Zegarek Nixietube: 6 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

W zeszłym roku zainspirowały mnie zegary Nixitube. Myślę, że wygląd Nixietubes jest taki ładny. Myślałem o zaimplementowaniu tego w stylowym zegarku z inteligentnymi funkcjonalnościami.

Krok 1: Prototyp czterech rur

Zacząłem od stworzenia schematów elektronicznych do zegarka z czterema lampami. Będąc studentem elektroniki rozwijałem elektronikę przez kilka miesięcy.

Najpierw trzeba zaprojektować zasilacz. Zacząłem od zakupu gotowego zasilacza impulsowego 170V z sieci, ponieważ nie wiedziałem, jak zaprojektować zasilacz, który mógłby zamienić 4,2V DC z akumulatora na 170V DC dla lamp. Prefabrykowany zasilacz miał sprawność 86%.

Po otrzymaniu zasilacza zacząłem badać, jak sterować Nixietubes. Nixietubes, które dostałem, gdzie zwykłe lampy anodowe, co oznacza, że po podłączeniu 170 V DC do anody i GND do katody lampa będzie się świecić. Aby ograniczyć prąd płynący przez lampę, przed anodą należy umieścić opornik. Powoduje ograniczenie prądu do 1mA na lampę. Aby kontrolować różne cyfry. Użyłem rejestrów przesuwnych wysokiego napięcia. Te układy scalone mogą być kontrolowane przez dowolny mikrokontroler.

Ponieważ jestem wielkim fanem IoT (Internet of Things). Postanowiłem wziąć moduł ESP32 i chciałem uzyskać aktualny czas z internetu przez WiFi. W końcu synchronizowałem RTC (zegar czasu rzeczywistego) z czasem internetowym. Dzięki temu oszczędzam energię i zawsze mam czas pod ręką, nawet bez dostępu do Internetu.

Pomyślałem o sposobach sprawdzania czasu i wymyśliłem użycie akcelerometru, którego używałem do śledzenia ruchu nadgarstka. Kiedy obracam nadgarstek, żebym mógł odczytać godzinę. Zegarek uruchomi się i pokaże mi to.

Zaimplementowałem również trzy przyciski aktywowane dotykiem, dzięki czemu mogłem stworzyć proste menu, w którym mogłem ustawić różne funkcje.

Dwie diody LED RGB musiały dawać lampom ładną poświatę.

Pomyślałem też o sposobie ładowania baterii. Dlatego wymyśliłem ładowanie go za pomocą bezprzewodowego modułu ładowarki QI. Ten moduł dał mi wyjście 5V. Ten moduł podłączony do obwodu ładowania pozwolił mi naładować mały akumulator o pojemności 300 mAh.

Kiedy projekt elektroniczny był gotowy i wszystkie pod-obwody zostały przetestowane, zacząłem projektować płytkę drukowaną (Printed Circuit Board). Robiłem makiety z papieru i części (zdjęcie 1). Pomiar szerokości, wysokości i długości każdego elementu był żmudnym procesem. Po tygodniach projektowania i układania PCB zostały zamówione i wysłane do mnie. (rysunek 2).

Na każdym kroku tworzyłem programy testowe dla każdej części zegarka. W ten sposób finalne oprogramowanie można było łatwo skopiować razem.

Lutowanie każdego elementu mogło się rozpocząć i zajęło mi to około jednego dnia.

Testowanie i składanie całego zegarka (zdjęcie 3, 4, 5, 6, 7) Udało się.

Wydrukowałem w 3D obudowę zegarka i ostatecznie okazało się, że zegarek jest za duży. Postanowiłem więc stworzyć nowy i zrobiłem prototyp z czterolampowego zegarka.

Krok 2: Nowy projekt

Uznając, że zegarek z czterema lampami jest za duży, zacząłem zmniejszać projekt elektroniki. Po pierwsze, używając tylko dwóch rurek zamiast czterech. Po drugie poprzez użycie mniejszych komponentów i zrobienie od podstaw własnego konwertera boost 170V. Samodzielne wdrożenie ESP32 MCU (Micro Controller Unit) zamiast korzystania z modułu spowodowało również, że projekt jest znacznie mniejszy.

Korzystając z oprogramowania komputerowego do projektowania 3D (Zdjęcie 1), zaprojektowałem obudowę i starannie zmieściłem w niej wszystkie elementy elektryczne. Dzieląc elektronikę na trzy płytki udało mi się efektywniej wykorzystać przestrzeń wewnątrz obudowy.

Nowa elektronika, gdzie została zaprojektowana:

- Wybrano nowy, bardziej energooszczędny akcelerometr.

-Zmieniono przyciski dotykowe na przełącznik wielopozycyjny.

-Użyto nowego obwodu ładowania.

-Zmieniłem ładowanie bezprzewodowe na ładowanie przez USB, ponieważ chciałem aluminiową obudowę.

-Użyto procesora o niskim poborze mocy, aby jeszcze bardziej oszczędzać energię.

- Wybrano nową diodę LED tła.

-Użyto wskaźnika baterii IC do śledzenia poziomu baterii.

Krok 3: Montaż elektroniki

Po miesiącach projektowania nowego zegarka można było go również zmontować. Użyłem niektórych narzędzi dostępnych w mojej szkole, aby przylutować układy scalone Tiny pitching (Zdjęcie 4). Zajęło mi to kilka dni, ponieważ napotkałem pewne problemy, ale w końcu udało mi się uruchomić elektronikę (Zdjęcie 5).

Krok 4: Projektowanie obudowy

Zaprojektowałem obudowę równolegle z projektowaniem elektroniki. Za każdym razem sprawdzanie w programie komputerowym 3D, czy każdy element będzie pasował. Przed frezowaniem obudowy za pomocą CNC (Computer Numerical Control) wykonano wydrukowany w 3D prototyp, aby upewnić się, że wszystko będzie pasować. (Zdjęcie 1, 2)

Po zaprojektowaniu obudowy i pracy elektroniki rozpocząłem badania nad tym, jak należy programować maszyny CNC (Zdjęcie 3). Mój znajomy, który ma wiedzę na temat frezowania CNC, pomógł mi zaprogramować maszynę CNC. Więc frezowanie mogło się rozpocząć. (Zdjęcie 4)

Po zakończeniu frezowania wykończyłem obudowę wiercąc otwory i polerując obudowę. Wszystko pasowało za pierwszym razem. (Zdjęcie 5, 6, 7)

Zaprojektowałem zatrzask do okna akrylowego. Ale zatrzask został przypadkowo wyfrezowany. Za pomocą wycinarki laserowej wyciąłem okienko z akrylu, które zostało przyklejone do górnej części zegarka (zdjęcie 9).

Krok 5: Oprogramowanie i aplikacja

Kontroler w zegarku w zasadzie śpi cały czas, aby oszczędzać energię. Procesor o małej mocy odczytuje akcelerometr co kilka milisekund, aby sprawdzić, czy mój nadgarstek jest obrócony. Dopiero gdy zostanie obrócony, wybudzi główny procesor i pobierze czas z RTC i pokaże na krótko godziny, a potem minuty na lampach.

Główny procesor sprawdza również proces ładowania, sprawdza przychodzące połączenia Bluetooth, sprawdza stan przycisku wejściowego i odpowiednio reaguje.

Jeśli użytkownik nie będzie dalej korzystał z zegarka, główny procesor ponownie przejdzie w stan uśpienia.

W ramach moich studiów musieliśmy stworzyć aplikację. Pomyślałem więc o stworzeniu aplikacji na zegarek nixie. Aplikacja została napisana w xamarin z języka Microsoft C#.

Niestety musiałem stworzyć aplikację po holendersku. Ale w zasadzie jest zakładka połączenia, która pokazuje znalezione zegarki nixie (zdjęcie 1). Następnie pobierane są ustawienia z zegarka. Te ustawienia są zapisywane w zegarku. Zakładka umożliwiająca synchronizację czasu ręcznie lub automatycznie poprzez pobranie czasu ze smartfona (Zdjęcie 2). Zakładka do zmiany ustawień zegarka (rysunek 5). I wreszcie zakładka stanu, która pokazuje stan baterii. (Zdjęcie 6)

Krok 6: Funkcje i wrażenie

Funkcje zegarka:

- Dwie małe tuby nixie typu z5900m.

- Dokładny zegar czasu rzeczywistego.

- Obliczenia wykazały, że 350 godzin czasu czuwania było łatwo osiągalne.

- Bluetooth do kontrolowania ustawień i ustawiania czasu zegarka oraz sprawdzania stanu baterii.

- Niektóre ustawienia Bluetooth obejmują: włączanie/wyłączanie animacji, ręczne lub akcelerometryczne wyzwalanie lamp, włączanie/wyłączanie podświetlenia tła. Programowalny przycisk do wyświetlania temperatury procentowej baterii.

- Akcelerometr do wyzwalania rurek po obróceniu nadgarstka

- Bateria 300 mAh.

- Dioda RGB do wielu celów.

- Wskaźnik gazu akumulatora IC do dokładnego monitorowania stanu akumulatora.

- micro USB do ładowania baterii.

- Jeden wielokierunkowy przycisk do wyzwalania, połączenie Bluetooth i programowalny przycisk do odczytu temperatury lub stanu baterii, ręczne ustawianie czasu.

- Obudowa frezowana CNC z aluminium.

-Okno akrylowe do ochrony

- Aplikacja telefonu Bluetooth.

- Opcjonalna synchronizacja czasu przez WiFi.

- Opcjonalny silnik wibracyjny do sygnalizowania powiadomień ze smartfona, takich jak Whatsapp, Facebook, Snapchat, SMS…

- Najpierw pokazywane są godziny, potem minuty.

Oprogramowanie dla MCU w zegarku jest napisane w C++, C i asemblerze.

Oprogramowanie aplikacji jest napisane w języku xamarin C#.

Pierwsza nagroda w konkursie Wearables