Nixie Tube Watch: 7 stappen (met afbeeldingen)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

Ik heb eerder dit jaar een horloge gebouwd om te kijken of ik iets kon maken dat functioneel was. Ik had 3 hoofdontwerpvereisten:

1. Houd de juiste tijd bij!
2. Heb de hele dag batterij
3. Wees klein genoeg om comfortabel te dragen

Ik ben erin geslaagd om aan de eerste 2 vereisten te voldoen, maar de derde is een beetje lang. Je merkt wel dat dit design om je pols zit, maar onbruikbaar is het niet. Ik wil het ontwerpproces doornemen en laten zien wat er goed en fout ging in dit project. Ik zal bestanden posten om te gebruiken, maar zoals ik zal uitleggen, zou ik aanraden om enkele ontwerpkeuzes te veranderen wanneer je je eigen model maakt.

Veiligheidswaarschuwing

Dit project omvat het vastbinden van een apparaat om je pols dat 150V DC genereert. Dit zal ernstig pijn doen of letsel veroorzaken als u niet oplet.

Stap 1: benodigde onderdelen

Wanneer u uw horloge ontwerpt, moet u beginnen met het uitzoeken van uw componenten.

Nixie-buizen

Hoe kleiner hoe beter. Ik gebruikte IN-17 die een kleine voetafdruk hebben, maar vrij lang zijn. Een buis waarvan de leads onder het nummer uitkomen, kan mogelijk in een kleiner gebied worden geperst.

Hoogspanningsvoeding

Omdat dit op batterijen werkt, moeten we ~3V omzetten naar minimaal 150V. Ik gebruikte een Taylor Electronics 1363 bord. Het is mogelijk om je eigen bord te ontwerpen, maar je moet goed op het ontwerp letten. Door een vooraf gebouwd bord te gebruiken, kon ik het bord verkleinen tot de helft van wat het zou zijn met handsolderen, en uiteindelijk efficiënter en minder rinkelend dan mijn ontwerp was.

Hoogspanningsschakelaars

De meeste microcontrollers werken op 3-5V, niet op 150V. Om met hen te communiceren, hebben we een schuifregister, transistors of ander schakelapparaat nodig dat in staat is tot de hoge spanning. Ik heb de HV5523 Shift Register voor dit bord gebruikt - technisch gezien hebben ze 5V-logica nodig, maar ik ontdekte dat ze zonder problemen op 3,3V werkten.

Microcontroller

De kleinste MCU die genoeg pinnen heeft om al je apparaten te laten werken, is nodig. Gebruik hiervoor geen ATMega2560, dat is overkill. Ik koos de ATTiny841 omdat deze precies het benodigde aantal IO had en de Arduino IDE ondersteunde.

RTC

Om de tijd nauwkeurig bij te houden, heb je een RTC-chip nodig. Ik heb de DS3231 gebruikt.

Overige onderdelen

• Spanningsregelaar

• Interface om de tijd in te stellen of het display in te schakelen

  Ik heb een APDS-9960 bewegings-/nabijheidssensor gebruikt met beperkt succes

• Een manier om ervoor te zorgen dat alles werkt

  Ik had een blootliggende seriële poort en een RGB-LED om de huidige apparaatstatus te tonen

• Misschien wilt u ook een methode om de batterij op te laden zonder deze te verwijderen.

Stap 2: Functioneel overzicht

Ik heb enkele van mijn eerste aantekeningen geüpload voor het plannen van de circuitlay-out en een blokschema van de belangrijkste componenten van wat ik uiteindelijk heb gebruikt.

De hoogspanningszijde heeft de HVPS die +150V levert via een stroombegrenzende weerstand naar de Common Anode (+) aansluiting van de Nixie Tubes. Het schuifregister is verbonden met elk van de cijfers van de buizen. Het Ploegenregister is een Open Drain apparaat. Elke pin kan ofwel direct aan aarde worden vastgemaakt, of losgekoppeld van het circuit worden gelaten. Dit betekent dat alle losgekoppelde snoeren van de nixiebuis 150V meten als ze niet worden gebruikt.

De laagspanningszijde heeft een 3.3V buck/boost-regelaar die de spanning van een lipo-batterij regelt. Dit houdt het circuit op 3,3 V terwijl de lipo-spanning daalt van 3,7 naar 3,0 V. De Attiny841 i2C-bus maakt verbinding met de bewegingssensor en RTC. Niet afgebeeld is de RGB led en seriële aansluiting.

Tijdens het uitvoeren van de MCU controleert de bewegingssensor op nabijheidsinformatie. Om te voorkomen dat een hoes het display activeert, moet de sensor minimaal 1 seconde worden blootgelegd, daarna minimaal 1 seconde worden afgedekt en vervolgens worden blootgelegd om een actie te activeren. De eerste versie van het horloge zou de tijd eenmaal weergeven, zoals beschreven in de laatste afbeelding. Ik heb het bijgewerkt zodat het de mogelijkheid heeft om in de altijd aan-modus te gaan door de sensor langer bedekt te houden.

Stap 3: Bordontwerp

Ik zal niet te veel in detail treden over het maken van een PCB, want daar is al veel informatie over. Enkele handige Nixie Tube-voetafdrukken zijn hier beschikbaar.

Toen ik mijn PCB ontwierp, heb ik twee kleinere borden gestapeld om de voetafdruk te verkleinen die het zou hebben als het om mijn pols werd vastgemaakt. Ik vond het handig om een papieren kopie van de PCB af te drukken en uit te knippen om er zeker van te zijn dat al mijn voetafdrukken op één lijn stonden en dat de connectoren waren uitgelijnd. Als de ruimte het toelaat, probeer tijdens het testen breakout-pads voor i2C en andere datalijnen te laten om te sonderen of te solderen.

Eagle heeft een functie waarmee u een 3D-model aan een component kunt toewijzen en vervolgens een 3D-model van uw bord naar een ander programma kunt exporteren. Het was buggy toen ik het gebruikte, maar nog steeds erg handig om ervoor te zorgen dat geen onderdelen met elkaar interfereren.

Om ruimte te besparen heb ik geen batterijlader in het horloge opgenomen. In plaats daarvan heb ik enkele vrouwelijke DuPont-connectoren aan de zijkant van het horloge. De laatste afbeelding van deze set toont de bedrading die ik heb gebruikt. De linkerkant is binnen het horloge, de rechterkant is buiten. Om het horloge op te laden sluit je de buitenste draden aan op de externe oplader. De blauwe lijn bij de min van de batterij vertegenwoordigt een gleuf met een sleutel om te voorkomen dat de oplader achterstevoren wordt geplaatst. Om het horloge aan te zetten gebruik je een kleine startkabel (groen) om de batterij + naar VCC van het eigenlijke circuit te overbruggen. Dit geeft een snelle failsafe in geval van problemen. Door de lay-out kan je het circuit niet per ongeluk kortsluiten of achterstevoren aansluiten.

Stap 4: PCB-assemblage

Ik bestelde mijn boards bij OSHPark omdat ze vrij snel, goedkoop waren en een mooie paarse kleur hadden:D

Je krijgt ook 3 van elk bord, dus je kunt 2 horloges maken en een derde bord hebben om op te testen.

Doe de QFN-pakketten eerst met hete lucht en soldeer vervolgens al het andere met de hand, te beginnen met de kleinere componenten. Sluit uw Nixie-buizen of HVPS niet aan. Als je een soldeersjabloon en een broodroosteroven hebt, zit je goed. Gebruik een ohm-meter om te controleren op kortsluiting op uw PCB. Als je middelhoge weerstand kort meet, heb je mogelijk te veel fluxresten op het bord. De HV5523 heeft zeer fijn getande pinnen en je kunt niet zien of ze onder het IC zijn overbrugd. Geef je board de kans om af te koelen als je er lang aan bezig bent.

Zodra de laagspanningscomponenten zijn gemonteerd, voert u een programma uit dat alle cijfers op het schuifregister doorloopt. Gebruik een logische analysator of multimeter om te bevestigen dat de pinnen LAAG worden getrokken wanneer verwacht. Zorg er ook voor dat uw RTC en andere apparaten reageren zoals verwacht.

Soldeer de HVPS en dan de nixiebuizen. Soldeer voor de Nixie Tubes 1 poot per keer en laat de hitte niet te lang aanstaan. Houd indien mogelijk de poot tussen de printplaat en het glas vast met een tang om als koellichaam te fungeren. Geef de buizen een kans om af te koelen tussen het solderen van elk been.

Als je problemen hebt met een onderdeel dat niet werkt en je weet niet of het een soldeerverbinding is, kun je "dead bug"-solderen proberen. Verwijder de chip van het bord en gebruik fijne draad om rechtstreeks op elke pad te solderen. Zorg ervoor dat u draad met emaille coating gebruikt, zodat geen van de draden kortsluiting maakt.

Stap 5: Case-ontwerp

Met behulp van Eagles MCAD-functies is het eenvoudig om een 3D-model van het circuit te krijgen om er een case omheen te bouwen. Standaard maat horlogebandjes zijn verkrijgbaar bij de drogisterij/warenhuis. Als u montagegaten in uw printplaat hebt gemaakt, kunt u afstandhouders in uw model maken en het bord snel bevestigen. Mijn impasses werden uiteindelijk afgesloten door de Nixie-buis en waren niet bruikbaar - ik gebruikte Sugru om ervoor te zorgen dat het op één plaats bleef.

Stap 6: Projectbestanden en problemen waarmee u geconfronteerd wordt

Eagle- en Solidworks-bestanden

Meer robuuste code

Ik heb alle bestanden die ik heb gemaakt tijdens het werken aan dit project gekoppeld. Deze worden geüpload zoals ze zijn, zonder bewerking of polijsten. Ik weet niet zeker of dit goed of slecht is … Je kunt mijn schema, bordontwerp, Solidworks-bestanden en Arduino-code zien. Ik heb uitgelegd welke keuzes ik heb gemaakt, en deze bestanden zouden je moeten helpen te zien hoe je die keuzes in je eigen horloge kunt implementeren.

In de Eagle-bestanden bevat de HV.brd de nixie-voetafdrukken, HV5523, connector voor de HVPS en de APDS-9960. APDS-9960 staat op een tweede pagina omdat het is gekopieerd uit Sparkfun's 9960 breakout board-bestand. De Schematic.brd bevat alle laagspanningsdingen. Ik denk dat de benodigde bibliotheken allemaal zijn inbegrepen.

De map Solidworks is een enorme puinhoop - De export van eagle heeft voor elke weerstand afzonderlijke bestanden gemaakt en alles gedumpt. "Assem8" is het bestand om naar te kijken om alles gekoppeld en geassembleerd te zien. De "Export"-mappen zijn STL-bestanden met verschillende parameters van testen.

De Arduino-schets in de eerste code wordt gedemonstreerd in de video op de volgende pagina en wordt gebruikt voor alle documenten in dit document. De tweede link heeft een nieuwere revisie die meerdere weergavemodi bevat. Als de RTC op deze schets wordt gereset, wordt de tijd ingesteld op 12.00 uur bij de volgende inschakeling. Hierdoor kan het horloge worden gebruikt als bureauklok die altijd is aangesloten.

Als u besluit mijn bestanden als uitgangspunt te gebruiken, moet u zich bewust zijn van een paar problemen die ik niet heb opgelost.

1. De APDS-9960 is niet compatibel met de Attiny Arduino Core. Nabijheidsdetectie werkt, maar ik kan de code niet op betrouwbare wijze het onderbrekingssignaal voor gebaren laten opnemen.
2. De ISP-header is gespiegeld en een van de pinnen was niet aangesloten.
3. De ISP VCC-header gaat naar de verkeerde kant van de spanningsregelaar. Als dit niet wordt losgekoppeld, zal de spanningsregelaar onmiddellijk braden
4. De CR-batterijhouder overlapt de i2C-header met een paar mm

Stap 7: Eindresultaat

Aan het einde van deze odyssee heb ik een werkende Nixie Watch. Het is enigszins bruikbaar, maar meer een proof of concept dan een dagelijks horloge. Het tweede bord werd omgebouwd tot bureauklok en het derde bord werd tijdens het bouwproces vernietigd.

Enkele handige links als je gaat proberen je eigen horloge te ontwerpen:

Nixie Tube Google-groep

EEVBlog Nixie-afspeellijst

Export van Eagle naar Fusion