR1220 Knopfzelle + Halter	z. B. „5pcs Black Housing CR1220 CR1225 Button Cell Battery Socket Holder BS-1220-1“	1
Keramik-Kondensator 0,1 µF 1206 SMD		1
Keramik-Kondensator 10 µF 1206 SMD		1
Taster 12 mm (Top Actuated)	Mit Tastenkappen	4
DC-DC Step-Down Converter 3 A (Mini)	Für 12 V → 5 V	1
0,28″ Common Cathode 4-stellige 7-Segment-Anzeige		36
MAX7219 DIP IC	LED-Treiber	18
Summer (Buzzer)		1
Maschinen-Stiftleisten (Male & Female Header)	Ca. 8 Streifen à 40 Pins je Sorte	1 Set
DC-Strombuchse 5,5 × 2,1 mm	Panel Mount, für 12 V Netzteil	1

Benötigte Werkzeuge

• Lötkolben (feine Spitze, 0,5 mm Lötzinn)
• 3D-Drucker (für Gehäuse)

Software

• Arduino IDE
• Bibliothek: MD_MAX72XX (über Bibliotheksverwalter installieren)

Projektbeschreibung

Inspiriert von einer großen 7-Segment-Uhr auf Hackaday.io (von Frugha, 0,56″ Displays) entstand diese kompakte Version mit 0,28″ Displays – nur ein Viertel der Größe. Die Software wurde komplett neu geschrieben und um Wecker, Konfigurationsmenü (Zeit, Datum, Weckzeit, Melodie, Helligkeit, Datumsformat, Schriftart) erweitert.

Bedienkonzept – 4 Tasten

• SELECT (oben): Öffnet Konfigurationsmenü / wechselt zwischen Menüpunkten (Zeit, Datum, Alarm, Melodie, Helligkeit, Datumsformat, Uhr).
• ENTER (2. von oben): Wählt Menüpunkt zum Bearbeiten / wechselt zwischen Einstellungen innerhalb eines Punkts (aktive Einstellung blinkt).
• UP / DOWN (unten): Ändern der blinkenden Einstellung.

Datumsanzeige

Drückt man ENTER im Normalbetrieb, wird das Datum 5 Sekunden lang angezeigt. Im Menü „Datumsformat“ lässt sich zwischen DD-MM und MM-DD sowie zwischen zwei Schriftarten (quadratisch/schmal) wählen.

Design-Überlegungen

• 4-stellige Displays statt Einzeldisplays → einfachere Platinenlayout.
• MAX7219-Treiber auf separater Platine (Motherboard), da 0,28″ Displays sehr klein sind.
• Verbindung Display-Platinen ↔ Motherboard über maschinelle Stiftleisten (Male/Female) – präzise, steckbar.
• Eagle-Dateien liegen bei (kommerzielle Fertigung oder Selbstbau per Toner-Transfer).

Spalten-Platinen (Column Boards) – 6 Stück nötig

Jede Spaltenplatine hält 6 Stück 4-stellige Displays (insgesamt 36 Displays = 6 Spalten × 6 Displays). Löten: Mittlere Stiftleisten zuerst, dann nach außen arbeiten. Streichholz o. ä. unter die Buchse legen, um Lötzugang zu schaffen. Nach dem Bestücken: Display-Ränder matt schwarz lackieren (verdeckt weiße Kanten bei minimalem Versatz). Jede Spaltenplatine nummerieren (Marker) – erleichtert späteren Einbau in der richtigen Reihenfolge.

MAX7219-Motherboard

Die Segment-/Ziffernzuordnung der MAX7219 wurde nicht hardware-seitig korrekt verdrahtet, sondern das PCB-Layout so einfach wie möglich gehalten. Die Zuordnung wird komplett in Software korrigiert (siehe digitMap[] im Code).

Tipp: Female-Buchsen zuerst auf die Male-Pins der Spaltenplatinen stecken, dann die gesamte Einheit einlöten. So passen die Pins exakt. Beim Ausbau: Nummerierung beachten, damit jede Spalte wieder an ihren Platz kommt.

MPU-Platine (Mikroprozessor-Board)

Enthält Arduino Pro Mini, RTC, Step-Down-Converter, Summer, Taster, Kondensatoren. Die 4 Taster und die zwei SMD-Kondensatoren liegen auf der Rückseite, alle anderen Bauteile vorn. Für flaches Profil: FTDI-Header nicht auf den Pro Mini, sondern direkt auf die PCB gelötet; DTR & VCC per Drahtbrücke nach unten geführt.

Gehäuse (3D-Druck)

• STL-Dateien für Front & Rückseite liegen bei.
• Druck: 0,2 mm Schichthöhe, Brim. Front: Supports (nur Buildplate).
• MAX7219-Motherboard mit Spaltenmodulen schiebt sich von vorne ein. Falls lose: 1–2 Lagen Malerklebeband als Passung.
• MPU-Platine wird hinten per Heißkleber fixiert.

Software & Inbetriebnahme

1. Bibliothek MD_MAX72XX in Arduino IDE installieren.
2. Test-Sketch Hardware_Test_V1 hochladen – alle Segmente leuchten → Kurzschlüsse / defekte Verdrahtung prüfen.
3. Bei erfolgreichem Test: Haupt-Sketch Clock_V4 hochladen.

Code-Highlights (Auszug aus Clock_V4.ino)

// Hauptbibliotheken
#include <MD_MAX72xx.h>
#include <SPI.h>
#include <TimeLib.h>
#include <DS1302RTC.h>
#include <EEPROM.h>
#include "button.h"
#include "Tunes.h"
#include "Digits.h"

#define HARDWARE_TYPE MD_MAX72XX::GENERIC_HW
#define MAX_DEVICES 18        // 18 MAX7219
#define LED_CLK 13, LED_DATA 11, LED_CS 10
#define SPEAKER 2
#define SW_UP 3, SW_DOWN 4, SW_ENTER 7, SW_SELECT 9
#define RTC_CLK 5, RTC_IO 6, RTC_CE 8

// EEPROM-Struktur für persistente Einstellungen
struct EEPROM_DATA {
  uint32_t magic;       // 0x0BAD0DAD
  bool alarm;           // Wecker an/aus
  uint8_t minutes, hours; // Weckzeit
  bool format12hr;      // 12/24 h
  uint8_t brightness;   // 0..15
  uint8_t tune;         // Melodie 0..2
  bool formatDmy;       // DD-MM vs MM-DD
  bool squareFont;      // Schriftart Datum
};

// Betriebsmodi: CLOCK, TIME_SET, DATE_SET, ALARM_SET, TUNE_SET, BRIGHT_SET, FORMAT_SET
// Blinklogik im Setup-Menü (SETUP_FLASH_RATE 200 ms)
// Großziffern (6×6 Pixel pro Ziffer) über 18 MAX7219 gemappt
// Kleine/quadratische Ziffern für Datumsanzeige (5×3 / 3×3)
// Wecker-Melodien in Tunes.h (ELISE, RANGE, SUNSHINE)
// PetitFS nicht nötig – Standard-EEPROM & RTC

Dateien im Projekt

• Clock_V4.ino – Hauptsketch
• Digits.h – Ziffernmuster (Groß, Klein, Quadrat, ASCII)
• Tunes.h – Weckmelodien (nur Download)
• Button.h / Button.cpp – Entprellte Tastenklasse mit Repeat-Funktion
• Hardware_Test_V1.zip – Testsketch (alle Segmente an)
• Eagle-Dateien (PCB Layouts) – eagle_files_KPhUOj6Ezv.zip
• STL-Dateien für Gehäuse (Front hoch/niedrig, Rückseite, SIM900-Halter)

Schaltpläne & PCB

• Schema für einen MAX7219 (18× identisch)
• Spaltenplatine: hält 6× 4-stellige Displays (6 Platinen nötig)
• MPU-Platine & Motherboard in Eagle-Format

Tipps & Tricks

• Genauigkeit: DS1302 mit 32,768 kHz Quarz & CR1220 Puffer → Gangabweichung typisch ±2 min/Monat.
• Helligkeit: Per Menü 0–15 einstellbar (PWM über MAX7219 INTENSITY-Register).
• Wecker: Einmalig oder täglich? Code currently implements daily alarm when enabled.
• Erweiterung: DCF77-Empfänger für automatische Zeitsync möglich (freier Pin nötig).
• Stromversorgung: 12 V Netzteil → Step-Down → 5 V für alles. Verbrauch ca. 300–500 mA je nach Helligkeit.