Nixie Tube Watch: 7 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:38

Construí um relógio no início deste ano para ver se poderia fazer algo que fosse funcional. Eu tinha 3 requisitos de design principais

1. Mantenha o tempo exato
2. Ter bateria o dia todo
3. Seja pequeno o suficiente para usar confortavelmente

Consegui cumprir os 2 primeiros requisitos, mas o terceiro é um pouco forçado. Você percebe este desenho em seu pulso, mas não é inutilizável. Quero revisar o processo de design e mostrar o que deu certo e o que deu errado neste projeto. Vou postar arquivos para usar, mas como vou explicar, recomendo alterar algumas opções de design ao fazer seu próprio modelo.

Aviso de segurança

Este projeto envolve amarrar um dispositivo ao seu pulso que gere 150 V DC. Isso vai doer seriamente ou causar ferimentos se você não prestar atenção.

Etapa 1: peças necessárias

Ao projetar seu relógio, você precisa começar escolhendo seus componentes.

Tubos Nixie

Quanto menor, melhor. Usei IN-17, que têm uma pegada pequena, mas são bem altas. Um tubo com condutores saindo abaixo do número pode ser capaz de se espremer em uma área menor.

Fonte de alimentação de alta tensão

Uma vez que é alimentado por bateria, precisamos converter ~ 3V em pelo menos 150V. Usei uma placa 1363 da Taylor Electronics. É possível projetar sua própria placa, mas você precisará prestar muita atenção ao design. Usar uma placa pré-construída me permitiu reduzir o tamanho da placa para a metade do que seria com a solda manual, e acabou sendo mais eficiente e com menos zumbido do que o meu projeto.

Chaves de alta tensão

A maioria dos microcontroladores opera com 3-5V, não 150V. Para fazer a interface com eles, precisamos de um registrador de deslocamento, transistores ou outro dispositivo de comutação capaz de alta tensão. Eu usei o HV5523 Shift Register para esta placa - tecnicamente, eles exigem lógica de 5V, mas descobri que funcionavam com 3,3V sem problemas.

Microcontrolador

O menor MCU que possui pinos suficientes para executar todos os seus dispositivos é necessário. Não use um ATMega2560 para isso, pois é um exagero. Eu escolhi o ATTiny841 porque ele tinha exatamente o número de IO necessário e suportava o IDE do Arduino.

RTC

Para manter a hora precisa, você precisa de um chip RTC. Usei o DS3231.

Outras Partes

• Regulador de voltagem

• Interface para definir a hora ou ligar o display

  Usei um sensor de gesto / proximidade APDS-9960 com sucesso limitado

• Uma maneira de ter certeza de que tudo está funcionando

  Eu tinha uma porta serial exposta e um LED RGB para mostrar o estado atual do dispositivo

• Você também pode querer um método para carregar a bateria sem removê-la.

Etapa 2: Visão geral funcional

Eu carreguei algumas das minhas notas iniciais para o planejamento do layout do circuito e um diagrama de blocos dos principais componentes do que acabei usando.

O lado de alta tensão tem HVPS fornecendo + 150 V por meio de um resistor limitador de corrente para o terminal ânodo comum (+) dos tubos Nixie. O Shift Register conecta-se a cada um dos dígitos dos tubos. O Shift Register é um dispositivo de drenagem aberta. Cada pino pode ser conectado diretamente ao terra ou pode ser deixado desconectado do circuito. Isso significa que todos os cabos desconectados do tubo nixie medirão 150 V quando não estiverem sendo usados.

O lado de baixa tensão tem um regulador de buck / boost de 3,3 V que regula a tensão de uma bateria lipo. Isso mantém o circuito em 3,3 V à medida que a tensão lipo cai de 3,7 para 3,0 V. O barramento Attiny841 i2C se conecta ao sensor Gesture e RTC. Não é mostrado o led RGB e a conexão serial.

Ao executar, o MCU verificará o sensor de gestos para obter informações de proximidade. Para evitar que uma luva acione a tela, é necessário que o sensor seja descoberto por pelo menos 1 segundo, depois coberto por pelo menos 1 segundo e, em seguida, descoberto para acionar uma ação. A versão inicial do relógio exibiria a hora uma vez, conforme descrito na última imagem. Eu o atualizei para que ele tenha a capacidade de entrar no modo sempre ligado, mantendo o sensor coberto por mais tempo.

Etapa 3: Design da placa

Não vou entrar em muitos detalhes sobre como fazer um PCB, pois já existem muitas informações sobre isso. Algumas pegadas do tubo Nixie úteis estão disponíveis aqui.

Quando projetei minha placa de circuito impresso, empilhei duas placas menores para reduzir a área ocupada que ela ocuparia quando presa ao meu pulso. Achei útil imprimir e cortar uma cópia em papel do PCB para ter certeza de que todas as minhas pegadas estavam alinhadas e os conectores estavam alinhados. Se houver espaço, tente deixar almofadas de fuga para i2C e outras linhas de dados para sondar ou soldar também durante o teste.

O Eagle possui um recurso que permite atribuir um modelo 3D a um componente e, em seguida, exportar um modelo 3D da sua placa para outro programa. Ele tinha erros quando eu o estava usando, mas ainda assim muito útil para garantir que nenhuma parte interfira uma com a outra.

Para economizar espaço, não incluí um carregador de bateria dentro do relógio. Em vez disso, tenho alguns conectores DuPont fêmeas na lateral do relógio. A última imagem deste conjunto mostra a fiação que usei. O lado esquerdo está dentro do relógio, o direito está fora. Para carregar o relógio, você conecta os fios externos ao carregador externo. A linha azul próxima ao negativo da bateria representa um slot codificado para evitar a inserção do carregador ao contrário. Para ligar o relógio, você usa um pequeno cabo de ponte (verde) para ligar a bateria + ao VCC do circuito real. Isso proporciona uma rápida segurança contra falhas em caso de problemas. Devido ao layout, você não pode acidentalmente causar curto ou conectar o circuito ao contrário.

Etapa 4: Montagem de PCB

Eu encomendei minhas placas do OSHPark porque elas eram muito rápidas, baratas e tinham uma linda cor roxa: D

Além disso, você recebe 3 de cada placa, então pode fazer 2 relógios e ter uma terceira placa para teste.

Faça os pacotes QFN com ar quente primeiro e, em seguida, solde tudo à mão, começando com os componentes menores. Não conecte seus tubos Nixie ou HVPS. Se você tem um estêncil de solda e uma torradeira, está se saindo muito bem. Use um ohmímetro para verificar se há curtos em seu PCB. Se medir o curto de resistência médio-alto, pode haver muito resíduo de fluxo na placa. O HV5523 tem pinos muito finos e você não pode ver se eles estão conectados sob o IC. Dê a sua prancha uma chance de esfriar se você estiver retrabalhando por um longo tempo.

Assim que os componentes de baixa tensão estiverem montados, execute um programa que percorrerá todos os dígitos no registrador de deslocamento. Use um analisador lógico ou multímetro para confirmar se os pinos estão sendo puxados para BAIXO quando esperado. Além disso, certifique-se de que seu RTC e outros dispositivos respondam conforme o esperado.

Solde o HVPS, então os tubos nixie. Para os tubos Nixie, solde 1 perna de cada vez e não deixe o aquecimento ligado por muito tempo. Se possível, segure a perna entre o PCB e o vidro com um alicate para funcionar como um dissipador de calor. Dê aos tubos uma chance de esfriar entre a soldagem de cada perna.

Se você está tendo problemas com uma peça que não está funcionando e não sabe se é uma junta de solda, você pode tentar a solda "dead bug". Remova o chip da placa e use um fio fino para soldar em cada almofada diretamente. Certifique-se de usar fio com revestimento de esmalte para que nenhum dos fios entre em curto.

Etapa 5: Design do caso

Usando as funções MCAD do Eagles, é fácil obter um modelo 3D do circuito para construir uma caixa ao redor dele. Braceletes de relógio de tamanho padrão estão disponíveis na farmácia / loja de departamentos. Se você fez orifícios de montagem em sua placa de circuito impresso, você pode criar espaçadores em seu modelo e fixar rapidamente a placa. Meus impasses acabaram sendo cortados pelo tubo Nixie e não eram utilizáveis - usei Sugru para garantir que ficasse em um só lugar.

Etapa 6: Arquivos de projeto e problemas enfrentados

Arquivos Eagle e Solidworks

Código Mais Robusto

Vinculei todos os arquivos que fiz enquanto trabalhava neste projeto. Estes são carregados no estado em que se encontram, sem edição ou polimento. Não tenho certeza se isso é bom ou ruim … Você pode ver meu esquema, design da placa, arquivos Solidworks e código do Arduino. Expliquei quais escolhas fiz e esses arquivos devem ajudá-lo a ver como implementar essas escolhas em seu próprio relógio.

Nos arquivos Eagle, o HV.brd contém as pegadas nixie, HV5523, conector para HVPS e APDS-9960. APDS-9960 está em uma segunda página, pois é copiado do arquivo de placa de breakout 9960 do Sparkfun. O Schematic.brd contém todo o material de baixa tensão. Acho que as bibliotecas necessárias estão todas incluídas.

A pasta Solidworks é uma grande bagunça - A exportação do Eagle criou arquivos individuais para cada resistor e despejou tudo. "Assem8" é o arquivo a ser examinado para ver tudo combinado e montado. As pastas "Exportar" são arquivos STL com parâmetros diferentes de teste.

O esboço do Arduino no primeiro código é o que é demonstrado no vídeo da próxima página e é o que é usado para todos os documentos neste documento. O segundo link tem uma revisão mais recente que inclui vários modos de exibição. Se o RTC redefinir neste esboço, ele definirá a hora para 12 horas na próxima inicialização. Assim, o relógio pode ser usado como um relógio de mesa que está sempre conectado.

Se você decidir usar meus arquivos como ponto de partida, deve estar ciente de alguns problemas que não resolvi.

1. O APDS-9960 não é compatível com o Attiny Arduino Core. A detecção de proximidade funciona, no entanto, não consigo fazer com que o código capte de forma confiável o sinal de interrupção para gestos.
2. O cabeçalho do ISP é espelhado e um dos pinos não estava conectado.
3. O cabeçalho ISP VCC vai para o lado errado do regulador de tensão. Se não for desconectado, o regulador de tensão irá fritar instantaneamente
4. O suporte da bateria CR se sobrepõe ao conector i2C em alguns mm

Etapa 7: Resultado final

No final desta odisséia, tenho um relógio Nixie funcionando. É um pouco utilizável, mas mais uma prova de conceito do que um relógio diário. A segunda placa foi convertida em um relógio de mesa e a terceira placa foi destruída durante o processo de construção.

Alguns links úteis se você for tentar projetar seu próprio relógio:

Grupo Nixie Tube Google

EEVBlog Nixie Playlist

Exportação Eagle para Fusion