Nixie Tube Watch: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

Ho costruito un orologio all'inizio di quest'anno per vedere se potevo fare qualcosa che fosse funzionale. Avevo 3 requisiti di progettazione principali

1. Mantieni l'ora esatta
2. Avere una batteria per tutto il giorno
3. Sii abbastanza piccolo da poter essere indossato comodamente

Sono riuscito a soddisfare i primi 2 requisiti, tuttavia il terzo è un po' lungo. Noti questo disegno al polso, ma non è inutilizzabile. Voglio esaminare il processo di progettazione e mostrare cosa è andato bene e cosa è andato storto in questo progetto. Pubblicherò i file da usare, ma come spiegherò consiglierei di cambiare alcune scelte di design quando crei il tuo modello.

Avvertenza di sicurezza

Questo progetto prevede di legare un dispositivo al polso che genera 150 V CC. Se non presti attenzione, questo farà seriamente male o causerà lesioni.

Passaggio 1: parti necessarie

Quando progetti il tuo orologio, devi iniziare scegliendo i componenti.

Nixie tubi

Più piccolo è, meglio è. Ho usato IN-17 che hanno un ingombro ridotto, ma sono piuttosto alti. Un tubo che ha i cavi che escono al di sotto del numero può essere in grado di spremere in un'area più piccola.

Alimentazione ad alta tensione

Poiché è alimentato a batteria, dobbiamo convertire ~3V fino ad almeno 150V. Ho usato una scheda 1363 Taylor Electronics. È possibile progettare la propria scheda, ma sarà necessario prestare molta attenzione al design. L'utilizzo di una scheda pre-costruita mi ha permesso di ridurre le dimensioni della scheda alla metà di quelle che sarebbero state con la saldatura manuale, e ha finito per essere più efficiente e meno squillante rispetto al mio progetto.

Interruttori ad alta tensione

La maggior parte dei microcontrollori funziona a 3-5 V, non a 150 V. Per interfacciarsi con essi abbiamo bisogno di un registro a scorrimento, transistor o altro dispositivo di commutazione in grado di sopportare l'alta tensione. Ho usato il registro a scorrimento HV5523 per questa scheda: tecnicamente richiedono una logica a 5 V ma ho scoperto che funzionavano a 3,3 V senza problemi.

Microcontrollore

È necessario il più piccolo MCU con pin sufficienti per eseguire tutti i tuoi dispositivi. Non usare un ATMega2560 per questo perché è eccessivo. Ho scelto ATTiny841 perché aveva esattamente il numero di IO necessari e supportava l'IDE Arduino.

RTC

Per mantenere l'ora esatta è necessario un chip RTC. Ho usato il DS3231.

Altre parti

• Regolatore di tensione

• Interfaccia per impostare l'ora o accendere il display

  Ho usato un sensore di gesti/prossimità APDS-9960 con un successo limitato

• Un modo per assicurarsi che tutto funzioni

  Avevo una porta seriale esposta e un LED RGB per mostrare lo stato attuale del dispositivo

• Potresti anche volere un metodo per caricare la batteria senza rimuoverla.

Passaggio 2: panoramica funzionale

Ho caricato alcune delle mie note iniziali per la pianificazione del layout del circuito e uno schema a blocchi dei componenti principali di ciò che ho finito per utilizzare.

Il lato ad alta tensione ha l'HVPS che fornisce +150V attraverso un resistore di limitazione della corrente al terminale dell'anodo comune (+) dei tubi Nixie. Lo Shift Register si collega a ciascuna delle cifre dei tubi. Lo Shift Register è un dispositivo Open Drain. Ciascun pin può essere collegato direttamente a massa o essere lasciato scollegato dal circuito. Ciò significa che tutti i cavi scollegati del tubo nixie misureranno 150 V quando non vengono utilizzati.

Il lato a bassa tensione ha un regolatore buck/boost da 3,3 V che regola la tensione da una batteria lipo. Ciò mantiene il circuito a 3,3 V mentre la tensione lipo scende da 3,7 a 3,0 V. Il bus Attiny841 i2C si collega al sensore di gesti e all'RTC. Non è mostrato il led RGB e la connessione seriale.

Durante l'esecuzione, l'MCU controllerà il sensore gestuale per le informazioni di prossimità. Per evitare che un manicotto attivi il display, è necessario che il sensore venga scoperto per almeno 1 secondo, quindi coperto per almeno 1 secondo, quindi scoperto per attivare un'azione. La versione iniziale dell'orologio mostrava l'ora una volta come descritto nell'ultima immagine. L'ho aggiornato in modo che abbia la possibilità di entrare in modalità sempre attiva mantenendo il sensore coperto più a lungo.

Passaggio 3: progettazione della scheda

Non entrerò troppo nei dettagli su come realizzare un PCB poiché ci sono già molte informazioni a riguardo. Alcune utili impronte di Nixie Tube sono disponibili qui.

Quando ho progettato il mio PCB ho impilato due schede più piccole per ridurre l'ingombro che avrebbe avuto una volta legato al polso. Ho trovato utile stampare e ritagliare una copia cartacea del PCB per assicurarmi che tutte le mie impronte fossero allineate e che i connettori fossero allineati. Spazio permettendo, prova a lasciare i breakout pad per i2C e altre linee dati da sondare o saldare durante i test.

Eagle ha una funzione che ti consente di assegnare un modello 3D a un componente, quindi esportare un modello 3D della tua scheda in un altro programma. Era pieno di bug quando lo stavo usando, ma è comunque molto utile per assicurarmi che nessuna parte interferisca l'una con l'altra.

Per risparmiare spazio non ho incluso un caricabatteria all'interno dell'orologio. Invece ho alcuni connettori DuPont femmina sul lato dell'orologio. L'ultima immagine di questo set mostra il cablaggio che ho usato. Il lato sinistro è all'interno dell'orologio, il destro è all'esterno. Per caricare l'orologio si collegano i fili più esterni al caricatore esterno. La linea blu vicino al negativo della batteria rappresenta uno slot con chiave per impedire l'inserimento del caricabatterie all'indietro. Per accendere l'orologio si usa un piccolo cavo jumper (verde) per collegare la batteria + al VCC del circuito vero e proprio. Ciò fornisce un rapido failsafe in caso di problemi. A causa del layout non è possibile cortocircuitare accidentalmente o collegare il circuito all'indietro.

Passaggio 4: assemblaggio PCB

Ho ordinato le mie schede da OSHPark perché erano abbastanza veloci, economiche e avevano un bel colore viola:D

Inoltre ottieni 3 di ogni scheda, quindi puoi creare 2 orologi e avere una terza scheda su cui testare.

Eseguire prima i pacchetti QFN con aria calda, quindi saldare a mano tutto il resto iniziando dai componenti più piccoli. Non collegare i tubi Nixie o l'HVPS. Se hai uno stencil per saldatura e un tostapane, allora stai andando abbastanza bene. Usa un ohmmetro per verificare la presenza di cortocircuiti sul PCB. Se misuri una resistenza medio-alta corta, potresti avere troppi residui di flusso sulla scheda. L'HV5523 ha pin a passo molto sottile e non puoi vedere se sono collegati a ponte sotto l'IC. Dai alla tua tavola la possibilità di rinfrescarsi se la stai rielaborando per molto tempo.

Una volta che i componenti a bassa tensione sono stati assemblati, eseguire un programma che scorrerà tutte le cifre sul registro a scorrimento. Utilizzare un analizzatore di stati logici o un multimetro per confermare che i pin vengano tirati LOW quando previsto. Assicurati anche che il tuo RTC e altri dispositivi rispondano come previsto.

Saldare l'HVPS, quindi i tubi Nixie. Per i tubi Nixie saldare 1 gamba alla volta e non lasciare il calore acceso troppo a lungo. Se è possibile tenere la gamba tra il PCB e il vetro con una pinza per fungere da dissipatore di calore. Dai ai tubi la possibilità di raffreddarsi tra la saldatura di ciascuna gamba.

Se hai problemi con una parte che non funziona e non sai se si tratta di un giunto di saldatura, puoi provare la saldatura "dead bug". Rimuovere il chip dalla scheda e utilizzare un filo sottile per saldare direttamente a ciascun pad. Assicurati di utilizzare un filo con rivestimento smaltato in modo che nessuno dei fili si metta in cortocircuito.

Passaggio 5: progettazione della custodia

Usando le funzioni MCAD di Eagles è facile ottenere un modello 3D del circuito per costruire un caso attorno ad esso. I cinturini per orologi di dimensioni standard sono disponibili presso il supermercato/negozio. Se hai fatto dei fori di montaggio nel tuo PCB, puoi creare dei distanziatori nel tuo modello e fissare rapidamente la scheda. I miei stalli finirono per essere tagliati dal tubo Nixie e non erano utilizzabili - ho usato Sugru per assicurarmi che rimanesse in un posto.

Passaggio 6: file di progetto e problemi affrontati

File Eagle e Solidworks

Codice più robusto

Ho collegato tutti i file che ho creato mentre lavoravo a questo progetto. Questi vengono caricati così come sono, senza modifiche o rifiniture. Non sono sicuro se questo sia un bene o un male … Puoi vedere il mio schema, il design della scheda, i file Solidworks e il codice Arduino. Ho spiegato quali scelte ho fatto e questi file dovrebbero aiutarti a vedere come implementare tali scelte nel tuo orologio.

Nei file Eagle, HV.brd contiene le impronte nixie, HV5523, connettore per HVPS e APDS-9960. APDS-9960 si trova in una seconda pagina poiché viene copiato dal file della scheda breakout 9960 di Sparkfun. Lo Schematic.brd contiene tutte le cose a bassa tensione. Penso che le librerie necessarie siano tutte incluse.

La cartella Solidworks è un enorme casino: l'esportazione da eagle ha creato file individuali per ogni resistore e ha scaricato tutto. "Assem8" è il file da guardare per vedere tutto accoppiato e assemblato. Le cartelle "Esporta" sono file STL con parametri diversi dal test.

Lo sketch Arduino nel primo codice è quello che viene mostrato nel video nella pagina successiva ed è quello usato per tutti i documenti in questo documento. Il secondo collegamento ha una revisione più recente che include più modalità di visualizzazione. Se l'RTC si ripristina su questo schizzo, imposterà l'ora a mezzogiorno alla successiva accensione. In questo modo l'orologio può essere utilizzato come orologio da tavolo sempre collegato.

Se decidi di utilizzare i miei file come punto di partenza, dovresti essere a conoscenza di alcuni problemi che non ho risolto.

1. L'APDS-9960 non è compatibile con Attiny Arduino Core. Il rilevamento della prossimità funziona, tuttavia non riesco a far sì che il codice rilevi in modo affidabile il segnale di interruzione per i gesti.
2. L'intestazione dell'ISP è speculare e uno dei pin non è stato collegato.
3. L'intestazione VCC dell'ISP va sul lato sbagliato del regolatore di tensione. Se questo non è scollegato, il regolatore di tensione friggerà all'istante
4. Il supporto della batteria CR si sovrappone all'intestazione i2C di alcuni mm

Passaggio 7: risultato finale

Alla fine di questa odissea ho un Nixie Watch funzionante. È in qualche modo utilizzabile, ma più di una prova di concetto che di un orologio quotidiano. La seconda scheda è stata convertita in un orologio da tavolo e la terza scheda è stata distrutta durante il processo di costruzione.

Alcuni link utili se hai intenzione di provare a progettare il tuo orologio:

Nixie Tube Gruppo Google

EEVBlog Nixie Playlist

Esportazione da Eagle a Fusion