Часы Nixie Tube: 7 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

В начале этого года я построил часы, чтобы посмотреть, смогу ли я сделать что-нибудь функциональное. У меня было 3 основных требования к дизайну

1. Следите за точным временем
2. Аккумулятор на весь день
3. Будьте достаточно маленькими, чтобы их было удобно носить

Мне удалось выполнить первые два требования, но третье немного натянуто. Вы замечаете, что этот дизайн сидит на вашем запястье, но он вполне пригоден для использования. Я хочу пройтись по процессу проектирования и показать, что в этом проекте пошло правильно, а что - нет. Я отправлю файлы для использования, но, как я объясню, я бы порекомендовал изменить некоторые варианты дизайна при создании вашей собственной модели.

Предупреждение о безопасности

Этот проект включает привязку к вашему запястью устройства, вырабатывающего 150 В постоянного тока. Если вы не обратите внимание, это серьезно повредит или вызовет травму.

Шаг 1: Необходимые детали

Когда вы разрабатываете свои часы, вам нужно начать с выбора компонентов.

Nixie Tubes

Чем меньше, тем лучше. Я использовал ИН-17, которые имеют небольшой размер, но довольно высокие. Трубка с выводами, выходящими ниже номера, может втиснуться в меньшую область.

Источник питания высокого напряжения

Поскольку он питается от батареи, нам нужно преобразовать ~ 3 В как минимум до 150 В. Я использовал плату Taylor Electronics 1363. Можно спроектировать доску самостоятельно, но при этом необходимо уделить особое внимание дизайну. Использование готовой платы позволило мне уменьшить размер платы до половины от размера, полученного при ручной пайке, и в итоге оказалось более эффективным и менее звенящим, чем мой дизайн.

Переключатели высокого напряжения

Большинство микроконтроллеров работают от 3-5 В, а не от 150 В. Для взаимодействия с ними нам понадобится сдвиговый регистр, транзисторы или другое коммутационное устройство, способное работать с высоким напряжением. Я использовал регистр сдвига HV5523 для этой платы - технически они требуют логики 5 В, но я обнаружил, что они работают без проблем с напряжением 3,3 В.

Микроконтроллер

Необходим самый маленький микроконтроллер с достаточным количеством контактов для работы всех ваших устройств. Не используйте для этого ATMega2560, так как это излишне. Я выбрал ATTiny841, потому что он имел ровно необходимое количество операций ввода-вывода и поддерживал Arduino IDE.

RTC

Чтобы следить за точным временем, вам понадобится чип RTC. Я использовал DS3231.

Другие части

• Регулятор напряжения

• Интерфейс для установки времени или включения дисплея

  Я использовал датчик жестов / приближения APDS-9960 с ограниченным успехом

• Способ убедиться, что все работает

  У меня был открытый последовательный порт и светодиод RGB, чтобы показать текущее состояние устройства

• Вы также можете захотеть зарядить аккумулятор, не извлекая его.

Шаг 2: функциональный обзор

Я загрузил некоторые из моих первоначальных заметок по планированию компоновки схемы и блок-схему основных компонентов того, что я в конечном итоге использовал.

На стороне высокого напряжения есть HVPS, подающий + 150 В через токоограничивающий резистор на клемму общего анода (+) ламп Nixie Tubes. Регистр сдвига подключается к каждой цифре ламп. Сдвиговый регистр - это устройство с открытым стоком. Каждый вывод можно либо подключить непосредственно к земле, либо оставить отключенным от цепи. Это означает, что все отсоединенные провода газовой трубки будут измерять 150 В, когда они не используются.

Сторона низкого напряжения имеет понижающий / повышающий стабилизатор 3,3 В, регулирующий напряжение липо-батареи. Это поддерживает схему на уровне 3,3 В при падении липо-напряжения с 3,7 до 3,0 В. Шина Attiny841 i2C подключается к датчику жестов и часам реального времени. Не показаны светодиод RGB и последовательное соединение.

При запуске MCU будет проверять датчик жестов на предмет информации о приближении. Во избежание срабатывания дисплея манжетой необходимо, чтобы датчик был открыт как минимум на 1 секунду, затем накрыт как минимум на 1 секунду, а затем раскрыт, чтобы вызвать действие. Первоначальная версия часов отображала время один раз, как показано на последнем изображении. Я обновил его, чтобы он мог постоянно переключаться в режим, дольше удерживая датчик закрытым.

Шаг 3: Дизайн платы

Я не буду вдаваться в подробности того, как сделать печатную плату, поскольку об этом уже есть много информации. Некоторые полезные следы Nixie Tube доступны здесь.

Когда я проектировал свою печатную плату, я сложил две платы меньшего размера, чтобы уменьшить занимаемую ею площадь, привязанную к моему запястью. Я счел полезным распечатать и вырезать бумажную копию печатной платы, чтобы убедиться, что все мои следы совпадают, а разъемы выровнены. Если позволяет пространство, постарайтесь оставить контактные площадки для i2C и других линий передачи данных для проверки или пайки во время тестирования.

В Eagle есть функция, которая позволяет вам назначить 3D-модель компоненту, а затем экспортировать 3D-модель вашей платы в другую программу. Когда я его использовал, в нем были ошибки, но он все еще был очень полезен, чтобы убедиться, что никакие части не будут мешать друг другу.

Чтобы сэкономить место, я не стал включать в часы зарядное устройство. Вместо этого у меня есть несколько женских разъемов DuPont на боковой стороне часов. На последнем изображении этого набора показана проводка, которую я использовал. Левая грань внутри часов, правая снаружи. Чтобы зарядить часы, вы подключаете внешние провода к внешнему зарядному устройству. Синяя линия рядом с минусом батареи представляет собой слот с ключом, предотвращающий вставку зарядного устройства в обратном направлении. Чтобы включить часы, используйте небольшую перемычку (зеленую), чтобы соединить аккумулятор + с VCC реальной цепи. Это обеспечивает быструю отказоустойчивость в случае возникновения проблем. Из-за компоновки вы не можете случайно замкнуть или подключить цепь в обратном направлении.

Шаг 4: Сборка печатной платы

Я заказал свои доски в OSHPark, потому что они были довольно быстрыми, дешевыми и имели красивый фиолетовый цвет: D

Также вы получаете по 3 каждой доски, так что вы можете сделать 2 часов и иметь третью доску для тестирования.

Сначала обработайте корпусы QFN горячим воздухом, а затем вручную припаяйте все остальное, начиная с более мелких компонентов. Не подключайте трубки Nixie или HVPS. Если у вас есть трафарет для припоя и тостер, то у вас все в порядке. Используйте омметр, чтобы проверить короткое замыкание на печатной плате. Если вы измеряете короткое замыкание со средним и высоким сопротивлением, на плате может быть слишком много остатков флюса. HV5523 имеет очень мелкие штыри, и вы не можете увидеть, соединены ли они перемычкой под ИС. Дайте доске возможность остыть, если вы долго ее переделываете.

После сборки низковольтных компонентов запустите программу, которая будет циклически перебирать все цифры в регистре сдвига. Используйте логический анализатор или мультиметр, чтобы убедиться, что контакты вытянуты в НИЗКИЙ уровень, когда ожидается. Также убедитесь, что ваш RTC и другие устройства отвечают должным образом.

Припаяйте HVPS, затем газовые трубки. Для трубок Nixie Tubes припаивайте по одной ножке за раз и не оставляйте нагрев слишком долго. Если возможно, удерживайте ножку между платой и стеклом плоскогубцами, чтобы она служила радиатором. Дайте трубкам возможность остыть между пайкой каждой ножки.

Если у вас возникли проблемы с неработающей деталью, и вы не знаете, является ли это паяным соединением, вы можете попробовать пайку «мертвого жучка». Снимите микросхему с платы и при помощи тонкой проволоки припаяйте непосредственно к каждой контактной площадке. Убедитесь, что вы используете провод с эмалевым покрытием, чтобы ни один из проводов не закрывался вместе.

Шаг 5: Дизайн корпуса

Используя функции Eagles MCAD, легко получить трехмерную модель схемы, чтобы построить вокруг нее корпус. Ремешки для часов стандартного размера можно приобрести в аптеке / универмаге. Если вы проделали монтажные отверстия в своей печатной плате, вы можете создать стойки в своей модели и быстро закрепить плату. Мои стойки в конечном итоге были отрезаны трубкой Nixie, и их нельзя было использовать - я использовал Sugru, чтобы убедиться, что она остается в одном месте.

Шаг 6: файлы проекта и возникшие проблемы

Файлы Eagle и Solidworks

Более надежный код

Я связал все файлы, которые создал во время работы над этим проектом. Они загружаются как есть, без редактирования и доработки. Не уверен, хорошо это или плохо… Вы можете увидеть мою схему, дизайн платы, файлы Solidworks и код Arduino. Я объяснил, какие выборы я сделал, и эти файлы должны помочь вам увидеть, как реализовать этот выбор в ваших часах.

В файлах Eagle HV.brd содержит посадочные места nixie, HV5523, разъем для HVPS и APDS-9960. APDS-9960 находится на второй странице, поскольку он скопирован из файла коммутационной платы 9960 Sparkfun. Schematic.brd содержит все, что связано с низким напряжением. Я думаю, что все необходимые библиотеки включены.

Папка Solidworks - это огромный беспорядок - при экспорте из орла были созданы отдельные файлы для каждого резистора и все выгружено. "Assem8" - это файл, на который нужно посмотреть, чтобы увидеть все соединенное и собранное. Папки «Экспорт» представляют собой файлы STL с параметрами, отличными от тестируемых.

Эскиз Arduino в первом коде - это то, что демонстрируется в видео на следующей странице, и это то, что используется для всех документов в этом документе. Вторая ссылка имеет более новую версию, которая включает несколько режимов отображения. Если RTC сбрасывается на этом эскизе, он установит время на 12 часов дня при следующем включении питания. Это сделано для того, чтобы часы можно было использовать как настольные часы, которые всегда подключены к сети.

Если вы решите использовать мои файлы в качестве отправной точки, вы должны знать о нескольких проблемах, которые я не решил.

1. APDS-9960 несовместим с ядром Attiny Arduino. Обнаружение приближения работает, однако я не могу заставить код надежно улавливать сигнал прерывания для жестов.
2. Заголовок ISP является зеркальным, и один из контактов не подключен.
3. Заголовок ISP VCC идет не на ту сторону регулятора напряжения. Если его не отключить, регулятор напряжения мгновенно поджарится.
4. Держатель батареи CR перекрывает заголовок i2C на несколько мм.

Шаг 7: окончательный результат

В конце этой одиссеи у меня есть рабочие часы Nixie Watch. Это в некоторой степени удобное, но больше доказательство концепции, чем повседневные часы. Вторая доска была преобразована в настольные часы, а третья доска была уничтожена в процессе сборки.

Несколько полезных ссылок, если вы собираетесь попробовать создать свои собственные часы:

Группа Google Nixie Tube

Плейлист EEVBlog Nixie

Eagle to Fusion экспорт