Nixie Tube Watch: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:06

ฉันสร้างนาฬิกาเมื่อต้นปีนี้เพื่อดูว่าฉันจะทำบางอย่างที่ใช้งานได้จริงได้ไหม ฉันมีข้อกำหนดการออกแบบหลัก 3 ข้อ

1. รักษาเวลาให้ถูกต้อง
2. มีแบตเตอรี่ตลอดวัน
3. ตัวเล็กใส่ได้สบาย

ฉันจัดการตามข้อกำหนด 2 ข้อแรกได้แล้ว แต่ข้อที่สามค่อนข้างจะยุ่งยาก คุณสังเกตเห็นการออกแบบนี้อยู่บนข้อมือของคุณ แต่มันใช้ไม่ได้ ฉันต้องการทบทวนขั้นตอนการออกแบบและแสดงให้เห็นว่าอะไรถูกและผิดในโครงการนี้ ฉันจะโพสต์ไฟล์เพื่อใช้งาน แต่อย่างที่ฉันจะอธิบาย ฉันขอแนะนำให้เปลี่ยนตัวเลือกการออกแบบบางอย่างเมื่อสร้างแบบจำลองของคุณเอง

คำเตือนด้านความปลอดภัย

โปรเจ็กต์นี้เกี่ยวข้องกับการรัดอุปกรณ์เข้ากับข้อมือของคุณซึ่งสร้างกระแสไฟ 150V DC สิ่งนี้จะทำร้ายหรือทำให้เกิดการบาดเจ็บได้หากคุณไม่ใส่ใจ

ขั้นตอนที่ 1: อะไหล่ที่จำเป็น

เมื่อคุณออกแบบนาฬิกา คุณต้องเริ่มต้นด้วยการเลือกส่วนประกอบของคุณ

Nixie Tubes

ยิ่งเล็กยิ่งดี ฉันใช้ IN-17 ซึ่งมีขนาดเล็ก แต่ค่อนข้างสูง หลอดที่มีลีดออกมาต่ำกว่าตัวเลขอาจบีบเข้าไปในพื้นที่ที่เล็กกว่าได้

แหล่งจ่ายไฟฟ้าแรงสูง

เนื่องจากสิ่งนี้ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ เราจึงต้องแปลง ~3V เป็นอย่างน้อย 150V ฉันใช้บอร์ด Taylor Electronics 1363 คุณสามารถออกแบบบอร์ดของคุณเองได้ แต่คุณจะต้องใส่ใจกับการออกแบบเป็นพิเศษ การใช้บอร์ดที่สร้างไว้ล่วงหน้าช่วยให้ฉันสามารถย่อขนาดของบอร์ดให้เหลือเพียงครึ่งหนึ่งของการบัดกรีด้วยมือ และจบลงด้วยการมีประสิทธิภาพมากขึ้นและมีเสียงกริ่งน้อยกว่าการออกแบบของฉัน

สวิตช์ไฟฟ้าแรงสูง

ไมโครคอนโทรลเลอร์ส่วนใหญ่ใช้ไฟ 3-5V ไม่ใช่ 150V ในการเชื่อมต่อกับพวกมัน เราจำเป็นต้องมี shift register, ทรานซิสเตอร์ หรืออุปกรณ์สวิตชิ่งอื่นๆ ที่สามารถใช้ไฟฟ้าแรงสูงได้ ฉันใช้ HV5523 Shift Register สำหรับบอร์ดนี้ - ในทางเทคนิคแล้วพวกเขาต้องการตรรกะ 5V แต่ฉันพบว่าใช้งานได้ 3.3V โดยไม่มีปัญหา

ไมโครคอนโทรลเลอร์

MCU ที่เล็กที่สุดที่มีพินเพียงพอที่จะเรียกใช้อุปกรณ์ทั้งหมดของคุณเป็นสิ่งจำเป็น อย่าใช้ ATMega2560 สำหรับสิ่งนี้เพราะมันเกินความสามารถ ฉันเลือก ATTiny841 เพราะมันมีจำนวน IO ที่จำเป็นและรองรับ Arduino IDE

RTC

คุณต้องใช้ชิป RTC เพื่อรักษาเวลาให้แม่นยำ ผมใช้ DS3231

ส่วนอื่นๆ

• ตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

• อินเทอร์เฟซสำหรับตั้งเวลาหรือเปิดจอแสดงผล

  ฉันใช้เซ็นเซอร์ท่าทางสัมผัส/พร็อกซิมิตี APDS-9960 โดยจำกัดความสำเร็จ

• วิธีตรวจสอบให้แน่ใจว่าทุกอย่างทำงาน

  ฉันมีพอร์ตอนุกรมที่เปิดโล่งและไฟ LED RGB เพื่อแสดงสถานะอุปกรณ์ปัจจุบัน

• คุณอาจต้องการวิธีการชาร์จแบตเตอรี่โดยไม่ต้องถอดออก

ขั้นตอนที่ 2: ภาพรวมการทำงาน

ฉันได้อัปโหลดบันทึกย่อเริ่มต้นบางส่วนของฉันสำหรับการวางแผนเค้าโครงวงจรและบล็อกไดอะแกรมของส่วนประกอบหลักของสิ่งที่ฉันใช้

ด้านไฟฟ้าแรงสูงมี HVPS จ่าย +150V ผ่านตัวต้านทานจำกัดกระแสไปยังขั้วบวกทั่วไป (+) ของ Nixie Tubes Shift Register เชื่อมต่อกับแต่ละหลักของหลอด Shift Register เป็นอุปกรณ์ Open Drain แต่ละพินสามารถผูกติดกับกราวด์ได้โดยตรง หรือถอดออกจากวงจรก็ได้ ซึ่งหมายความว่าลีดที่ตัดการเชื่อมต่อทั้งหมดของท่อนิกซี่จะวัด 150V เมื่อไม่ได้ใช้งาน

ด้านแรงดันต่ำมีตัวควบคุม buck/boost 3.3V ที่ควบคุมแรงดันไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ lipo สิ่งนี้ทำให้วงจรอยู่ที่ 3.3V เนื่องจากแรงดันไลโปลดลงจาก 3.7 เป็น 3.0V บัส Attiny841 i2C เชื่อมต่อกับเซ็นเซอร์ท่าทางสัมผัสและ RTC ไม่แสดงเป็นไฟ LED RGB และการเชื่อมต่อแบบอนุกรม

เมื่อเรียกใช้ MCU จะตรวจสอบเซ็นเซอร์ท่าทางสัมผัสสำหรับข้อมูลความใกล้ชิด เพื่อป้องกันไม่ให้ปลอกหุ้มกระตุ้นการแสดงผล จำเป็นต้องเปิดเซ็นเซอร์อย่างน้อย 1 วินาที จากนั้นปิดฝาอย่างน้อย 1 วินาที จากนั้นจึงเปิดออกเพื่อกระตุ้นการดำเนินการ นาฬิการุ่นแรกจะแสดงเวลาหนึ่งครั้งตามที่อธิบายไว้ในภาพสุดท้าย ฉันได้อัปเดตเพื่อให้มีความสามารถในการเข้าสู่โหมดเปิดตลอดเวลาโดยปิดเซ็นเซอร์ไว้นานขึ้น

ขั้นตอนที่ 3: การออกแบบบอร์ด

ฉันจะไม่ลงรายละเอียดมากเกินไปเกี่ยวกับวิธีการสร้าง PCB เนื่องจากมีข้อมูลมากมายอยู่แล้ว รอยเท้า Nixie Tube ที่มีประโยชน์มีอยู่ที่นี่

เมื่อฉันออกแบบ PCB ของฉัน ฉันวางแผงขนาดเล็กลงสองแผ่นซ้อนกันเพื่อลดรอยเท้าที่มันจะเกิดขึ้นเมื่อรัดเข้ากับข้อมือของฉัน ฉันพบว่ามีประโยชน์ในการพิมพ์และตัดสำเนากระดาษของ PCB ออกเพื่อให้แน่ใจว่ารอยเท้าทั้งหมดของฉันเรียงกันและตัวเชื่อมต่ออยู่ในแนวเดียวกัน พื้นที่ที่อนุญาตให้พยายามทิ้งแผ่นรองฝ่าวงล้อมสำหรับ i2C และสายข้อมูลอื่น ๆ เพื่อสอบสวนหรือประสานระหว่างการทดสอบ

Eagle มีฟีเจอร์ที่ให้คุณกำหนดโมเดล 3 มิติให้กับส่วนประกอบ จากนั้นส่งออกโมเดล 3 มิติของบอร์ดของคุณไปยังโปรแกรมอื่น เมื่อฉันใช้งานมันมีปัญหา แต่ก็ยังมีประโยชน์มากเพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีส่วนใดรบกวนซึ่งกันและกัน

เพื่อประหยัดพื้นที่ ฉันไม่ได้ใส่เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ไว้ในนาฬิกา แต่ฉันมีขั้วต่อดูปองท์ตัวเมียที่ด้านข้างของนาฬิกา ภาพสุดท้ายของชุดนี้แสดงการเดินสายไฟที่ฉันใช้ ด้านซ้ายอยู่ในนาฬิกา ด้านขวาอยู่ด้านนอก ในการชาร์จนาฬิกา คุณต้องต่อสายที่อยู่นอกสุดกับที่ชาร์จภายนอก เส้นสีน้ำเงินใกล้กับขั้วลบของแบตเตอรี่แสดงถึงช่องเสียบแบบมีกุญแจเพื่อป้องกันไม่ให้เสียบที่ชาร์จกลับด้าน ในการเปิดนาฬิกา คุณต้องใช้สายจัมเปอร์ขนาดเล็ก (สีเขียว) เพื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่ + กับ VCC ของวงจรจริง ซึ่งจะทำให้ระบบป้องกันความผิดพลาดรวดเร็วในกรณีที่เกิดปัญหา เนื่องจากเค้าโครงคุณไม่สามารถลัดวงจรหรือเชื่อมต่อวงจรย้อนกลับโดยไม่ได้ตั้งใจ

ขั้นตอนที่ 4: การประกอบ PCB

ฉันสั่งบอร์ดของฉันจาก OSHPark เพราะมันค่อนข้างเร็ว ราคาถูก และมีสีม่วงน่ารัก:D

นอกจากนี้ คุณยังได้รับบอร์ด 3 อัน ดังนั้นคุณสามารถสร้างนาฬิกาได้ 2 เรือน และมีบอร์ดที่สามสำหรับการทดสอบ

ทำแพ็คเกจ QFN ด้วยลมร้อนก่อน จากนั้นประสานมือทุกอย่างโดยเริ่มจากส่วนประกอบที่เล็กกว่า อย่าต่อสายท่อ Nixie หรือ HVPS ของคุณ หากคุณมีลายฉลุประสานและเตาอบเครื่องปิ้งขนมปังแสดงว่าคุณทำได้ดีทีเดียว ใช้โอห์มมิเตอร์เพื่อตรวจสอบขาสั้นบน PCB ของคุณ หากคุณวัดค่าความต้านทานช่วงสั้นปานกลางถึงสูง คุณอาจมีฟลักซ์ตกค้างบนกระดานมากเกินไป HV5523 มีพินแหลมที่ละเอียดมาก และคุณไม่สามารถดูได้ว่ามันเชื่อมต่ออยู่ใต้ IC หรือไม่ ให้โอกาสบอร์ดของคุณคลายร้อนหากคุณทำใหม่เป็นเวลานาน

เมื่อประกอบส่วนประกอบไฟฟ้าแรงต่ำแล้ว ให้รันโปรแกรมที่จะวนผ่านตัวเลขทั้งหมดในทะเบียนกะ ใช้เครื่องวิเคราะห์ลอจิกหรือมัลติมิเตอร์เพื่อยืนยันว่าหมุดถูกดึงต่ำเมื่อคาดไว้ ตรวจสอบให้แน่ใจด้วยว่า RTC และอุปกรณ์อื่นๆ ของคุณตอบสนองตามที่คาดไว้

บัดกรี HVPS ตามด้วยหลอดนิกซี่ สำหรับ Nixie Tubes บัดกรีครั้งละ 1 ขาและอย่าปล่อยให้ความร้อนนานเกินไป หากเป็นไปได้ให้จับขาระหว่าง PCB กับแก้วด้วยคีมเพื่อทำหน้าที่เป็นฮีทซิงค์ ให้หลอดมีโอกาสเย็นลงระหว่างการบัดกรีขาแต่ละข้าง

หากคุณกำลังมีปัญหากับชิ้นส่วนที่ไม่ทำงานและคุณไม่ทราบว่าเป็นข้อต่อแบบบัดกรีหรือไม่ คุณสามารถลองใช้การบัดกรีแบบ "จุดบอด" ได้ นำชิปออกจากบอร์ดและใช้ลวดละเอียดในการบัดกรีแต่ละแผ่นโดยตรง ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณใช้ลวดที่เคลือบด้วยอีนาเมล เพื่อไม่ให้สายใดสั้นเข้าด้วยกัน

ขั้นตอนที่ 5: การออกแบบเคส

การใช้ฟังก์ชัน Eagles MCAD ทำให้ง่ายต่อการสร้างโมเดล 3 มิติของวงจรเพื่อสร้างเคสรอบๆ สายนาฬิกาขนาดมาตรฐานมีจำหน่ายที่ร้านขายยา/ห้างสรรพสินค้า หากคุณทำรูสำหรับยึดบน PCB ของคุณ คุณสามารถสร้างข้อขัดแย้งในแบบจำลองของคุณและยึดบอร์ดได้อย่างรวดเร็ว ความขัดแย้งของฉันจบลงด้วยการตัดท่อ Nixie และไม่สามารถใช้งานได้ - ฉันใช้ Sugru เพื่อให้แน่ใจว่าอยู่ในที่เดียว

ขั้นตอนที่ 6: ไฟล์โครงการและปัญหาที่ต้องเผชิญ

ไฟล์ Eagle และ Solidworks

รหัสที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น

ฉันได้เชื่อมโยงไฟล์ทั้งหมดที่ฉันสร้างไว้ในขณะที่ทำงานในโครงการนี้ สิ่งเหล่านี้ถูกอัปโหลดตามที่เป็นอยู่ ไม่มีการแก้ไขหรือขัดเกลา ไม่แน่ใจว่าดีหรือไม่ดี… คุณสามารถเห็นแผนผังของฉัน การออกแบบบอร์ด ไฟล์ Solidworks และรหัส Arduino ฉันได้อธิบายตัวเลือกที่ฉันทำแล้ว และไฟล์เหล่านี้จะช่วยให้คุณเห็นวิธีการใช้ตัวเลือกเหล่านั้นในนาฬิกาของคุณเอง

ในไฟล์ Eagle HV.brd ประกอบด้วยรอยเท้า nixie, HV5523, ตัวเชื่อมต่อสำหรับ HVPS และ APDS-9960 APDS-9960 อยู่ในหน้าที่ 2 เนื่องจากคัดลอกมาจากไฟล์กระดานฝ่าวงล้อม 9960 ของ Sparkfun Schematic.brd มีสิ่งของแรงดันไฟฟ้าต่ำทั้งหมด ฉันคิดว่าห้องสมุดที่จำเป็นนั้นรวมอยู่ด้วย

โฟลเดอร์ Solidworks นั้นยุ่งเหยิงมาก - การส่งออกจาก eagle สร้างไฟล์แต่ละไฟล์สำหรับตัวต้านทานแต่ละตัว และทิ้งทุกอย่าง "Assem8" เป็นไฟล์ที่จะดูทุกอย่างที่ผสมพันธุ์และประกอบ โฟลเดอร์ "ส่งออก" เป็นไฟล์ STL ที่มีพารามิเตอร์ต่างจากการทดสอบ

ภาพสเก็ตช์ Arduino ในโค้ดแรกคือสิ่งที่สาธิตในวิดีโอในหน้าถัดไป และคือสิ่งที่ใช้สำหรับเอกสารทั้งหมดในเอกสารนี้ ลิงก์ที่สองมีการแก้ไขที่ใหม่กว่าที่มีโหมดการแสดงผลหลายโหมด หาก RTC รีเซ็ตบนสเก็ตช์นี้จะตั้งเวลาเป็น 12.00 น. เมื่อเปิดเครื่องครั้งถัดไป เพื่อให้นาฬิกาสามารถใช้เป็นนาฬิกาตั้งโต๊ะที่เสียบปลั๊กอยู่เสมอ

หากคุณตัดสินใจที่จะใช้ไฟล์ของฉันเป็นจุดเริ่มต้น คุณควรตระหนักถึงปัญหาบางอย่างที่ฉันยังไม่ได้แก้ไข

1. APDS-9960 ไม่รองรับ Attiny Arduino Core การตรวจจับความใกล้เคียงใช้งานได้ แต่ฉันไม่สามารถรับรหัสเพื่อรับสัญญาณขัดจังหวะสำหรับท่าทางสัมผัสได้อย่างน่าเชื่อถือ
2. ส่วนหัวของ ISP ถูกมิเรอร์และหมุดตัวใดตัวหนึ่งไม่ได้เชื่อมต่อ
3. ส่วนหัว ISP VCC ไปทางด้านที่ไม่ถูกต้องของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า หากไม่ได้ตัดการเชื่อมต่อตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าจะทอดทันที
4. ที่ใส่แบตเตอรี่ CR ซ้อนทับส่วนหัว i2C สองสามมม

ขั้นตอนที่ 7: ผลลัพธ์สุดท้าย

ในตอนท้ายของการผจญภัยครั้งนี้ ฉันมี Nixie Watch ที่ใช้งานได้ มันค่อนข้างใช้งานได้ แต่เป็นเครื่องพิสูจน์แนวคิดมากกว่านาฬิการายวัน กระดานที่สองถูกดัดแปลงเป็นนาฬิกาตั้งโต๊ะ และกระดานที่สามถูกทำลายระหว่างกระบวนการสร้าง

ลิงก์ที่มีประโยชน์หากคุณกำลังจะลองออกแบบนาฬิกาของคุณเอง:

Nixie Tube Google Group

EEVBlog Nixie Playlist

Eagle to Fusion ส่งออก