Reloj Nixie Tube: 7 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:43

Construí un reloj a principios de este año para ver si podía hacer algo que fuera funcional. Tenía 3 requisitos de diseño principales

1. Mantenga la hora exacta
2. Tener batería para todo el día
3. Sea lo suficientemente pequeño para usarlo cómodamente

Me las arreglé para cumplir con los primeros 2 requisitos, sin embargo, el tercero es un poco exagerado. Observa este diseño en su muñeca, pero no es inutilizable. Quiero repasar el proceso de diseño y mostrar qué salió bien y qué salió mal en este proyecto. Publicaré archivos para usar, pero como explicaré, recomendaría cambiar algunas opciones de diseño al hacer su propio modelo.

Advertencia de seguridad

Este proyecto implica atar un dispositivo a su muñeca que genera 150 V CC. Esto le hará daño o provocará lesiones graves si no presta atención.

Paso 1: Piezas necesarias

Cuando diseñe su reloj, debe comenzar seleccionando sus componentes.

Tubos Nixie

Cuanto más pequeño, mejor. Usé IN-17, que ocupa poco espacio, pero es bastante alto. Un tubo que tenga los cables que salen por debajo del número puede introducirse en un área más pequeña.

Fuente de alimentación de alto voltaje

Dado que funciona con batería, necesitamos convertir ~ 3V hasta al menos 150V. Usé una placa Taylor Electronics 1363. Es posible diseñar su propia placa, pero deberá prestar mucha atención al diseño. El uso de una placa prefabricada me permitió reducir el tamaño de la placa a la mitad de lo que sería con la soldadura manual, y terminó siendo más eficiente y menos sonora que mi diseño.

Interruptores de alto voltaje

La mayoría de los microcontroladores funcionan con 3-5 V, no 150 V. Para interactuar con ellos, necesitamos un registro de desplazamiento, transistores u otro dispositivo de conmutación capaz de alto voltaje. Utilicé el registro de cambios HV5523 para esta placa; técnicamente, requieren una lógica de 5 V, pero descubrí que funcionaban con 3,3 V sin problemas.

Microcontrolador

Se necesita la MCU más pequeña que tenga suficientes pines para ejecutar todos sus dispositivos. No use un ATMega2560 para esto, ya que es excesivo. Elegí el ATTiny841 porque tenía exactamente el número de IO necesario y era compatible con el IDE de Arduino.

RTC

Para mantener la hora exacta, necesita un chip RTC. Usé el DS3231.

Otras partes

• Regulador de voltaje
• Interfaz para configurar la hora o encender la pantalla

  Utilicé un sensor de proximidad / gestos APDS-9960 con éxito limitado

• Una forma de asegurarse de que todo funcione

  Tenía un puerto serie expuesto y un LED RGB para mostrar el estado actual del dispositivo

• Es posible que también desee un método para cargar la batería sin quitarla.

Paso 2: descripción funcional

Subí algunas de mis notas iniciales para planificar el diseño del circuito y un diagrama de bloques de los componentes principales de lo que terminé usando.

El lado de alto voltaje tiene el HVPS que suministra + 150 V a través de una resistencia limitadora de corriente al terminal del ánodo común (+) de los tubos Nixie. El Shift Register se conecta a cada uno de los dígitos de los tubos. El Shift Register es un dispositivo de drenaje abierto. Cada pin puede conectarse directamente a tierra o dejarse desconectado del circuito. Esto significa que todos los cables desconectados del tubo nixie medirán 150 V cuando no se utilicen.

El lado de bajo voltaje tiene un regulador reductor / elevador de 3.3V que regula el voltaje de una batería lipo. Esto mantiene el circuito a 3.3V cuando el voltaje de la lipografía cae de 3.7 a 3.0V. El bus Attiny841 i2C se conecta al sensor de gestos y al RTC. No se muestra el led RGB ni la conexión en serie.

Al ejecutar, la MCU verificará el sensor de gestos para obtener información de proximidad. Para evitar que una funda active la pantalla, es necesario que el sensor se destape durante al menos 1 segundo, luego se cubra durante al menos 1 segundo y luego se destape para activar una acción. La versión inicial del reloj mostraría la hora una vez como se describe en la última imagen. Lo actualicé para que tenga la capacidad de entrar en modo siempre encendido manteniendo el sensor cubierto por más tiempo.

Paso 3: Diseño de la placa

No entraré en demasiados detalles sobre cómo hacer un PCB, ya que hay mucha información al respecto. Algunas huellas útiles de Nixie Tube están disponibles aquí.

Cuando diseñé mi PCB, apilé dos placas más pequeñas para reducir el espacio que ocuparía cuando las sujete a mi muñeca. Encontré útil imprimir y recortar una copia en papel de la PCB para asegurarme de que todas mis huellas estén alineadas y los conectores estén alineados. Si el espacio lo permite, intente dejar almohadillas de ruptura para i2C y otras líneas de datos para sondear o soldar también durante la prueba.

Eagle tiene una función que le permite asignar un modelo 3D a un componente y luego exportar un modelo 3D de su placa a otro programa. Tenía errores cuando lo estaba usando, pero sigue siendo muy útil para asegurarme de que ninguna pieza interfiera entre sí.

Para ahorrar espacio, no incluí un cargador de batería dentro del reloj. En cambio, tengo algunos conectores DuPont hembra en el lateral del reloj. La última imagen de este conjunto muestra el cableado que utilicé. El lado izquierdo está dentro del reloj, el derecho está fuera. Para cargar el reloj, conecte los cables más externos al cargador externo. La línea azul cerca del negativo de la batería representa una ranura con llave para evitar insertar el cargador al revés. Para encender el reloj, usa un pequeño cable de puente (verde) para conectar la batería + a VCC del circuito real. Esto proporciona una rápida seguridad en caso de problemas. Debido al diseño, no se puede conectar accidentalmente el circuito al revés o cortocircuitarlo.

Paso 4: Ensamblaje de PCB

Pedí mis tablas a OSHPark porque eran bastante rápidas, baratas y tenían un hermoso color púrpura: D

También obtienes 3 de cada tablero, por lo que puedes hacer 2 relojes y tener un tercer tablero para probar.

Primero haga los paquetes QFN con aire caliente, luego suelde a mano todo lo demás comenzando con los componentes más pequeños. No conecte sus tubos Nixie o HVPS. Si tiene una plantilla de soldadura y un horno tostador, lo está haciendo bastante bien. Use un medidor de ohmios para verificar si hay cortocircuitos en su PCB. Si mide un corto de resistencia media-alta, es posible que tenga demasiados residuos de fundente en la placa. El HV5523 tiene pines de tono muy fino y no puede ver si están puenteados debajo del IC. Dale a tu tabla la oportunidad de enfriarse si la estás repasando durante mucho tiempo.

Una vez ensamblados los componentes de bajo voltaje, ejecute un programa que recorra todos los dígitos del registro de desplazamiento. Utilice un analizador lógico o un multímetro para confirmar que los pines están bajándose cuando se espera. También asegúrese de que su RTC y otros dispositivos respondan como se espera.

Suelde el HVPS, luego los tubos nixie. Para los tubos Nixie, suelde 1 pierna a la vez y no deje el calor demasiado tiempo. Si es posible, sostenga la pata entre la PCB y el vidrio con unos alicates para que actúe como disipador de calor. Deje que los tubos se enfríen entre soldaduras de cada pata.

Si tiene problemas con una pieza que no funciona y no sabe si es una junta de soldadura, puede probar la soldadura de "error muerto". Retire el chip de la placa y use un alambre fino para soldar a cada almohadilla directamente. Asegúrese de usar alambre con revestimiento de esmalte para que ninguno de los alambres se corto entre sí.

Paso 5: Diseño de la carcasa

Usando las funciones de Eagles MCAD es fácil obtener un modelo 3D del circuito para construir un caso a su alrededor. Las correas de reloj de tamaño estándar están disponibles en la farmacia / tienda departamental. Si hizo agujeros de montaje en su PCB, puede crear separadores en su modelo y sujetar rápidamente la placa. Mis separadores terminaron siendo cortados por el tubo de Nixie y no se pudieron utilizar; utilicé Sugru para asegurarme de que permaneciera en un lugar.

Paso 6: Archivos de proyecto y problemas enfrentados

Archivos Eagle y Solidworks

Código más robusto

He vinculado todos los archivos que hice mientras trabajaba en este proyecto. Estos se cargan tal cual, sin editar ni pulir. No estoy seguro si esto es bueno o malo … Puedes ver mi esquema, diseño de placa, archivos de Solidworks y código Arduino. Le expliqué las elecciones que tomé y estos archivos deberían ayudarlo a ver cómo implementar esas opciones en su propio reloj.

En los archivos Eagle, HV.brd contiene las huellas nixie, HV5523, conector para HVPS y APDS-9960. APDS-9960 está en una segunda página, ya que se copia del archivo de la placa de ruptura 9960 de Sparkfun. El Schematic.brd contiene todas las cosas de bajo voltaje. Creo que todas las bibliotecas necesarias están incluidas.

La carpeta de Solidworks es un desastre enorme: la exportación desde eagle creó archivos individuales para cada resistencia y lo desechó todo. "Assem8" es el archivo a mirar para ver todo acoplado y ensamblado. Las carpetas "Exportar" son archivos STL con diferentes parámetros de prueba.

El boceto de Arduino en el primer código es lo que se muestra en el video de la página siguiente y es lo que se usa para todos los documentos de este documento. El segundo enlace tiene una revisión más reciente que incluye múltiples modos de visualización. Si el RTC se restablece en este esquema, establecerá la hora a las 12 del mediodía en el próximo encendido. Esto es para que el reloj se pueda usar como un reloj de escritorio que esté siempre enchufado.

Si decide utilizar mis archivos como punto de partida, debe tener en cuenta algunos problemas que no he resuelto.

1. El APDS-9960 no es compatible con Attiny Arduino Core. La detección de proximidad funciona, sin embargo, no puedo hacer que el código capte de manera confiable la señal de interrupción para los gestos.
2. El encabezado del ISP está reflejado y uno de los pines no estaba conectado.
3. El encabezado ISP VCC va al lado equivocado del regulador de voltaje. Si no se desconecta, el regulador de voltaje se freirá instantáneamente.
4. El soporte de la batería CR se superpone al cabezal i2C unos pocos mm

Paso 7: resultado final

Al final de esta odisea tengo un Nixie Watch funcionando. Es algo utilizable, pero más una prueba de concepto que un reloj diario. La segunda placa se convirtió en un reloj de escritorio y la tercera placa se destruyó durante el proceso de construcción.

Algunos enlaces útiles si vas a intentar diseñar tu propio reloj:

Grupo de Google de Nixie Tube

Lista de reproducción de EEVBlog Nixie

Exportación de Eagle a Fusion