Nixie Tube Watch: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:36

Έφτιαξα ένα ρολόι νωρίτερα φέτος για να δω αν θα μπορούσα να φτιάξω κάτι λειτουργικό. Είχα 3 βασικές απαιτήσεις σχεδιασμού

1. Κρατήστε ακριβή ώρα
2. Να έχει μπαταρία όλη μέρα
3. Να είναι αρκετά μικρό για να φοριέται άνετα

Κατάφερα να ικανοποιήσω τις 2 πρώτες απαιτήσεις, ωστόσο η τρίτη είναι λίγο τεντωμένη. Παρατηρείτε αυτό το σχέδιο που κάθεται στον καρπό σας, αλλά δεν είναι άχρηστο. Θέλω να εξετάσω τη διαδικασία σχεδιασμού και να δείξω τι πήγε σωστά και τι λάθος σε αυτό το έργο. Θα δημοσιεύσω αρχεία για χρήση, αλλά όπως θα εξηγήσω θα συνιστούσα να αλλάξετε ορισμένες επιλογές σχεδίασης όταν φτιάχνετε το δικό σας μοντέλο.

Προειδοποίηση ασφαλείας

Αυτό το έργο περιλαμβάνει το δέσιμο μιας συσκευής στον καρπό σας που παράγει 150V DC. Αυτό θα βλάψει σοβαρά ή θα προκαλέσει τραυματισμό εάν δεν δώσετε προσοχή.

Βήμα 1: Απαιτούνται εξαρτήματα

Όταν σχεδιάζετε το ρολόι σας, πρέπει να ξεκινήσετε επιλέγοντας τα εξαρτήματά σας.

Nixie Tubes

Όσο μικρότερο τόσο το καλύτερο. Χρησιμοποίησα IN-17 που έχουν μικρό αποτύπωμα, αλλά είναι αρκετά ψηλά. Ένας σωλήνας που έχει τα καλώδια που βγαίνουν κάτω από τον αριθμό μπορεί να είναι σε θέση να συμπιεστεί σε μια μικρότερη περιοχή.

Τροφοδοτικό υψηλής τάσης

Δεδομένου ότι λειτουργεί με μπαταρία, πρέπει να μετατρέψουμε ~ 3V σε τουλάχιστον 150V. Χρησιμοποίησα έναν πίνακα Taylor Electronics 1363. Είναι δυνατόν να σχεδιάσετε τον δικό σας πίνακα, αλλά θα πρέπει να δώσετε μεγάλη προσοχή στο σχέδιο. Η χρήση ενός προκατασκευασμένου πίνακα μου επέτρεψε να συρρικνώσω το μέγεθος της σανίδας στο μισό από αυτό που θα ήταν με τη συγκόλληση στο χέρι και κατέληξε να είναι πιο αποτελεσματική και λιγότερο κουδουνίσματα από ό, τι ήταν το σχέδιό μου.

Διακόπτες υψηλής τάσης

Οι περισσότεροι μικροελεγκτές τρέχουν 3-5V, όχι 150V. Για τη διασύνδεσή τους χρειαζόμαστε έναν καταχωρητή αλλαγής ταχυτήτων, τρανζίστορ ή άλλη συσκευή μεταγωγής ικανή για υψηλή τάση. Χρησιμοποίησα το HV5523 Shift Register για αυτόν τον πίνακα - τεχνικά απαιτούν λογική 5V, αλλά διαπίστωσα ότι λειτούργησαν στα 3.3V χωρίς πρόβλημα.

Μικροελεγκτής

Απαιτείται το μικρότερο MCU που έχει αρκετές καρφίτσες για να τρέξει όλες τις συσκευές σας. Μην χρησιμοποιείτε ATMega2560 για αυτό καθώς είναι υπερβολικό. Διάλεξα το ATTiny841 επειδή είχε ακριβώς τον αριθμό IO που χρειαζόταν και υποστήριζε το Arduino IDE.

RTC

Για να διατηρήσετε τον ακριβή χρόνο χρειάζεστε ένα τσιπ RTC. Χρησιμοποίησα το DS3231.

Αλλα μέρη

• Ρυθμιστής τάσης

• Διασύνδεση για ρύθμιση ώρας ή ενεργοποίηση της οθόνης

  Χρησιμοποίησα έναν αισθητήρα χειρονομίας/εγγύτητας APDS-9960 με περιορισμένη επιτυχία

• Ένας τρόπος για να βεβαιωθείτε ότι όλα λειτουργούν

  Είχα εκτεθειμένη σειριακή θύρα και LED RGB για να δείξω την τρέχουσα κατάσταση της συσκευής

• Μπορεί επίσης να θέλετε μια μέθοδο φόρτισης της μπαταρίας χωρίς να την αφαιρέσετε.

Βήμα 2: Επισκόπηση λειτουργιών

Έχω ανεβάσει μερικές από τις αρχικές μου σημειώσεις για τον προγραμματισμό της διάταξης κυκλώματος και ένα μπλοκ διάγραμμα των κύριων στοιχείων αυτού που κατέληξα να χρησιμοποιήσω.

Η πλευρά υψηλής τάσης έχει το HVPS που παρέχει +150V μέσω μιας αντίστασης περιορισμού ρεύματος στον τερματικό Common Anode (+) των σωλήνων Nixie. Το Shift Register συνδέεται με καθένα από τα ψηφία των σωλήνων. Το Shift Register είναι μια συσκευή Open Drain. Κάθε πείρος μπορεί είτε να συνδεθεί απευθείας με τη γείωση είτε να αποσυνδεθεί από το κύκλωμα. Αυτό σημαίνει ότι όλα τα αποσυνδεδεμένα καλώδια του σωλήνα nixie θα έχουν μέτρο 150V όταν δεν χρησιμοποιούνται.

Η πλευρά χαμηλής τάσης διαθέτει ρυθμιστή buck 3.3V/boost που ρυθμίζει την τάση από μια μπαταρία λιπό. Αυτό διατηρεί το κύκλωμα στα 3.3V καθώς η τάση λιπό μειώνεται από τα 3.7 στα 3.0V. Ο δίαυλος Attiny841 i2C συνδέεται με τον αισθητήρα κινήσεων και το RTC. Δεν εμφανίζεται η σύνδεση led και η σειριακή σύνδεση RGB.

Κατά την εκτέλεση, το MCU θα ελέγξει τον αισθητήρα χειρονομίας για πληροφορίες εγγύτητας. Για να αποφευχθεί η ενεργοποίηση της οθόνης, απαιτείται ο αισθητήρας να είναι ακάλυπτος για τουλάχιστον 1 δευτερόλεπτο, στη συνέχεια να καλύπτεται για τουλάχιστον 1 δευτερόλεπτο και στη συνέχεια να αποκαλύπτεται για να ενεργοποιήσει μια ενέργεια. Η αρχική έκδοση του ρολογιού θα εμφανίζει την ώρα μία φορά όπως περιγράφεται στην τελευταία εικόνα. Το έχω ενημερώσει έτσι ώστε να έχει τη δυνατότητα να μπαίνει πάντα σε λειτουργία, διατηρώντας τον αισθητήρα καλυμμένο περισσότερο.

Βήμα 3: Σχεδιασμός σανίδων

Δεν θα υπεισέλθω σε πολλές λεπτομέρειες σχετικά με τον τρόπο κατασκευής ενός PCB, καθώς υπάρχουν ήδη πολλές πληροφορίες σχετικά με αυτό. Μερικά χρήσιμα αποτυπώματα Nixie Tube είναι διαθέσιμα εδώ.

Όταν σχεδίασα το PCB μου στοίβαξα δύο μικρότερες σανίδες για να μειώσω το αποτύπωμα που θα είχε όταν ήταν δεμένο στον καρπό μου. Θεώρησα χρήσιμο να εκτυπώσω και να κόψω ένα αντίγραφο χαρτιού του PCB για να βεβαιωθώ ότι όλα τα ίχνη μου είναι ευθυγραμμισμένα και ότι οι συνδέσεις είναι ευθυγραμμισμένες. Εάν επιτρέπεται ο χώρος, προσπαθήστε να αφήσετε τα μαξιλάρια διάσπασης για το i2C και άλλες γραμμές δεδομένων για να ανιχνευθούν ή να συγκολληθούν επίσης κατά τη διάρκεια της δοκιμής.

Το Eagle διαθέτει μια δυνατότητα που σας επιτρέπει να αντιστοιχίσετε ένα τρισδιάστατο μοντέλο σε ένα στοιχείο και, στη συνέχεια, να εξάγετε ένα τρισδιάστατο μοντέλο της πλακέτας σας σε άλλο πρόγραμμα. Buταν σφάλμα όταν το χρησιμοποιούσα, αλλά εξακολουθούσε να είναι πολύ χρήσιμο για να βεβαιωθείτε ότι κανένα μέρος δεν θα παρεμβαίνει μεταξύ τους.

Για εξοικονόμηση χώρου δεν συμπεριέλαβα φορτιστή μπαταρίας μέσα στο ρολόι. Αντ 'αυτού έχω μερικές θηλυκές υποδοχές DuPont στο πλάι του ρολογιού. Η τελευταία εικόνα αυτού του συνόλου δείχνει την καλωδίωση που χρησιμοποίησα. Η αριστερή πλευρά είναι μέσα στο ρολόι, η δεξιά είναι έξω. Για να φορτίσετε το ρολόι συνδέετε τα εξωτερικά καλώδια στον εξωτερικό φορτιστή. Η μπλε γραμμή κοντά στην αρνητική μπαταρία αντιπροσωπεύει μια υποδοχή με κλειδί για να αποτρέψετε την τοποθέτηση του φορτιστή προς τα πίσω. Για να ενεργοποιήσετε το ρολόι, χρησιμοποιείτε ένα μικρό καλώδιο βραχυκυκλωτήρα (πράσινο) για να γεφυρώσετε την μπαταρία + στο VCC του πραγματικού κυκλώματος. Αυτό δίνει γρήγορη αστοχία σε περίπτωση προβλήματος. Λόγω της διάταξης, δεν μπορείτε να βραχυκυκλώσετε κατά λάθος ή να συνδέσετε το κύκλωμα προς τα πίσω.

Βήμα 4: Συναρμολόγηση PCB

Παρήγγειλα τις σανίδες μου από το OSHPark επειδή ήταν αρκετά γρήγορες, φθηνές και είχαν υπέροχο μοβ χρώμα: D

Επίσης, παίρνετε 3 από κάθε πίνακα, ώστε να μπορείτε να φτιάξετε 2 ρολόγια και να έχετε έναν τρίτο πίνακα για δοκιμή.

Κάντε πρώτα τα πακέτα QFN με ζεστό αέρα και μετά κολλήστε με το χέρι όλα τα υπόλοιπα ξεκινώντας από τα μικρότερα εξαρτήματα. Μην συνδέετε τους σωλήνες Nixie ή το HVPS. Εάν διαθέτετε ένα στένσιλ συγκόλλησης και έναν φούρνο τοστιέρα, τότε τα πάτε πολύ καλά. Χρησιμοποιήστε ένα ωμόμετρο για να ελέγξετε για σορτς στο PCB σας. Εάν μετράτε κοντή μεσαία υψηλή αντίσταση, μπορεί να έχετε πάρα πολλά υπολείμματα ροής στον πίνακα. Το HV5523 έχει πολύ λεπτές ακίδες και δεν μπορείτε να δείτε αν γεφυρώνονται κάτω από το IC. Δώστε την ευκαιρία στον πίνακά σας να δροσιστεί αν το ξαναδουλέψετε για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Μόλις συναρμολογηθούν τα εξαρτήματα χαμηλής τάσης, εκτελέστε ένα πρόγραμμα που θα μετακινεί όλα τα ψηφία στον καταχωρητή βάρδιας. Χρησιμοποιήστε έναν λογικό αναλυτή ή πολύμετρο για να επιβεβαιώσετε ότι οι ακίδες τραβιούνται ΧΑΜΗΛΑ όταν αναμένεται. Επίσης, βεβαιωθείτε ότι το RTC και άλλες συσκευές σας ανταποκρίνονται όπως αναμένεται.

Συγκολλήστε το HVPS, στη συνέχεια τους σωλήνες nixie. Για το Nixie Tubes κολλήστε 1 πόδι τη φορά και μην αφήνετε τη θερμότητα να ενεργοποιηθεί για πολύ. Εάν είναι δυνατόν, κρατήστε το πόδι μεταξύ του PCB και του γυαλιού με πένσα για να λειτουργήσει ως ψύκτρα. Δώστε στους σωλήνες την ευκαιρία να κρυώσουν μεταξύ της συγκόλλησης κάθε ποδιού.

Εάν αντιμετωπίζετε προβλήματα με το εξάρτημα που δεν λειτουργεί και δεν γνωρίζετε εάν πρόκειται για κόλληση, μπορείτε να δοκιμάσετε τη συγκόλληση "dead bug". Αφαιρέστε το τσιπ από τον πίνακα και χρησιμοποιήστε λεπτό σύρμα για να κολλήσετε απευθείας σε κάθε μαξιλάρι. Βεβαιωθείτε ότι χρησιμοποιείτε σύρμα με επίστρωση σμάλτου, ώστε κανένα από τα καλώδια να μην είναι κοντά μεταξύ τους.

Βήμα 5: Σχεδιασμός θήκης

Χρησιμοποιώντας τις λειτουργίες Eagles MCAD, είναι εύκολο να αποκτήσετε ένα τρισδιάστατο μοντέλο του κυκλώματος για να δημιουργήσετε μια θήκη γύρω από αυτό. Τυπικά μεγέθη ιμάντες ρολογιού διατίθενται στο φαρμακείο/πολυκατάστημα. Εάν δημιουργήσατε τρύπες τοποθέτησης στο PCB σας, μπορείτε να δημιουργήσετε ανασταλτικά προβλήματα στο μοντέλο σας και να στερεώσετε γρήγορα τον πίνακα. Οι αντιδράσεις μου κατέληξαν σε διακοπή από τον σωλήνα Nixie και δεν ήταν χρήσιμες - χρησιμοποίησα το Sugru για να βεβαιωθώ ότι θα μείνει σε ένα μέρος.

Βήμα 6: Αρχεία έργου και προβλήματα που αντιμετωπίζονται

Αρχεία Eagle και Solidworks

Πιο ισχυρός κώδικας

Έχω συνδέσει όλα τα αρχεία που έκανα κατά την εργασία σε αυτό το έργο. Μεταφορτώνονται ως έχουν, χωρίς επεξεργασία ή στίλβωση. Δεν είμαι σίγουρος αν αυτό είναι καλό ή κακό … Μπορείτε να δείτε το σχηματικό μου σχέδιο, τον πίνακα, τα αρχεία Solidworks και τον κώδικα Arduino. Έχω εξηγήσει ποιες επιλογές έκανα και αυτά τα αρχεία θα σας βοηθήσουν να δείτε πώς να εφαρμόσετε αυτές τις επιλογές στο δικό σας ρολόι.

Στα αρχεία Eagle, το HV.brd περιέχει τα ίχνη nixie, HV5523, σύνδεσμο για το HVPS και το APDS-9960. Το APDS-9960 βρίσκεται σε δεύτερη σελίδα, καθώς αντιγράφεται από το αρχείο πίνακα διακοπής 9960 του Sparkfun. Το Schematic.brd περιέχει όλα τα υλικά χαμηλής τάσης. Νομίζω ότι όλες οι απαραίτητες βιβλιοθήκες περιλαμβάνονται.

Ο φάκελος Solidworks είναι ένα τεράστιο χάος - Η εξαγωγή από τον αετό δημιούργησε μεμονωμένα αρχεία για κάθε αντίσταση και έριξε τα πάντα. Το "Assem8" είναι το αρχείο που πρέπει να κοιτάξετε για να δείτε τα πάντα ζευγαρωμένα και συναρμολογημένα. Οι φάκελοι "Εξαγωγή" είναι αρχεία STL με διαφορετικές παραμέτρους από τη δοκιμή.

Το σκίτσο Arduino στον πρώτο κώδικα είναι αυτό που παρουσιάζεται στο βίντεο στην επόμενη σελίδα και είναι αυτό που χρησιμοποιείται για όλα τα έγγραφα σε αυτό το έγγραφο. Ο δεύτερος σύνδεσμος έχει μια νεότερη αναθεώρηση που περιλαμβάνει πολλαπλές λειτουργίες εμφάνισης. Εάν το RTC επανεκκινήσει σε αυτό το σκίτσο, θα ρυθμίσει την ώρα στις 12 το μεσημέρι κατά την επόμενη ενεργοποίηση. Αυτό είναι έτσι ώστε το ρολόι να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ρολόι γραφείου που είναι πάντα συνδεδεμένο στην πρίζα.

Εάν αποφασίσετε να χρησιμοποιήσετε τα αρχεία μου ως σημείο εκκίνησης, θα πρέπει να γνωρίζετε μερικά ζητήματα που δεν έχω λύσει.

1. Το APDS-9960 δεν είναι συμβατό με το Attiny Arduino Core. Ο εντοπισμός εγγύτητας λειτουργεί, ωστόσο δεν μπορώ να πάρω τον κώδικα για αξιόπιστη λήψη του σήματος διακοπής για χειρονομίες.
2. Η κεφαλίδα του ISP αντικατοπτρίζεται και μία από τις ακίδες δεν ήταν συνδεδεμένη.
3. Η κεφαλίδα του ISP VCC πηγαίνει στη λάθος πλευρά του ρυθμιστή τάσης. Εάν αυτό δεν αποσυνδεθεί, ο ρυθμιστής τάσης θα τηγανιστεί αμέσως
4. Η θήκη μπαταρίας CR επικαλύπτει την κεφαλίδα i2C κατά μερικά mm

Βήμα 7: Τελικό αποτέλεσμα

Στο τέλος αυτής της οδύσσειας έχω ένα ρολόι Nixie που λειτουργεί. Είναι κάπως χρησιμοποιήσιμο, αλλά περισσότερο απόδειξη της ιδέας παρά ένα καθημερινό ρολόι. Ο δεύτερος πίνακας μετατράπηκε σε ρολόι γραφείου και ο τρίτος πίνακας καταστράφηκε κατά τη διαδικασία κατασκευής.

Μερικοί χρήσιμοι σύνδεσμοι εάν πρόκειται να δοκιμάσετε να σχεδιάσετε το δικό σας ρολόι:

Ομάδα Google Nixie Tube

Λίστα αναπαραγωγής EEVBlog Nixie

Εξαγωγή Eagle to Fusion