Zegarek Nixie Tube: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Zbudowałem zegarek na początku tego roku, aby sprawdzić, czy mogę zrobić coś, co jest funkcjonalne. Miałem 3 główne wymagania projektowe

1. Zachowaj dokładny czas
2. Mieć baterię na cały dzień
3. Bądź wystarczająco mały, aby wygodnie nosić

Udało mi się spełnić pierwsze 2 wymagania, jednak trzecie jest trochę naciągane. Zauważasz, że ten wzór siedzi na twoim nadgarstku, ale nie jest on bezużyteczny. Chcę omówić proces projektowania i pokazać, co w tym projekcie poszło dobrze, a co nie. Opublikuję pliki do wykorzystania, ale jak wyjaśnię, sugerowałbym zmianę niektórych wyborów projektowych podczas tworzenia własnego modelu.

Ostrzeżenie dotyczące bezpieczeństwa

Ten projekt polega na przypięciu do nadgarstka urządzenia, które generuje napięcie 150 V DC. To może poważnie zranić lub spowodować obrażenia, jeśli nie będziesz uważać.

Krok 1: Potrzebne części

Projektując zegarek, musisz zacząć od wybrania komponentów.

Rury Nixie

Im mniejszy, tym lepiej. Użyłem IN-17, które zajmują niewiele miejsca, ale są dość wysokie. Rurka, której wyprowadzenia wychodzą poniżej liczby, może zmieścić się na mniejszym obszarze.

Zasilacz wysokiego napięcia

Ponieważ jest zasilany bateryjnie, musimy przekonwertować ~3V na co najmniej 150V. Użyłem płytki Taylor Electronics 1363. Możliwe jest zaprojektowanie własnej deski, ale będziesz musiał zwrócić szczególną uwagę na projekt. Korzystanie z gotowej płyty pozwoliło mi zmniejszyć rozmiar płyty do połowy tego, co przy lutowaniu ręcznym, co zakończyło się wydajniejszym i mniej dzwoniącym niż mój projekt.

Przełączniki wysokiego napięcia

Większość mikrokontrolerów zasilana jest napięciem 3-5V, a nie 150V. Aby się z nimi połączyć, potrzebujemy rejestru przesuwnego, tranzystorów lub innego urządzenia przełączającego zdolnego do wysokiego napięcia. Użyłem rejestru przesuwnego HV5523 dla tej płyty - technicznie wymagają one logiki 5V, ale odkryłem, że działają bez problemu 3,3V.

Mikrokontroler

Potrzebny jest najmniejszy MCU, który ma wystarczającą liczbę pinów do obsługi wszystkich urządzeń. Nie używaj do tego ATMega2560, ponieważ jest to przesada. Wybrałem ATTiny841, ponieważ miał dokładnie taką liczbę potrzebnych IO i obsługiwał Arduino IDE.

RTC

Aby zachować dokładny czas, potrzebujesz chipa RTC. Użyłem DS3231.

Inne części

• Regulator napięcia
• Interfejs do ustawiania czasu lub włączania wyświetlacza

  Użyłem czujnika gestów/zbliżenia APDS-9960 z ograniczonym powodzeniem

• Sposób na upewnienie się, że wszystko działa

  Miałem wyeksponowany port szeregowy i diodę LED RGB, aby pokazać aktualny stan urządzenia

• Możesz również chcieć metody ładowania baterii bez jej wyjmowania.

Krok 2: Przegląd funkcji

Przesłałem kilka moich wstępnych notatek dotyczących planowania układu obwodu i schemat blokowy głównych elementów tego, z czego ostatecznie korzystałem.

Po stronie wysokiego napięcia HVPS dostarcza +150 V przez rezystor ograniczający prąd do zacisku wspólnej anody (+) lamp Nixie. Rejestr przesuwny łączy się z każdą z cyfr lamp. Rejestr zmian jest urządzeniem typu Open Drain. Każdy pin może być podłączony bezpośrednio do masy lub pozostawiony odłączony od obwodu. Oznacza to, że wszystkie odłączone przewody rurki Nixie będą mierzyć 150 V, gdy nie będą używane.

Strona niskiego napięcia ma regulator buck/boost 3,3 V regulujący napięcie z akumulatora lipo. Utrzymuje to obwód na poziomie 3,3 V, gdy napięcie lipo spada z 3,7 do 3,0 V. Magistrala Attiny841 i2C łączy się z czujnikiem gestów i zegarem RTC. Nie pokazano diody RGB i połączenia szeregowego.

Podczas uruchamiania MCU sprawdzi czujnik gestów pod kątem informacji o bliskości. Aby uniknąć wyzwalania wyświetlacza przez rękaw, czujnik musi być odsłonięty na co najmniej 1 sekundę, a następnie zakryty na co najmniej 1 sekundę, a następnie odsłonięty, aby uruchomić działanie. Pierwotna wersja zegarka wyświetlałaby godzinę raz, jak opisano na ostatnim obrazku. Zaktualizowałem go, aby mógł przejść w tryb zawsze włączony, utrzymując czujnik dłużej zakryty.

Krok 3: Projekt tablicy

Nie będę wdawał się zbytnio w szczegóły, jak zrobić płytkę drukowaną, ponieważ jest już wiele informacji na ten temat. Niektóre przydatne ślady Nixie Tube są dostępne tutaj.

Kiedy zaprojektowałem swoją płytkę drukowaną, ułożyłem dwie mniejsze płytki, aby zmniejszyć ślad, jaki miałby przywiązany do mojego nadgarstka. Zauważyłem, że warto wydrukować i wyciąć papierową kopię PCB, aby upewnić się, że wszystkie moje ślady są wyrównane, a złącza są wyrównane. Miejsce pozwalające na próbę pozostawienia padów dla i2C i innych linii danych do sondowania lub lutowania również podczas testowania.

Eagle posiada funkcję, która pozwala przypisać model 3D do komponentu, a następnie wyeksportować model 3D swojej płytki do innego programu. Kiedy go używałem, był błędny, ale nadal bardzo przydatny, aby upewnić się, że żadne części nie będą ze sobą kolidować.

Aby zaoszczędzić miejsce, nie umieściłem ładowarki wewnątrz zegarka. Zamiast tego mam kilka żeńskich złączy DuPont z boku zegarka. Ostatnie zdjęcie tego zestawu przedstawia okablowanie, którego użyłem. Lewa strona znajduje się wewnątrz zegarka, prawa na zewnątrz. Aby naładować zegarek, podłącz zewnętrzne przewody do zewnętrznej ładowarki. Niebieska linia w pobliżu ujemnego bieguna akumulatora reprezentuje szczelinę z kluczem, która zapobiega włożeniu ładowarki do tyłu. Do włączenia zegarka służy mały kabel połączeniowy (zielony) do zmostkowania akumulatora + do VCC obwodu rzeczywistego. Daje to szybkie zabezpieczenie w przypadku problemów. Ze względu na układ nie można przypadkowo zwierać lub podłączać obwodu odwrotnie.

Krok 4: Montaż PCB

Zamówiłem swoje deski w OSHPark, ponieważ były dość szybkie, tanie i miały piękny fioletowy kolor:D

Dostajesz również 3 z każdej planszy, więc możesz zrobić 2 zegarki i mieć trzecią deskę do testowania.

Najpierw wykonaj pakiety QFN gorącym powietrzem, a następnie ręcznie przylutuj wszystko inne, zaczynając od mniejszych elementów. Nie podłączaj lamp Nixie ani HVPS. Jeśli masz szablon do lutowania i toster, radzisz sobie całkiem nieźle. Użyj omomierza, aby sprawdzić, czy na płytce drukowanej nie ma zwarć. Jeśli mierzysz zwarcie o średniej i wysokiej rezystancji, możesz mieć zbyt dużo pozostałości topnika na płytce. HV5523 ma bardzo drobne styki i nie widać, czy są zmostkowane pod IC. Daj swojej desce szansę na ochłodzenie, jeśli przerabiasz ją przez długi czas.

Po złożeniu komponentów niskiego napięcia uruchom program, który przejdzie przez wszystkie cyfry w rejestrze przesuwnym. Użyj analizatora stanów logicznych lub multimetru, aby upewnić się, że piny są wyciągane w NISKI, gdy jest to oczekiwane. Upewnij się również, że zegar czasu rzeczywistego i inne urządzenia reagują zgodnie z oczekiwaniami.

Przylutuj HVPS, a następnie rurki Nixie. W przypadku Nixie Tubes lutuj po 1 nodze na raz i nie pozostawiaj zbyt długo włączonego ciepła. Jeśli to możliwe, trzymaj nóżkę między płytką a szkłem za pomocą szczypiec, aby działała jak radiator. Daj rurkom szansę na ostygnięcie między lutowaniem każdej nogi.

Jeśli masz problemy z niedziałającą częścią i nie wiesz, czy jest to złącze lutowane, możesz spróbować lutowania "dead bug". Usuń chip z płyty i użyj cienkiego drutu do bezpośredniego lutowania do każdego padu. Upewnij się, że używasz drutu z powłoką emaliowaną, aby żaden z przewodów się nie zwierał.

Krok 5: Projekt obudowy

Korzystając z funkcji Eagles MCAD, łatwo jest uzyskać trójwymiarowy model obwodu, aby zbudować wokół niego obudowę. Paski do zegarków w standardowych rozmiarach są dostępne w aptece. Jeśli wykonałeś otwory montażowe w swojej płytce drukowanej, możesz utworzyć odstępy w swoim modelu i szybko przymocować płytkę. Moje odstępstwa zakończyły się odcięciem przez rurkę Nixie i nie nadawały się do użytku – użyłem Sugru, aby upewnić się, że pozostał w jednym miejscu.

Krok 6: Pliki projektu i napotkane problemy

Pliki Eagle i Solidworks

Bardziej solidny kod

Połączyłem wszystkie pliki, które stworzyłem podczas pracy nad tym projektem. Są one przesyłane w stanie, w jakim są, bez edycji lub polerowania. Nie jestem pewien, czy to dobrze, czy źle… Możesz zobaczyć mój schemat, projekt płytki, pliki Solidworks i kod Arduino. Wyjaśniłem, jakich wyborów dokonałem, a te pliki powinny pomóc Ci zobaczyć, jak zaimplementować te wybory we własnym zegarku.

W plikach Eagle plik HV.brd zawiera nixie footprints, HV5523, złącze dla HVPS i APDS-9960. APDS-9960 znajduje się na drugiej stronie, ponieważ jest kopiowany z pliku tablicy rozdzielczej Sparkfun 9960. Schematic.brd zawiera wszystkie rzeczy związane z niskim napięciem. Myślę, że wszystkie potrzebne biblioteki są dołączone.

Folder Solidworks to ogromny bałagan - eksport z eagle tworzył indywidualne pliki dla każdego rezystora i zrzucał wszystko. "Assem8" to plik do obejrzenia, aby zobaczyć wszystko dopasowane i zmontowane. Foldery „Eksportuj” to pliki STL o parametrach innych niż testowe.

Szkic Arduino w pierwszym kodzie jest pokazany w filmie na następnej stronie i jest używany we wszystkich dokumentach w tym dokumencie. Drugie łącze ma nowszą wersję, która zawiera wiele trybów wyświetlania. Jeśli RTC zresetuje się na tym szkicu, ustawi czas na 12 w południe przy następnym włączeniu zasilania. Dzięki temu zegarek może być używany jako zegar biurkowy, który jest zawsze podłączony.

Jeśli zdecydujesz się użyć moich plików jako punktu wyjścia, powinieneś wiedzieć o kilku problemach, których nie rozwiązałem.

1. APDS-9960 nie jest kompatybilny z Attiny Arduino Core. Wykrywanie zbliżeniowe działa, jednak nie mogę uzyskać niezawodnego odbioru kodu na sygnale przerwania dla gestów.
2. Nagłówek ISP jest zdublowany i jeden z pinów nie został podłączony.
3. Nagłówek ISP VCC trafia na niewłaściwą stronę regulatora napięcia. Jeśli nie zostanie odłączony, regulator napięcia natychmiast się usmaży
4. Uchwyt baterii CR zachodzi na nagłówek i2C o kilka mm

Krok 7: Wynik końcowy

Pod koniec tej odysei mam działający zegarek Nixie. Jest trochę użyteczny, ale bardziej dowodem koncepcji niż codzienny zegarek. Druga tablica została przekształcona w zegar biurkowy, a trzecia została zniszczona podczas procesu budowania.

Kilka przydatnych linków, jeśli zamierzasz spróbować zaprojektować własny zegarek:

Grupa dyskusyjna Nixie Tube

EEVBlog Nixie Playlista

Eksport Eagle do Fusion