Termometru controlat cu tub Nixie Arduino: 14 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:43

Cu ani în urmă, am cumpărat o grămadă de tuburi IN-14 Nixie din Ucraina și le-am întins de atunci. Am vrut întotdeauna să le folosesc pentru un dispozitiv personalizat și așa că am decis să abordez în cele din urmă acest proiect și să construiesc ceva care utilizează acest mod aproape antic de afișare a cifrelor, dar deocamdată nu am vrut să construiesc un ceas cu tub Nixie (am crezut că a fost un pic clișeu de făcut și deocamdată mi-am săturat de proiecte de ceas hipster), așa că m-am gândit: De ce să nu construiesc un termometru pentru camera mea care să poată fi activat din palme? L-am făcut să bată din palme, astfel încât să nu fie aprins tot timpul, pentru că am crezut că este o pierdere destul de mare de energie și, de asemenea, nu am vrut să lumineze camera, mai ales în timpul nopții.

Tuburile Nixie sunt controlate de un Arduino, care este, de asemenea, responsabil pentru citirea temperaturii de la cunoscutul senzor de temperatură DHT-11.

Aceasta este o copie scurtată din seria mea originală lansată pe site-ul meu web. Uitați-vă la el, dacă sunteți interesat de alte articole și proiecte tehnice pe care nu le-am editat încă pentru Instructables.

Pasul 1: Tuburi Nixie și tensiune înaltă

Tuburile Nixie sunt tuburi catodice reci care sunt umplute cu un gaz specific. Mai mult, acestea conțin un anod comun (sau catod) și catoduri (sau anodi) separați pentru fiecare cifră sau caracter pe care îl pot afișa (Vezi fig. 1.1).

În cazul meu, tuburile au un anod comun, iar cifrele sunt catoduri separate. Spre deosebire de alte tuburi din acea perioadă (tranzistoare, diode, …) Tuburile Nixie nu trebuie, de obicei, să fie încălzite pentru a funcționa corect (de unde și numele: tub catodic rece).

Singurul lucru de care au nevoie este o tensiune destul de mare, de obicei între 150 și 180V DC. Aceasta este de obicei principala problemă atunci când manipulați aceste dispozitive de afișare, deoarece înseamnă că veți avea nevoie de o sursă de alimentare personalizată sau un circuit de intensificare și controlere, care sunt capabile să pornească și să oprească catodii fără a utiliza prea multe linii GPIO.

Pasul 2: Convertor pas cu pas de 12V la 170V DC

Să începem cu crearea cumva a tensiunii necesare pentru a face strălucirea tuburilor. Din fericire, tubul tipic Nixie are nevoie de o tensiune înaltă, dar curent foarte mic, ceea ce înseamnă că este destul de ușor și ieftin să construiești un astfel de convertor.

Aveți grijă când utilizați acest circuit și, în general, tensiunile ridicate. Nu sunt o jucărie și obținerea unui zap doare foarte mult în cel mai bun caz și te poate ucide în cel mai rău caz! Opriți întotdeauna sursa de alimentare înainte de a schimba / întreține circuitul și asigurați-vă că utilizați o carcasă adecvată, astfel încât nimeni să nu o atingă accidental când este în uz!

Am folosit binecunoscutul circuit integrat MC34063 pentru convertorul step-up. Acest mic IC combină tot ce aveți nevoie pentru orice tip de convertor de comutare. Cu toate acestea, în loc să folosesc tranzistorul încorporat al IC-ului, am decis să merg cu un tranzistor extern, care a contribuit la menținerea IC-ului rece și, de asemenea, mi-a permis să am un curent mai mare la ieșire. Mai mult, pentru că a fost surprinzător de greu să găsesc valorile potrivite pentru toate aceste componente pentru a obține o ieșire de 170V, am renunțat după câteva zile de calcule și teste (Cea mai mare am obținut de la 12V a fost 100V) și am decis să nu reinventez roata. În schimb, am cumpărat un kit de la eBay, care urmează destul de mult schema din această fișă tehnică, cu câteva modificări (vezi fig. 2.1. Am adăugat și descrieri la imagine).

Pasul 3: Controlul tuburilor cu un Arduino

Deci, după cum ați văzut mai devreme, tuburile necesită o tensiune ridicată pentru a porni. „Așadar, cum puteți porni și opri tuburile cu un microcontroler, ca un Arduino?”, Ați putea întreba.

Există câteva rute alternative pe care le puteți lua pentru a atinge acest obiectiv. De exemplu, drivere dedicate pentru tuburi Nixie. Puteți obține în continuare stocuri vechi noi și circuite integrate utilizate, dar pot fi greu de găsit și pot fi costisitoare și nu mă aștept să fie mai ușor de găsit în viitor, deoarece acestea nu mai sunt produse.

Deci nu voi folosi un astfel de driver de tub Nixie. În schimb, voi folosi tranzistoare și decodificatoare binare până la zecimale, astfel încât să nu trebuiască să folosesc 10 linii GPIO pe tub nixie. Cu aceste decodoare, voi avea nevoie de 4 linii GPIO pe tub și o linie pentru a selecta între două tuburi.

În plus, astfel încât să nu am nevoie să trec între tuburi tot timpul cu o frecvență înaltă, voi folosi flip-flops (care vor avea nevoie de o linie GPIO suplimentară pentru resetare) pentru a păstra ultima intrare atât timp cât este necesar (Vedeți Fig. 3.1, faceți clic aici pentru circuitul de control complet la o rezoluție înaltă).

Pasul 4: Considerații de proiectare

În timp ce proiectam acest circuit, am găsit decodoare cu R / S-Flip-Flops încorporate, care încă sunt produse (de exemplu CD4514BM96). Dar, din păcate, nu le-am putut obține rapid, deoarece timpul de livrare a fost de două săptămâni și nu am vrut să aștept atât de mult. Deci, dacă scopul dvs. este să creați un PCB mic (sau doriți să aveți un număr mic de circuite integrate diferite), atunci ar trebui să mergeți cu un astfel de cip, în loc să utilizați Flip-Flops externi.

Există, de asemenea, variante inversate ale acestor decodoare. De exemplu, CD4514BM965 este varianta inversată la IC-ul menționat mai sus, unde numărul selectat va fi scăzut în loc de mare, ceea ce nu este ceea ce dorim în acest caz. Așadar, acordați atenție acestui detaliu atunci când comandați piesele. (Nu vă faceți griji: o listă completă a pieselor va fi inclusă mai târziu în acest instructabil!)

Puteți utiliza orice tip de tranzistor pentru matricea dvs., atâta timp cât evaluările se potrivesc cu tensiunea și curentul extras al tuburilor. Există, de asemenea, circuite integrate cu matrice de tranzistoare disponibile, dar din nou, nu am putut găsi niciunul care să fie evaluat peste 100V sau care să fie rapid disponibil.

Pasul 5: matricea tranzistorului

La pasul 3 nu am arătat matricea de tranzistori pentru a păstra grafica simplă și ușor de înțeles. Figura 5.1 prezintă detaliat matricea de tranzistoare lipsă.

După cum puteți vedea, fiecare ieșire digitală a decodorului este conectată la baza unui tranzistor npn printr-un rezistor de limitare a curentului. Atât, foarte simplu.

Doar asigurați-vă că tranzistoarele pe care le utilizați pot gestiona o tensiune de 170V și un curent de 25mA. Pentru a afla care trebuie să fie valoarea rezistorului de bază, utilizați calculatorul conectat la sfârșitul acestui instructabil la „Alte lecturi”.

Pasul 6: Citirea temperaturii

Este posibil să fi auzit deja despre senzorul de temperatură și umiditate combinat DHT-11 (sau DHT-22) (vezi fig. 6.1). Singura diferență dintre acest senzor și DHT-22 este acuratețea și domeniul de măsurare. 22 are o gamă mai mare și o precizie mai bună, dar pentru măsurarea temperaturii camerei, DHT-11 este mai mult decât suficient și mai ieftin, chiar dacă poate oferi doar rezultate întregi.

Senzorul necesită trei conexiuni: VCC, GND și o singură linie pentru comunicații seriale. Pur și simplu conectați-l la sursa de tensiune și conectați firul unic pentru comunicare la un pin GPIO al Arduino. Fișa tehnică sugerează adăugarea unui rezistor pull-up între com-line și VCC, astfel încât linia de comunicație să fie într-o stare înaltă, atunci când nu este utilizată (Vezi fig. 6.2).

Din fericire, există deja o bibliotecă pentru DHT-11 (și o grămadă de biblioteci bine documentate pentru DHT-22), care va gestiona comunicarea dintre Arduino și senzorul de temperatură. Deci, o aplicație de testare pentru această parte este destul de scurtă:

Pasul 7: Finalizați Arduino Sketch

Deci, după citirea senzorilor, ultimul pas a fost preluarea informațiilor de la senzori și afișarea temperaturii cu tuburile Nixie.

Pentru a porni un anumit număr pe un tub, trebuie să transmiteți un cod de 4 biți către decodor, care va porni tranzistorul corect. Mai mult, trebuie să transmiteți și un bit care indică care dintre cele două tuburi doriți să le setați chiar acum.

Am decis să adaug un R / S-Latch chiar în fața fiecărei intrări a decodorului. Pentru cei dintre voi, care nu știu, cum funcționează unul dintre aceste zăvoare, iată o explicație rapidă:

Practic, vă permite să stocați un pic de informații. Zăvorul poate fi SET și RESET (de aici și numele R / S-Latch, cunoscut și sub numele de S / R-Latch sau R / S-Flip-Flop). Prin activarea intrării SET a zăvorului, ieșirea Q este setată la 1. Prin activarea intrării RESET, Q devine 0. Dacă ambele intrări nu sunt active, starea anterioară a Q este păstrată. Dacă ambele intrări sunt activate în același timp, aveți o problemă, deoarece dispozitivul de blocare este forțat într-o stare instabilă, ceea ce înseamnă practic că comportamentul său va fi imprevizibil, deci evitați această stare cu orice preț.

Deci, pentru a afișa numărul 5 pe primul (stânga) și numărul 7 pe al doilea tub Nixie, trebuie să:

• RESETAȚI toate zăvoarele
• Activați tubul din stânga (Trimiteți 0 pe linia EN)
• Setați intrările decodorului (D, C, B și A): 0101
• Setați D, C, B și A toate la 0, astfel încât ultima stare să fie păstrată (Acest lucru nu trebuie făcut dacă ambele tuburi ar trebui să afișeze același număr)
• Activați tubul potrivit
• Setați intrările decodorului (D, C, B și A): 0111
• Setați D, C, B și A toate la 0, astfel încât ultima stare să fie păstrată

Pentru a opri tuburile puteți transmite o valoare nevalidă (cum ar fi 10 sau 15). Decodorul va opri toate ieșirile și, prin urmare, niciunul dintre tranzistoarele disponibile nu va fi activat și nu va curge curent prin tubul Nixie.

Puteți descărca întregul firmware aici

Pasul 8: Conducerea PCB-ului

Am vrut să combin totul (cu excepția circuitului step-up) pe un PCB, care cred că a ieșit destul de bine (vezi fig. (8.1).

Un obiectiv principal al meu a fost să mențin dimensiunea PCB cât mai mică posibil, dar să ofere totuși un spațiu în care să poată fi montat pe carcasă. De asemenea, am vrut să folosesc componente SMD, astfel încât să-mi pot îmbunătăți tehnica de lipit și să ajute și la menținerea PCB subțire, astfel încât carcasa personalizată să nu fie mare și voluminoasă (vezi fig. 8.2).

Datorită utilizării componentelor SMD, majoritatea conexiunilor trebuiau făcute pe partea componentă. Am încercat să folosesc cât mai puține vii posibil. Stratul inferior are într-adevăr doar liniile GND, VCC și + 170V și unele conexiuni care trebuiau făcute între diferiți pini ai aceluiași IC. Acesta este și motivul pentru care am folosit cele două IC-uri DIP-16 în loc de variantele lor SMD.

Puteți descărca fișierele de proiectare PCB și schemele EAGLE aici.

Deoarece acesta este un design minuscul cu toleranțe și urme foarte mici, a fost important să găsiți un producător bun pentru PCB-uri, astfel încât acestea să devină frumoase și să funcționeze corect.

Am decis să le comand la PCBWay și nu pot fi mai mulțumit de produsul pe care mi l-au trimis (vezi fig. 8.3).

Puteți obține o ofertă instantanee pentru prototipurile dvs. online fără a fi nevoie să vă înregistrați. Dacă decideți să comandați: au și acest convertor online la îndemână, care va converti fișierele EAGLE în formatul gerber corect. Chiar dacă EAGLE are și un convertor, îmi plac foarte mult convertoarele online de la producători, deoarece astfel puteți fi 100% sigur că nu vor exista probleme de compatibilitate cu versiunea gerber.

Pasul 9: Depanare

La prima testare a PCB-ului proaspăt lipit, nimic nu a funcționat. Tuburile fie nu arătau deloc (decodoarele au atins o valoare> 9), fie numerele aleatoare ar rămâne aprinse constant sau vor aprinde și opri blițul, ceea ce arăta frumos, dar în acest caz nu era de dorit.

La început, am dat vina pe software. Așa că am venit cu acest tester Nixie pentru Arduino (vezi fig. 9.1).

Acest script vă permite să introduceți un număr de pin GPIO (0-8) pentru care doriți să modificați starea. Apoi cere statul. La introducerea pinului 9, zăvoarele sunt resetate.

Așa că mi-am continuat testarea și am făcut un tabel de adevăr cu toate intrările posibile pentru A, B, C și D. Am observat că numerele 4, 5, 6 și 7 nu pot fi afișate cu oricare dintre cele două tuburi. În plus, ar reacționa diferit la aceeași combinație de intrări.

M-am gândit că trebuie să existe și o problemă electrică. Nu am putut găsi probleme tehnice în proiectare, dar apoi m-am gândit la ceva pe care l-am învățat cu mult timp în urmă (dar niciodată nu am avut cu adevărat o problemă de atunci): Fluxul poate fi conductiv. Este posibil să nu fie o problemă pentru aplicațiile obișnuite digitale și de joasă tensiune, dar se pare că a fost o problemă aici. Așa că am curățat placa cu alcool și apoi s-a comportat corect.

Cam. Un alt lucru pe care l-am observat: partea pe care am folosit-o în EAGLE atunci când mi-am creat aspectul PCB a fost incorectă (cel puțin pentru tuburile mele). Tuburile mele par să aibă un alt pinout.

Doar câteva lucruri de reținut atunci când circuitul dvs. nu funcționează imediat.

Pasul 10: un caz personalizat

După ce totul a fost rezolvat, am vrut să construiesc o carcasă frumoasă pentru a-mi adăposti circuitul. Din fericire mi-a rămas mult lemn din proiectul meu de ceas cu cuvinte, pe care am vrut să îl folosesc pentru construirea unei rețele în interior (vezi fig. 10.1).

Am construit carcasa folosind următoarele măsurători:

Cantitate	Măsurători [mm]	Descriere
6	40 x 125 x 5	Partea de jos, de sus, față și spate
2	40 x 70 x 5	Piese laterale mici
2	10 x 70 x 10	Piese structurale la interior (Vezi fig. 8).
2	10 x 70 x 5	Piese structurale pe capac (Vezi fig. 11).

După tăierea bucăților, le-am așezat împreună pentru a crea cutia prezentată în fig. 10.2.

Figura 10.3 prezintă cazul dintr-un unghi diferit.

Partea superioară a carcasei este exact aceeași cu partea inferioară, chiar fără pereți și cu părți structurale mai puțin înalte (vezi fig. 10.4). Acționează ca un capac și poate fi scos pentru a întreține componentele din interior. PCB-ul va fi montat pe capac, cu cele două tuburi care ies din carcasă.

După ce am fost mulțumit de modul în care totul se potrivește, am lipit pur și simplu toate părțile împreună și l-am lăsat să se usuce câteva ore.

S-ar putea să vă întrebați cum am fixat PCB-ul pe capac atunci când nu există șuruburi vizibile în partea de sus. Pur și simplu am forat o gaură pentru șurub în partea structurală a capacului și apoi am făcut o chiuvetă pentru a intra capul șurubului (vezi fig. 10.5).

Pasul 11: Finalizarea construcției

După ce placa principală a fost montată pe capac, toate celelalte componente trebuiau pur și simplu plasate în carcasă, ceea ce poate fi văzut în fig. 11.1.

După cum puteți vedea, am încercat să organizez cablurile cât de bine am putut și cred că a ieșit destul de bine. Totul se potrivește frumos în carcasă, după cum puteți vedea în fig. 11.2.

Am adăugat și un DC-Jack în carcasă (și am înnebunit puțin cu lipiciul fierbinte de acolo). Dar în acest fel este posibil să alimentați termometrul cu orice încărcător de telefon generic și un cablu de montaj. Totuși, puteți adăuga și o baterie de 5V, dacă doriți.

Pasul 12: Piese utilizate în această versiune

Pentru electronice:

Cantitate	Produs	Preț	Detalii
1	DHT-11	4, 19€	Am luat-o de la un magazin scump. Le puteți obține pentru mai puțin de 1 $ din China.
2	CD4028BM	0, 81€	Decodor
2	74HCT00D	0, 48€	NAND
1	74HCT04D	0, 29€	Invertor
1	Pinheader	0, 21€	2 x 5 pini
1	Borna cu surub	0, 35€	2 conexiuni
20	SMBTA42	0, 06€	npn-Tranzistor
20	Rezistor SMD	0, 10€	120K
2	74LS279N	1, 39€	R / S-flip flops
1	PCB	4, 80€	Comanda aici
2	IN-14 Nixies	2, 00€
1	Convertor pas cu pas	6, 79€

De asemenea, veți avea nevoie de un fel de microcontroler. Am folosit un Arduino Pro Micro.

Pentru caz:

Cantitate	Produs	Preț	Detalii
N / A.	Lemn	~2€	Vezi deasupra
4	Șuruburi M3x16	0, 05€
4	Nuci M3	0, 07€
1 sticlă	Lipici de lemn	1, 29€
1 pot	Vopsea din lemn	5, 79€

Pasul 13: Concluzie

Sunt foarte fericit cu rezultatul acestei construcții. Pentru o dată am reușit să tai cu precizie bucățile de lemn și, de asemenea, nu am uitat de găurile de montare pentru PCB. Și, de fapt, arată și magnific (Vezi fig. 13.1).

În afară de aceasta, a fost interesant să lucrezi cu tuburi și tensiuni ridicate în general și există câteva lucruri de luat în considerare atunci când faci acest lucru.

În concluzie, aș spune că este bine, că avem moduri mai convenabile de a afișa numerele astăzi, dar pe de altă parte nu există nimic comparabil cu strălucirea și aspectul general al tuburilor nixie, la care chiar îmi place să mă uit, mai ales, când este întuneric (Vezi fig. 13.2).

Sper că ți-a plăcut acest lucru instructabil. Dacă ați făcut-o, asigurați-vă că aruncați o privire pe site-ul meu pentru articole și proiecte mai interesante!

Pasul 14: Atribuții, surse și lecturi suplimentare

Lecturi suplimentare MC34063 Detalii aplicație - ti.com MC4x063 Foaie de date - ti.com IC driver de tub Nixie - tubehobby.com Biblioteca DHT-11 Arduino - arduino.cc Un tranzistor ca switch - petervis.com Teoria rezistenței bazei, formule și calculator online - petervis.com

Surse de imagine [Fig. 1.1] Tuburi Nixie IN-14, coldwarcreations.com [Fig. 2.1] Circuit de intensificare, desenat de sine, dar preluat de pe ebay.com [Fig. 6.1] Senzor de temperatură DHT-11 - tinytronics.nl