Щиток для Arduino из древнерусских ламп ЧРП: часы, термометр, вольтметр : 21 шаг (с картинками)

2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-23 15:04

На реализацию этого проекта ушло почти полгода. Я не могу описать, сколько работы было вложено в этот проект. Работа над этим проектом в одиночку займет у меня целую вечность, поэтому мне помогли мои друзья. Здесь вы можете увидеть нашу работу, собранную в одном очень большом руководстве.

Особенности этого проекта:

• Совместим только с платами Arduino UNO
• Управляет четырьмя трубками IV-3 / IV-3a / IV-6 VFD. Эти лампы очень энергоэффективны, даже более эффективны, чем Nixie, и выглядят довольно круто. Энергоэффективность практически равна светодиодной матрице. Я думаю, они выглядят лучше, чем nixie.
• Питание 12 В постоянного тока + 5 В постоянного тока через плату Arduino; требуется стабилизированный источник питания 12 В
• Дизайн корпуса (файлы САПР) по желанию
• возможные применения: часы, термометр, вольтметр, счетчик, табло,…
• доступно несколько примеров эскизов Arduino

Я знаю, что текст в этом руководстве очень длинный, но, пожалуйста, постарайтесь прочитать и просмотреть каждый текст и фото здесь. Некоторые фотографии не очень хорошие, но это все, что я могу сделать. Я знаю, что я не лучший фотограф.

Этот проект изначально был опубликован в Axiris, но я изменил и объяснил много мелочей, без них вы спросите себя, что пошло не так.

Запасы

Вы можете увидеть количество каждой детали, но я рекомендую вам распечатать Part List.pdf, чтобы использовать его для списка покупок, а затем для пайки деталей на печатной плате. Я купил все в местных магазинах или распаковал их с неработающих устройств, но если вы не можете сделать то же самое, что и я, вы можете заказать запчасти на Aliexpress, Amazon или другом магазине.

Углеродные пленочные резисторы 1 / 4W 5% Ссылка на Aliexpress, в которой есть все резисторы, которые вам понадобятся в этом списке

• 1x 510 Ом
• 2x 1 кОм
• 1x 2 кОм 7 Ом
• 1x 3 кОм 9 Ом
• 13x 10 кОм
• 12x 68 кОм
• 12x 100 кОм
• 12x 220 кОм

Керамические / MKT / MKM конденсаторы

• 1x 2,2 нФ (222) ссылка на Aliexpress
• 2x 8,2 нФ (822) ссылка Aliexpress для IV-3 / IV-3a или 2x 22nF (223) для IV-6 ссылка Aliexpress
• 1x 100 нФ (104) ссылка на Aliexpress

Электролитические полупроводники

• 4x 22 мкФ 50 В, радиальная ссылка Aliexpress
• 2x 100 мкФ 25V радиальные ссылка Aliexpress

Дискретные полупроводники

• 1x выпрямительный диод 1N400x ссылка на Aliexpress
• 4x 1N5819 диод Шоттки ссылка Aliexpress
• 4x светодиода 3 мм (свободно выбирайте цвет) ссылка на Aliexpress
• 13x BC547B NPN транзистор ссылка Aliexpress
• 12x BC557B транзистор PNP ссылка Aliexpress
• 1x BC639 NPN «силовой» транзистор ссылка Aliexpress
• 1x BC640 PNP «силовой» транзистор ссылка Aliexpress

Интегральные схемы

ICM7555 таймер IC (должна быть версия CMOS, не используйте стандартный 555!) Ссылка Aliexpress

Разъемы и различные детали

• 2x штабелируемые жатки - расстояние 2,54 мм / 0,1 дюйма - 8 полюсов ссылка Aliexpress
• 1x штабелируемый заголовок - расстояние 2,54 мм / 0,1 дюйма - 6 полюсов ссылка Aliexpress
• 1x штабелируемый заголовок - расстояние 2,54 мм / 0,1 дюйма - 10 полюсов ссылка Aliexpress
• 4x IV-3 или IV-3a или IV-6 ЧРП ссылка Aliexpress
• PCB PCBWay ссылка

Если вы хотите сделать часы, вы можете использовать дополнительный RTC DS1307 с батарейным питанием, но если вы хотите сделать его умным, используйте esp8266. Вы можете использовать большой esp8266 или маленький esp8266-01, но я рекомендую использовать маленький, чтобы часы выглядели лучше. Если вы хотите сделать его еще умнее, объедините esp8266 с датчиком 1-Wire. Скетч поддерживает DS1820, DS18B20, DS18S20 и DS1822. Температура отображается каждую минуту.

Если у вас есть вопросы по этому проекту, напишите мне. Я постараюсь ответить на ваши вопросы как можно быстрее

Шаг 1: Обзор проекта

Этот щит Arduino способен управлять четырьмя российскими семисегментными лампами частотно-регулируемого привода IV-3, IV-3a или IV-6. 4 светодиода диаметром 3 мм обеспечивают фоновую подсветку трубок. Конструкция полностью основана на сквозных компонентах, SMD-компоненты не использовались. Таким образом, печатную плату может легко собрать любой, у кого есть опыт пайки. Кроме того, используемые компоненты дешевы и легко доступны. Поскольку это было разработано как более образовательный и простой в сборке проект, это не лучшее решение для управления этими лампами ЧРП с технической точки зрения. Вместо транзисторов BC547 и BC557 мы могли бы использовать драйверы источника A2982W, или мы могли бы заменить транзисторы на микросхему драйвера источника высокого напряжения Supertex с внутренним регистром сдвига. К сожалению, их бывает трудно получить, и они очень часто приходят в SMD-упаковке.

Шаг 2: Советы по сборке

Эта управляемая печатная плата предназначена для тех, кто имеет большой опыт сборки электроники. Если вы считаете, что это слишком сложно для вашего уровня мастерства, не пытайтесь собрать его и не просите друга сделать это за вас.

Не торопитесь - на выполнение этого набора уйдет 2-3 часа, если его не прерывать. Я делаю это менее 2 часов, но у меня более 2-х лет повседневного опыта пайки.

Убедитесь, что ваше рабочее место хорошо освещено (предпочтительно дневной свет), чистое и аккуратное.

Соберите плату в порядке, указанном в приведенных здесь инструкциях - прочтите и поймите каждый шаг перед выполнением каждой операции. Потому что после ошибки пути назад почти нет.

Предполагается, что вы понимаете, что полупроводники (диоды, ИС, транзисторы) или электролитические конденсаторы являются поляризованными компонентами. Соответствующие маркировки нанесены методом шелкографии на печатной плате и показаны на схеме платы.

Для сборки печатной платы потребуются следующие инструменты и материалы:

• Паяльник хорошего качества (25-40 Вт) с маленьким наконечником (1-2 мм).
• Кусачки и плоскогубцы
• Базовый мультиметр для проверки напряжения и определения резисторов.
• Увеличительное стекло для чтения маркировки небольших устройств часто бывает полезным.
• Припой - предпочтительнее припой свинец / олово. Бессвинцовый припой, который сейчас требуется для использования в коммерческих продуктах в Европе, имеет гораздо более высокую температуру плавления, и с ним очень трудно работать. Не используйте флюс или смазку.
• Фитиль для распайки (оплетка) может быть полезен, если вы случайно образовали перемычки между соседними паяными соединениями.

Источник питания

Щит IV-3 / IV-3a / IV-6 VFD требует, чтобы Arduino питался от источника питания 12 В постоянного тока для правильной работы. Используйте только регулируемый импульсный адаптер питания, обеспечивающий 12 В постоянного тока / 300 мА.

Не используйте нерегулируемый сетевой адаптер "трансформаторного типа". Они легко обеспечивают более 16 В при небольшой нагрузке и могут вызвать повреждение экрана частотно-регулируемого привода IV-3, поскольку напряжение питания 12 В является очень важным. Вы должны быть очень осторожны, чтобы не перепутать полярность источника питания, иначе вы рискуете убить Arduino, щит VFD, источник питания и, возможно, вызвать пожар или убить себя электрическим током

Оберните изолентой металлический экран USB-разъема вашего Arduino перед подключением экрана IV-3, чтобы паяные соединения не касались металла и не закорачивались

Шаг 3: Обзор печатной платы и принципиальная схема

Вы можете заказать печатную плату в PCBWay. Если вы новый пользователь, ИСПОЛЬЗУЙТЕ ЭТУ ССЫЛКУ, ЧТОБЫ ПОЛУЧИТЬ 5 долларов БЕСПЛАТНО ПОСЛЕ РЕГИСТРАЦИИ, после этого ваши первые 5 печатных плат будут бесплатными, и вам нужно будет заплатить только за доставку, которая составляет около 6 долларов США авиапочтой Китая. Как вы можете видеть на последней фотографии, щиток того же размера, что и моя дебетовая карта от Revolut. Фотографии, показанные здесь для некоторых людей, могут выглядеть так, как будто они пытаются читать по-китайски.

Шаг 4: Сборка

Наконец, мы подошли к процессу сборки … На следующих этапах 5-19 мы собираемся шаг за шагом собирать печатную плату. Может оказаться полезным держать обзор печатной платы и принципиальную схему под рукой во время сборки, распечатав ее или оставив на компьютере во время пайки. После каждого шага внимательно сравнивайте свою печатную плату с изображениями здесь и проверяйте наличие ошибок и дефектов пайки.

Шаг 5: диоды и гнездо для микросхемы

Установите следующие диоды:

• D1: 1N400x или аналогичный
• D2… D5: диод Шоттки 1N5819

Соблюдайте полярность и будьте внимательны, чтобы установить правильный диод в нужном месте

Припаяйте D2 и D3 со стороны компонентов и обрежьте провода со стороны припоя как можно короче, так как они расположены над металлическим экраном разъема USB на Arduino.

Установите 8-полюсное гнездо IC для IC1. На этом этапе не вставляйте IC1 в розетку.

Шаг 6: электролитические конденсаторы

Установите следующие электролитические конденсаторы:

• C5… C8: радиальный электролитический конденсатор, 22 мкФ, 50 В
• C9, C10: радиальный конденсатор 100 мкФ 25 В
• Согните выводы на 90 градусов и установите конденсаторы заподлицо с печатной платой. Следите за полярностью. Я знаю, что меня уже раздражает эта полярность, но это очень важно.

Рекомендуется припаять C6, C7 и C8 со стороны компонентов и обрезать выводы как можно короче со стороны припоя, поскольку они расположены над металлическим экраном разъема Arduino USB

Шаг 7: керамические конденсаторы

Нет проблем использовать другую форму, важно, чтобы эти конденсаторы были того же качества и из такого же материала.

Установите следующие керамические конденсаторы:

• C1: 2n2
• C2, C3: 8n2 или 22nF (*)
• C4: 100н

Обратите внимание, что значения C1… C3 в некоторой степени критичны, поскольку C1 вместе с R5 определяет рабочую частоту утроителя напряжения, а C2, C3 определяют ток накала для ламп частотно-регулируемого привода.

(*) крепление 8n2 для пробирок IV-3 и IV-3a, крепление 22nF для пробирок IV-6.

Шаг 8: резисторы 10 кОм

Установите резисторы на 10 кОм (коричневый - черный - оранжевый - золотой).

R6… R18

Установите их вертикально, как на картинке.

Шаг 9: резисторы 68 кОм

Установите резисторы на 68 кОм (сине-серый - оранжево-золотой).

R19… R30

Установите их вертикально, как на картинке.

Шаг 10: резисторы 220 кОм

Установите резисторы 220 кОм (красный - красный - желтый - золотой).

R43… R54

Установите их вертикально, как на картинке.

Шаг 11: резисторы 100 кОм

Установите резисторы на 100 кОм (коричневый - черный - желтый - золотой).

R31… R42

Установите их вертикально, как на картинке.

Шаг 12: оставшиеся резисторы

Установите остальные резисторы:

• R1: 510 Ом (зеленый - коричневый - коричневый - золотой)
• R2, R3: 1 кОм (коричневый - черный - красный - золотой). Возможно, вам придется отрегулировать значение в зависимости от светодиодов подсветки трубки, которые вы планируете использовать.
• R4: 2,7 кОм (красный - фиолетовый - красный - золотой)
• R5: 3,9 кОм (оранжевый - белый - красный - золотой)

Шаг 13: заголовки Arduino

Установите штабелируемые заголовки Arduino. Заголовки на самом деле не будут использоваться для укладки других экранов Arduino поверх этого экрана, но они помогают определить высоту установки нескольких компонентов и трубок частотно-регулируемого привода.

Протолкните разъемы через печатную плату и подключите их к Arduino. Переверните вверх дном и припаяйте по 1-2 штыря к каждому разъему. Так что расстояние между разъемами будет правильным. Снимите экран с Arduino и припаяйте оставшиеся контакты.

Шаг 14: силовые транзисторы

Установите следующие транзисторы:

• Т26: BC639
• T27: BC640

Не заменяйте эти транзисторы на стандартные. Установите их так, чтобы верх их корпуса был ниже разъемов Arduino.

Вставьте IC1 ICM7555 (*) в гнездо, подключите экран к Arduino и подайте питание. Напряжение, измеренное между катодом D5 и землей Arduino, должно быть около 32… 34В. Я сделал это не потому, что уверен в себе, но тебе лучше сделать это.

Используйте версию CMOS (ICM7555, TLC555 LMC555,…), не используйте стандартный таймер 555

Шаг 15: транзисторы NPN

Установите транзисторы BC547B

Т1… Т13

Установите их так, чтобы верхняя часть их корпусов оставалась ниже (или на одном уровне) с разъемами Arduino.

Шаг 16: транзисторы PNP

Установите транзисторы BC557B

Т14… Т25

Установите их так, чтобы верхняя часть их корпусов оставалась ниже (или на одном уровне) с разъемами Arduino.

Шаг 17: светодиоды подсветки трубки (необязательно)

Вы можете использовать 3-миллиметровые стандартные светодиоды любого цвета для подсветки трубок, даже светодиоды RGB с выцветанием.

Согните выводы светодиодов так, чтобы светодиоды вошли в отверстия диаметром 3 мм под трубками частотно-регулируемого привода, затем припаяйте их к печатной плате. Обратите внимание на полярность. Короткий вывод светодиода (катод) припаивается к контактной площадке, ближайшей к шелкотрафаретной маркировке светодиода (D6… D9).

Может потребоваться заизолировать выводы D9, чтобы они не касались разъема ISP на Arduino.

Светодиоды подключены к выходу PWM на Arduino и могут быть затемнены с помощью программного обеспечения. Однако это не будет работать должным образом, если вы используете светодиоды с затуханием цвета RGB.

Если вам будет проще, можно также установить светодиоды после того, как трубки частотно-регулируемого привода будут припаяны на место. Из-за техники монтажа светодиоды также легко заменить позже, если вы решите, что хотите использовать другой цвет подсветки.

Шаг 18: Монтаж трубки ЧРП

Это один из самых важных шагов в построении вашего щита

Осторожно пропустите провода трубки через соответствующие отверстия на плате. Убедитесь, что короткий вывод на трубках проходит через отверстие без паяльной площадки.

Теперь цифры должны быть обращены к лицевой стороне печатной платы.

Если вам трудно протянуть провода трубок через отверстия, вы можете разрезать их по спирали, чтобы можно было пропустить через отверстия по одному проводу за раз. Обратите внимание, чтобы самый короткий провод не был слишком коротким, так как мы собираемся монтировать трубки на некотором расстоянии от платы.

Как только трубки будут на месте, выровняйте их более или менее вручную. Нижняя часть трубок должна быть примерно на 1-2 мм ниже верха штабелируемых разъемов Arduino.

Если вы используете дополнительный акриловый корпус, вы можете использовать верхнюю и нижнюю пластины в качестве инструмента для выравнивания.

Припаяйте два вывода каждой трубки к печатной плате. Как только это будет сделано, вы все еще можете отрегулировать соосность трубки, повторно нагревая паяные соединения.

Если вас устраивает выравнивание трубки, вы можете, наконец, припаять оставшиеся провода трубки на место и обрезать лишние провода с помощью небольшого кусачки.

Не пытайтесь изменить выравнивание трубки после того, как она припаяна на место, так как это может вызвать механическое напряжение и может привести к повреждению трубки

Шаг 19: Заключительный тест

Наконец, тест… Загрузите демонстрационный скетч в Arduino и отключите Arduino от USB-порта компьютера.

Подключите готовый щит VFD к верхней части Arduino. Убедитесь, что никакая металлическая часть Arduino не касается паяных соединений экрана частотно-регулируемого привода.

Подключите адаптер питания 12 В постоянного тока к разъему питания Arduino и включите питание.

Через несколько секунд трубки VFD должны начать отсчет от 0 до 9 в бесконечной петле. Точки десятичного разделителя трубок частотно-регулируемого привода должны образовывать двоичный 4-битный счетчик.

Подсветка трубки должна гаснуть каждые несколько секунд и снова включаться.

Тщательно проверьте провода накаливания трубки. Они должны очень слабо светиться темно-красным цветом. Если они светятся слишком сильно, уменьшите значения C2 и C3. С другой стороны, если нить накала еле светится, а цифры слишком тусклые, вы можете поэкспериментировать, увеличив значения для C2 и C3.

Шаг 20: акриловый корпус (необязательно)

Первые 2 файла - это файлы САПР. Я рекомендую вам открыть «Руководство пользователя Enclosure for Shield для просмотра на экране.pdf» и отследить шаги для Acrylic Enclosure.

Шаг 21: программное обеспечение

Каждая библиотека, которая вам понадобится, находится в комментариях в начале каждого эскиза.

Прямой доступ

Обеспечивает прямой доступ к лампам и светодиодам. Вы можете включать и выключать отдельные сегменты и точки в трубках, а также управлять рабочим циклом ШИМ для включения светодиодов.

Обычные часы

Просто часы, которые настроены через последовательный монитор, и ничего особенного, но примерно через 1 день часы возвращаются примерно на 1 минуту.

Умные часы

• Добавлена поддержка опционального DS1307 RTC с батарейным питанием.
• Добавлена поддержка работы только с esp8266 через RX и TX.
• Добавлено отображение температуры в градусах Цельсия при подключении датчика 1-Wire. Скетч поддерживает DS18B20, DS18S20 и DS1822. Температура отображается каждую минуту.

Чтобы esp8266 работал с часами, вам нужно прошить esp и сделать специальный мост, показанный здесь, как перевести в режим глубокого сна для экономии энергии. Также потребуется настроить учетные данные WIFI и часовой пояс из кода на esp. Если у вас нет опыта работы с esp8266, прочтите здесь, чтобы узнать больше об установке платы в Arduino IDE.

Термометр

Работает с датчиками температуры 1-Wire. Программа поддерживает DS1820 (разная проводка, проверьте в интернете), DS18B20, DS18S20 и DS1822.

Вольтметр

Эта программа отображает напряжение, измеренное на контакте A5.

Демонстрация

Пример анимации ламп, ШИМ-анимация светодиодов.