Orologio da polso Nixietube: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

L'anno scorso mi sono ispirato agli orologi Nixitube. Penso che l'aspetto dei Nixietube sia così bello. Ho pensato di implementarlo in un orologio elegante con funzionalità intelligenti.

Passaggio 1: prototipo a quattro tubi

Ho iniziato creando gli schemi elettronici per un orologio a quattro tubi. Essendo uno studente di elettronica ho sviluppato l'elettronica per diversi mesi.

Per prima cosa deve essere progettato un alimentatore. Ho iniziato acquistando un alimentatore switching da 170V prefabbricato dal web perché non sapevo come progettare un alimentatore che potesse convertire 4.2V DC da una batteria in 170V DC per i tubi. L'alimentatore prefabbricato era efficiente all'86%.

Dopo aver ricevuto l'alimentatore, ho iniziato a cercare come controllare i Nixietube. I Nixietubes che ho ottenuto sono tubi anodici comuni, il che significa che quando metti 170 V CC sull'anodo e GND sul catodo il tubo si illuminerà. Per limitare la corrente che scorre attraverso il tubo è necessario posizionare una resistenza davanti all'anodo. Causando la limitazione della corrente a 1 mA per tubo. Per controllare le diverse cifre. Ho usato registri a scorrimento ad alta tensione. Questi circuiti integrati possono essere controllati da qualsiasi microcontrollore.

Dato che sono un grande fan di IoT (Internet of Things). Ho deciso di prendere un modulo ESP32 e volevo ottenere l'ora corrente da Internet tramite WiFi. Alla fine stavo sincronizzando un RTC (orologio in tempo reale) con l'ora di Internet. Permettendomi di risparmiare energia e avere sempre il tempo a portata di mano anche senza accesso a Internet.

Ho pensato a come controllare l'ora e ho pensato di usare un accelerometro che usavo per tracciare il movimento del mio polso. Quando giro il polso così posso leggere l'ora. L'orologio si attiverà e me lo mostrerà.

Ho anche implementato tre pulsanti attivati al tocco in modo da poter creare un menu semplice in cui impostare diverse funzioni.

Due LED RGB dovevano dare una bella retroilluminazione ai tubi.

Ho anche pensato a un modo per caricare la batteria. Pertanto ho pensato di caricarlo utilizzando un modulo caricabatterie QI wireless. Questo modulo mi ha dato un'uscita 5V. Questo modulo collegato a un circuito di ricarica mi ha permesso di caricare la piccola batteria da 300 mAh.

Quando il progetto elettronico è stato pronto e tutti i sottocircuiti sono stati testati, ho iniziato a progettare il PCB (Printed Circuit Board). Stavo facendo dei modelli con la carta e le parti (foto 1). Misurare la larghezza, l'altezza e la lunghezza di ogni componente è stato un processo meticoloso. Dopo settimane di progettazione e posa del PCB, mi è stato ordinato e spedito. (foto 2).

Durante ogni fase del processo avevo creato programmi di test per ogni parte dell'orologio. In questo modo il software finale potrebbe essere facilmente copiato insieme.

La saldatura di ogni componente potrebbe iniziare e mi ha richiesto circa un giorno.

Testare e mettere insieme l'intero orologio (Immagine 3, 4, 5, 6, 7) Ha funzionato.

Ho stampato in 3D una custodia per l'orologio e alla fine ho scoperto che l'orologio era troppo grande. Così ho deciso di crearne uno nuovo e ho fatto dell'orologio a quattro tubi un prototipo.

Passaggio 2: il nuovo design

Trovando l'orologio a quattro tubi troppo grande, ho iniziato a ridurre il design dell'elettronica. Innanzitutto utilizzando solo due tubi invece di quattro. In secondo luogo, utilizzando componenti più piccoli e creando da zero il mio convertitore boost da 170 V. L'implementazione dell'MCU ESP32 (Micro Controller Unit) invece di utilizzare un modulo ha anche reso il design molto più piccolo.

Usando il software per computer di progettazione 3D (Immagine 1) ho progettato una custodia e ho inserito ordinatamente tutti i componenti elettrici all'interno. Dividendo l'elettronica in tre schede sono stato in grado di utilizzare in modo più efficiente lo spazio all'interno del case.

Nuova elettronica dove progettata:

-Scelto un nuovo accelerometro più efficiente dal punto di vista energetico.

-Cambiati i pulsanti a sfioramento per un interruttore multiposizione.

-Usato un nuovo circuito di ricarica.

-Cambiato la ricarica wireless per la ricarica USB perché volevo un alloggiamento in alluminio.

-Utilizzato un processore a bassa potenza per risparmiare ulteriormente energia.

-Scelto un nuovo LED di sfondo.

-Utilizzato un IC indicatore della batteria per monitorare il livello della batteria.

Passaggio 3: assemblaggio dell'elettronica

Dopo mesi di progettazione il nuovo orologio potrebbe anche essere assemblato. Ho usato alcuni strumenti disponibili nella mia scuola per saldare i circuiti integrati Tiny pitched (Immagine 4). Mi ci sono voluti diversi giorni perché ho riscontrato alcuni problemi ma alla fine ho fatto funzionare l'elettronica (Immagine 5).

Passaggio 4: progettazione della custodia

Ho progettato il case parallelamente alla progettazione dell'elettronica. Ogni volta che controllavo in un software per computer 3D se ogni componente si adattava. Prima che il CNC (Computer Numerical Control) fresasse il caso, è stato realizzato un prototipo stampato in 3D per assicurarsi che tutto si adattasse. (Immagine 1, 2)

Dopo che il design del case è stato fatto e l'elettronica ha funzionato, ho iniziato a fare ricerche su come programmare le macchine CNC (Immagine 3). Un mio amico che conosce la fresatura CNC mi ha aiutato a programmare la macchina CNC. Quindi la fresatura potrebbe iniziare. (Immagine 4)

Dopo che la fresatura è stata completata, ho finito la custodia praticando dei fori e lucidando la custodia. Tutto è andato bene la prima volta. (Foto 5, 6, 7)

Avevo progettato un chiavistello per una finestra in acrilico. Ma il chiavistello è stato fresato via per caso. Usando un laser cutter ho tagliato una finestra dall'acrilico che è stata incollata sulla parte superiore dell'orologio (foto 9).

Passaggio 5: il software e l'app

Il controller sull'orologio praticamente dorme tutto il tempo per risparmiare energia. Un processore a bassa potenza legge l'accelerometro ogni pochi millisecondi per verificare se il mio polso è girato. Solo quando viene acceso riattiverà il processore principale e otterrà l'ora dall'RTC e mostrerà brevemente le ore e poi i minuti sui tubi.

Il processore principale controlla anche il processo di ricarica, controlla le connessioni Bluetooth in entrata, controlla lo stato del pulsante di input e reagisce di conseguenza.

Se l'utente non interagisce ulteriormente con l'orologio, il processore principale andrà nuovamente in modalità di sospensione.

Come parte del mio studio abbiamo dovuto creare un'app. Così ho pensato di creare l'app per l'orologio nixie. L'app è stata scritta in xamarin dal linguaggio Microsoft è C#.

Purtroppo ho dovuto creare l'app in olandese. Ma fondamentalmente c'è una scheda di connessione che mostra gli orologi Nixie trovati (Immagine 1). Successivamente vengono scaricate le impostazioni dall'orologio. Queste impostazioni vengono salvate sull'orologio. Una scheda per sincronizzare l'ora manualmente o automaticamente ottenendo l'ora dal tuo smartphone (Immagine 2). Una scheda per modificare le impostazioni dell'orologio (immagine 5). E, ultimo ma non meno importante, una scheda di stato che mostra lo stato della batteria. (Immagine 6)

Passaggio 6: caratteristiche e impressioni

L'orologio dispone di:

- Due piccoli tubi nixie di tipo z5900m.

- Orologio preciso in tempo reale.

- I calcoli hanno mostrato che il tempo di standby di 350 ore era facilmente realizzabile.

- Bluetooth per controllare le impostazioni e impostare l'ora dell'orologio oltre a vedere lo stato della batteria.

- Alcune impostazioni Bluetooth includono: Animazione On/Off, attivazione manuale o accelerometrica dei tubi, led di sfondo On/Off. Pulsante programmabile per visualizzare la temperatura della percentuale della batteria.

- Accelerometro per l'attivazione dei tubi quando si gira il polso

- Batteria da 300mAh.

- Led RGB per molteplici usi.

- Indicatore di gas della batteria IC per monitorare accuratamente lo stato della batteria.

- micro USB per caricare la batteria.

- Un pulsante multidirezionale per l'attivazione, connessione Bluetooth e un pulsante programmabile per la lettura della temperatura o lo stato della batteria, impostazione manuale dell'ora.

- Alloggiamento fresato CNC in alluminio.

- Finestra in acrilico per protezione

- Applicazione del telefono Bluetooth.

- Sincronizzazione dell'ora opzionale tramite WiFi.

- Motore di vibrazione opzionale per indicare le notifiche dello smartphone come Whatsapp, Facebook, Snapchat, SMS…

- Vengono visualizzate prima le ore e poi i minuti.

Il software per l'MCU sull'orologio è scritto in C++, C e assembler.

Il software per l'app è scritto in xamarin C#.

Primo Premio al Concorso Wearables