Arduino-ohjattu Nixie-putkilämpömittari: 14 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:01

Vuosia sitten ostin Ukrainasta joukon IN-14 Nixie -putkia ja pidin niitä siitä lähtien. Olen aina halunnut käyttää niitä mukautetussa laitteessa, joten päätin vihdoin käsitellä tätä projektia ja rakentaa jotain, joka hyödyntää tätä lähes ikivanhaa tapaa näyttää numerot, mutta toistaiseksi en halunnut rakentaa Nixie -putkikelloa (ajattelin, että oli vähän kliseinen asia, ja nyt olen saanut tarpeekseni hienoista hipsterikelloprojekteista), joten ajattelin: Miksi et rakentaisi huoneeseeni lämpömittaria, joka voidaan aktivoida taputtamalla? Laitoin sen taputtamaan, jotta se ei olisi päällä koko ajan, koska ajattelin, että se oli melkoinen energian tuhlaaminen, enkä myöskään halunnut sen valaisevan huonetta, varsinkin yöllä.

Nixie-putkia ohjaa Arduino, joka vastaa myös lämpötilan lukemisesta tunnetusta DHT-11-lämpötila-anturista.

Tämä on lyhennetty kopio verkkosivustollani julkaistusta alkuperäisestä sarjasta. Katsokaa sitä, jos olet kiinnostunut muista teknisistä artikkeleista ja projekteista, joita en ole vielä muokannut Instructablesille.

Vaihe 1: Nixie -putket ja suurjännite

Nixie -putket ovat kylmäkatodiputkia, jotka on täytetty tietyllä kaasulla. Lisäksi ne sisältävät yhteisen anodin (tai katodin) ja erilliset katodit (tai anodit) jokaiselle näytettävälle numerolle tai merkille (katso kuva 1.1).

Minun tapauksessani putkilla on yhteinen anodi ja numerot ovat erillisiä katodeja. Toisin kuin muut tuon ajan putket (transistorit, diodit jne.) Nixie -putkia ei yleensä tarvitse lämmittää toimiakseen oikein (tästä nimi: kylmäkatodiputki).

Ainoa asia, jota he tarvitsevat, on melko korkea jännite, tyypillisesti 150-180 V DC. Tämä on tyypillisesti pääongelma käsiteltäessä näitä näyttölaitteita, koska se tarkoittaa, että tarvitset mukautetun virtalähteen tai lisäpiirin ja ohjaimet, jotka pystyvät kytkemään katodit päälle ja pois ilman liikaa GPIO-linjoja.

Vaihe 2: 12V-170V DC-tehomuunnin

Aloitetaan luomalla jotenkin tarvittava jännite, jotta putket hehkuvat. Onneksi tyypillinen Nixie -putki tarvitsee suurjännitteen mutta erittäin pienen virran, mikä tarkoittaa, että tällaisen muuntimen rakentaminen on melko helppoa ja halpaa.

Ole varovainen käyttäessäsi tätä piiriä ja yleensä korkeita jännitteitä. Ne eivät ole lelu, ja zapin saaminen satuttaa paljon parhaassa tapauksessa ja voi mahdollisesti tappaa sinut pahimmassa tapauksessa! Katkaise aina virtalähde ennen piirin vaihtamista/huoltoa ja varmista, että käytät asianmukaista koteloa, jotta kukaan ei kosketa sitä vahingossa käytön aikana!

Käytin tunnettua MC34063-integroitua piiriä tehostinmuuntimessa. Tämä pieni IC yhdistää kaiken mitä tarvitset kaikenlaisiin kytkentämuuntimiin. IC: n sisäänrakennetun transistorin käyttämisen sijaan päätin kuitenkin käyttää ulkoista transistoria, joka auttoi pitämään IC: n viileänä ja mahdollisti myös suuremman virrankulutuksen lähdössä. Lisäksi koska oli yllättävän vaikeaa löytää oikeat arvot kaikille näille komponenteille 170 V: n tehon saamiseksi, luovutin muutaman päivän laskelmien ja testien jälkeen (korkein 12 V: n arvo oli 100 V) ja päätin olla keksimättä uudelleen pyörä. Sen sijaan ostin sarjan eBaysta, joka noudattaa melko paljon tämän lomakkeen kaaviota muutamalla muutoksella (katso kuva 2.1. Lisäsin kuvaukseen myös kuvauksia).

Vaihe 3: Putkien ohjaus Arduinolla

Joten, kuten aikaisemmin näit, putket tarvitsevat korkean jännitteen käynnistyäkseen. "Joten kuinka voit kytkeä putket päälle ja pois päältä mikrokontrollerilla, kuten Arduino?", Saatat kysyä.

On olemassa muutamia vaihtoehtoisia reittejä tämän tavoitteen saavuttamiseksi. Esimerkiksi omistetut Nixie -putkiohjaimet. Voit silti saada uusia vanhoja varastoja ja käytettyjä IC -laitteita, mutta niitä voi olla vaikea löytää ja ne voivat olla kalliita, enkä odota niiden olevan helpompia löytää tulevaisuudessa, koska niitä ei enää valmisteta.

Joten en käytä tällaista Nixie -putkiohjainta. Käytän sen sijaan transistoreita ja binääriä desimaalidekoodereissa, jotta minun ei tarvitse käyttää 10 GPIO -linjaa per nixie -putki. Näillä dekoodereilla tarvitsen 4 GPIO -linjaa putkea kohden ja yhden linjan kahden putken välillä.

Lisäksi, jotta minun ei tarvitse vaihtaa putkien välillä koko ajan korkealla taajuudella, käytän varvastossuja (jotka tarvitsevat yhden ylimääräisen GPIO-linjan nollaamiseen) säilyttääkseen viimeisen tulon niin kauan kuin tarvitaan (Katso kuva 3.1, napsauta tästä saadaksesi koko ohjauspiirin korkealla resoluutiolla).

Vaihe 4: Suunnittelunäkökohdat

Tätä piiriä suunnitellessani löysin dekoodereita, joissa on sisäänrakennettu R/S-Flip-Flops, joita valmistetaan edelleen (esimerkiksi CD4514BM96). Mutta valitettavasti en saanut näitä nopeasti, koska toimitusaika oli kaksi viikkoa, enkä halunnut odottaa niin kauan. Joten jos tavoitteesi on tehdä pieni piirilevy (tai haluat saada pienen määrän erilaisia IC: itä), sinun kannattaa ehdottomasti käyttää sellaista sirua ulkoisen Flip-Flopin käyttämisen sijaan.

Näistä dekoodereista on myös käänteisiä variantteja. Esimerkiksi CD4514BM965 on käänteinen variantti edellä mainitulle IC: lle, jossa valittu numero on pieni eikä korkea, mikä ei ole, mitä haluamme tässä tapauksessa. Kiinnitä siis huomiota tähän yksityiskohtaan, kun tilaat osia. (Älä huoli: täydellinen osaluettelo sisältyy myöhemmin tähän oppaaseen!)

Voit käyttää ryhmässäsi mitä tahansa transistoria, kunhan arvot vastaavat putkiesi jännitettä ja virtaa. Saatavilla on myös transistorijärjestelmän IC: itä, mutta en taaskaan löytänyt yhtään, jonka luokitus olisi yli 100 V tai jotka olisivat nopeasti saatavilla.

Vaihe 5: Transistorijärjestelmä

Vaiheessa 3 en näyttänyt transistorimatriisia, jotta grafiikka olisi yksinkertaista ja helposti ymmärrettävää. Kuva 5.1 esittää puuttuvan transistoriryhmän yksityiskohtaisesti.

Kuten näette, jokainen dekooderin digitaalinen lähtö on kytketty npn-transistorin kantaan virranrajoitusvastuksen kautta. Siinä kaikki, todella yksinkertaista.

Varmista vain, että käyttämäsi transistorit voivat käsitellä 170 V: n jännitettä ja 25 mA: n virtaa. Selvittääksesi kantavastusarvon on oltava tämän oppaan lopussa olevan "Lisälukemat" -kohdassa olevan laskimen avulla.

Vaihe 6: Lämpötilan lukeminen

Olet ehkä jo kuullut yhdistetystä lämpötila- ja kosteusanturista DHT-11 (tai DHT-22) (katso kuva 6.1). Ainoa ero tämän anturin ja DHT-22: n välillä on tarkkuus ja mittausalue. 22: lla on korkeampi alue ja parempi tarkkuus, mutta huonelämpötilan mittaamiseen DHT-11 on enemmän kuin riittävä ja halvempi, vaikka se voi tuottaa vain kokonaislukuja.

Anturi vaatii kolme liitäntää: VCC, GND ja yhden linjan sarjaliikennettä varten. Liitä se vain jännitelähteeseen ja yhdistä yksittäinen johto kommunikointia varten Arduinon GPIO -nastaan. Tietolomake ehdottaa vetovastuksen lisäämistä com-linjan ja VCC: n väliin, jotta tietoliikennelinja on korkeassa tilassa, kun sitä ei käytetä (katso kuva 6.2).

Onneksi DHT-11: lle on jo kirjasto (ja joukko hyvin dokumentoituja kirjastoja DHT-22: lle), joka käsittelee Arduinon ja lämpötila-anturin välistä tiedonsiirtoa. Joten tämän osan testaussovellus on melko lyhyt:

Vaihe 7: Suorita Arduino -luonnos

Joten kun anturin lukemat oli tehty, viimeinen vaihe oli ottaa tiedot antureista ja näyttää lämpötila Nixie -putkilla.

Jos haluat kytkeä tietyn numeron putkeen, sinun on lähetettävä 4-bittinen koodi dekooderille, joka käynnistää oikean transistorin. Lisäksi sinun on myös lähetettävä yksi bitti, joka osoittaa, kumman putken haluat asettaa juuri nyt.

Päätin lisätä R/S-salvan suoraan jokaisen dekooderin tulon eteen. Niille teistä, jotka eivät tiedä, miten jokin näistä salvoista toimii, tässä on nopea selitys:

Sen avulla voit periaatteessa tallentaa yhden bitin tietoa. Salpa voi olla SET ja RESET (tästä syystä nimi R/S-Latch, joka tunnetaan myös nimellä S/R-Latch tai R/S-Flip-Flop). Aktivoimalla salvan SET -tulo, lähtö Q asetetaan arvoon 1. Aktivoimalla RESET -tulon, Q muuttuu 0. Jos molemmat tulot eivät ole aktiivisia, Q: n edellinen tila säilytetään. Jos molemmat tulot aktivoituvat samanaikaisesti, sinulla on ongelma, koska salpa pakotetaan epävakaaseen tilaan, mikä tarkoittaa pohjimmiltaan, että sen käyttäytyminen on arvaamatonta, joten vältä tätä tilaa hinnalla millä hyvänsä.

Jotta voit näyttää numeron 5 ensimmäisessä (vasemmalla) ja numeron 7 toisessa Nixie -putkessa, sinun on:

• Nollaa kaikki salvat
• Aktivoi vasen putki (Lähetä 0 EN-linjan yli)
• Aseta dekooderin tulot (D, C, B ja A): 0101
• Aseta D, C, B ja A kaikki 0: ksi, jotta viimeinen tila säilyy (Tätä ei tarvitse tehdä, jos molempien putkien pitäisi näyttää sama numero)
• Aktivoi oikea putki
• Aseta dekooderin tulot (D, C, B ja A): 0111
• Aseta D, C, B ja A kaikki 0: ksi, jotta viimeinen tila säilyy

Voit kytkeä putket pois päältä lähettämällä virheellisen arvon (kuten 10 tai 15). Dekooderi kytkee sitten kaikki lähdöt pois päältä, joten mikään käytettävissä olevista transistoreista ei aktivoidu eikä virta kulje Nixie -putken läpi.

Voit ladata koko laiteohjelmiston täältä

Vaihe 8: Piirilevyn muokkaaminen

Halusin yhdistää kaiken (paitsi lisäpiirin) yhteen piirilevyyn, joka mielestäni osoittautui melko hyväksi (katso kuva (8.1)).

Päätavoitteeni oli pitää PCB-koko mahdollisimman pienenä, mutta silti antaa tilaa, johon se voidaan asentaa koteloon. Halusin myös käyttää SMD-komponentteja, jotta voisin parantaa juotostekniikkaani ja ne auttaisivat myös pitämään piirilevyn ohuena, jotta mukautetun kotelon ei tarvitse olla suuri ja tilaa vievä (katso kuva 8.2).

SMD-komponenttien käytön vuoksi suurin osa liitännöistä oli tehtävä komponenttipuolella. Yritin käyttää mahdollisimman vähän vioita. Pohjakerroksessa on todella vain GND-, VCC- ja +170 V -linjat ja jotkut liitännät, jotka oli tehtävä saman IC: n eri nastojen väliin. Tästä syystä käytin kahta DIP-16-IC: tä niiden SMD-varianttien sijasta.

Voit ladata piirilevyn suunnittelutiedostot ja EAGLE -kaaviot täältä.

Koska tämä on pieni malli, jolla on hyvin pienet toleranssit ja jäljet, oli tärkeää löytää hyvä valmistaja piirilevyille, jotta ne näyttäisivät hyviltä ja toimisivat kunnolla.

Päätin tilata ne PCBWaysta, enkä voi olla tyytyväisempi lähettämääni tuotteeseen (katso kuva 8.3).

Voit saada tarjouksen prototyypeistäsi verkossa ilman rekisteröitymistä. Jos päätät tilata: Heillä on myös tämä kätevä online-muunnin, joka muuntaa EAGLE-tiedostot oikeaan gerber-muotoon. Vaikka EAGLElla on myös muunnin, pidän todella valmistajien online -muuntimista, koska tällä tavalla voit olla 100% varma, että gerber -version kanssa ei tule yhteensopivuusongelmia.

Vaihe 9: Vianetsintä

Kun testasin juuri juotettua piirilevyäni, mikään ei toiminut. Putket eivät näyttäneet lainkaan mitään (dekooderit saavuttivat arvon> 9) tai satunnaisluvut joko pysyivät jatkuvasti päällä tai vilkkuvat päällä ja pois päältä, mikä näytti hyvältä, mutta ei toivottavaa tässä tapauksessa.

Aluksi syytin ohjelmistoa. Joten keksin tämän Nixie -testerin Arduinolle (katso kuva 9.1).

Tämän komentosarjan avulla voit syöttää useita GPIO-nasta (0-8), joiden tilaa haluat muuttaa. Sitten se pyytää valtiota. Kun syötät nastan 9, salvat nollataan.

Joten jatkoin testausta ja tein totuustaulukon, jossa oli kaikki mahdolliset tulot A: lle, B: lle, C: lle ja D: lle. Huomasin, että numeroita 4, 5, 6 ja 7 ei voitu näyttää kummankaan putken kanssa. Lisäksi ne reagoisivat eri tavalla samaan tulojen yhdistelmään.

Ajattelin, että on oltava myös sähköongelma. En löytänyt teknisiä ongelmia suunnittelussa, mutta sitten ajattelin jotain, jonka olen oppinut kauan sitten (mutta ei ole koskaan ollut sen jälkeen ongelmia): Flux voi olla johtava. Tämä ei ehkä ole ongelma tavallisille digitaalisille ja pienjännitesovelluksille, mutta näyttää siltä, että se oli ongelma täällä. Joten puhdistin levyn alkoholilla ja sen jälkeen se toimi oikein.

Eräänlainen. Toinen asia, jonka huomasin: Osa, jota käytin EAGLE: ssa piirilevyasettelua luodessani, oli väärä (ainakin putkilleni). Putkillani näyttää olevan erilainen pistoke.

Vain muutamia asioita, jotka on pidettävä mielessä, kun piiri ei toimi heti.

Vaihe 10: Mukautettu tapaus

Kun kaikki muu oli järjestetty, halusin rakentaa mukavan kotelon piireilleni. Onneksi minulla oli paljon puuta jäljellä sanakelloprojektistani, jota halusin käyttää sisäverkon rakentamiseen (katso kuva 10.1).

Rakensin kotelon seuraavilla mittauksilla:

Määrä	Mitat [mm]	Kuvaus
6	40 x 125 x 5	Ala-, ylä-, etu- ja takapuoli
2	40 x 70 x 5	Pienet sivuosat
2	10 x 70 x 10	Rakenneosat sisäpuolella (katso kuva 8).
2	10 x 70 x 5	Rakenneosat kannessa (katso kuva 11).

Leikattuani palaset, asetin ne yhteen luodakseni kuviossa esitetyn laatikon. 10.2.

Kuva 10.3 esittää tapauksen eri kulmasta.

Kotelon yläosa on täsmälleen sama kuin pohja, vain ilman seiniä ja vähemmän korkeilla rakenneosilla (katso kuva 10.4). Se toimii kannena ja voidaan irrottaa sisäosien osien huoltamiseksi. Piirilevy asennetaan kanteen kahden putken ollessa ulos kotelosta.

Kun olin tyytyväinen siihen, miten kaikki sopii yhteen, liimasin kaikki osat yhteen ja annoin kuivua muutama tunti.

Saatat ihmetellä, kuinka kiinnitin piirilevyn kanteen, kun yläosassa ei ole ruuveja. Porasin vain reiän ruuville kannen rakenneosaan ja tein sitten upotuksen ruuvin pään sisäänmenoa varten (katso kuva 10.5).

Vaihe 11: Rakennuksen viimeistely

Kun pääpiirilevy oli asennettu kanteen, kaikki muut komponentit oli yksinkertaisesti sijoitettava koteloon, mikä näkyy kuviossa 1. 11.1.

Kuten näette, yritin järjestää kaapelit mahdollisimman hyvin ja mielestäni siitä tuli melko hyvä. Kaikki mahtuu koteloon hienosti, kuten kuviosta näkyy. 11.2.

Lisäsin myös DC-Jackin koteloon (ja menin hieman hulluksi kuumalla liimalla). Mutta tällä tavalla on mahdollista käyttää lämpömittaria millä tahansa yleisellä puhelinlaturilla ja liitäntäkaapelilla. Voit kuitenkin halutessasi lisätä myös 5 V: n akun.

Vaihe 12: Tässä koonnissa käytetyt osat

Elektroniikka:

Määrä	Tuote	Hinta	Yksityiskohdat
1	DHT-11	4, 19€	Sain kalliista kaupasta. Voit saada nämä Kiinasta alle 1 dollarilla.
2	CD4028BM	0, 81€	Dekooderi
2	74HCT00D	0, 48€	NAND
1	74HCT04D	0, 29€	Invertteri
1	Pinheader	0, 21€	2x5 nastaa
1	Ruuviliitin	0, 35€	2 liitäntää
20	SMBTA42	0, 06€	npn-transistori
20	SMD-vastus	0, 10€	120 000
2	74LS279N	1, 39€	R/S-varvastossut
1	PCB	4, 80€	Tilaa tästä
2	IN-14 Nixies	2, 00€
1	Askelmuunnin	6, 79€

Tarvitset myös jonkinlaisen mikro -ohjaimen. Käytin Arduino Pro Micro.

Tapausta varten:

Määrä	Tuote	Hinta	Yksityiskohdat
N. A.	Puu	~2€	Katso edellä
4	M3x16 ruuvit	0, 05€
4	M3 pähkinät	0, 07€
1 pullo	Puuliima	1, 29€
1 voi	Puu maali	5, 79€

Vaihe 13: Johtopäätös

Olen todella tyytyväinen tämän rakentamisen tulokseen. Kerran onnistuin leikkaamaan puukappaleet tarkasti enkä unohtanut myös PCB: n kiinnitysreikiä. Ja se näyttää myös todella upealta (katso kuva 13.1).

Sen lisäksi oli mielenkiintoista työskennellä putkien ja suurjännitteiden kanssa yleensä, ja on muutamia asioita, jotka on otettava huomioon tehdessäsi sitä.

Lopuksi sanoisin, että on hyvä, että meillä on nykyään kätevämpiä tapoja näyttää numeroita, mutta toisaalta ei ole mitään verrattavissa nixie -putkien hehkuun ja yleiseen ulkonäköön, joita katson todella mielelläni, erityisesti kun on pimeää (katso kuva 13.2).

Toivottavasti pidit tästä opettavaisesta. Jos teit, muista katsoa verkkosivustoltani lisää mielenkiintoisia artikkeleita ja projekteja!

Vaihe 14: Attribuutit, lähteet ja lisätiedot

Muut lukemat MC34063 Sovellustiedot - ti.com MC4x063 tuotetiedot - ti.com Nixie -putkiohjaimen IC - tubehobby.com DHT -11 Arduino -kirjasto - arduino.ccA Transistori kytkimenä - petervis.com Perusvastuksen teoria, kaavat ja online -laskin - petervis.com

Kuvalähteet [Kuva. 1.1] IN-14 Nixie -putket, coldwarcreations.com [Kuva. 2.1] Askelpiiri, itse vedetty, mutta otettu ebay.com-sivustolta [Kuva 6.1] DHT-11 lämpötila-anturi-tinytronics.nl