Arduino termometer z nixie cevjo: 14 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:04

Pred leti sem kupil kup cevi IN-14 Nixie iz Ukrajine in od takrat sem jih ležal. Vedno sem jih želel uporabiti za napravo po meri, zato sem se odločil, da se končno lotim tega projekta in zgradim nekaj, kar bi uporabljalo ta skorajda starodaven način prikazovanja številk, vendar za zdaj nisem hotel zgraditi Nixiejeve cevi (mislil sem, da je bilo malo klišejsko in zaenkrat sem imel dovolj domiselnih projektov hipsterskih ur), zato sem pomislil: Zakaj ne bi zgradil termometra za svojo sobo, ki ga je mogoče aktivirati s ploskanjem? Aktiviral sem ga, da ne bi bil ves čas vklopljen, ker se mi je zdelo, da je to izguba energije in tudi nisem hotel, da osvetljuje sobo, zlasti ponoči.

Cevi Nixie nadzoruje Arduino, ki je odgovoren tudi za odčitavanje temperature iz znanega temperaturnega senzorja DHT-11.

To je skrajšana kopija iz moje prvotne serije, objavljene na moji spletni strani. Oglejte si, če vas zanimajo drugi tehnični članki in projekti, ki jih za Instructables še nisem uredil.

1. korak: Nixie cevi in visoka napetost

Nixie cevi so cevi s hladno katodo, ki so napolnjene s posebnim plinom. Poleg tega vsebujejo skupno anodo (ali katodo) in ločene katode (ali anode) za vsako prikazano številko ali znak (glej sliko 1.1).

V mojem primeru imajo cevi skupno anodo, številke pa ločene katode. Za razliko od drugih cevi iz tistega časa (tranzistorji, diode itd.) Nixiejevih cevi običajno ni treba segrevati za pravilno delovanje (od tod tudi ime: cev s hladno katodo).

Edino, kar potrebujejo, je precej visoka napetost, običajno med 150 in 180 V DC. To je običajno glavna težava pri ravnanju s temi zaslonskimi napravami, ker to pomeni, da boste potrebovali napajanje po meri ali povečevalno vezje ter krmilnike, ki lahko vklopijo in izklopijo katode, ne da bi uporabljali preveč linij GPIO.

2. korak: 12V do 170V DC povečevalni pretvornik

Začnimo s tem, da nekako ustvarimo potrebno napetost, da bodo cevi sijale. Na srečo tipična Nixie cev potrebuje visokonapetostni, a zelo nizek tok, kar pomeni, da je izdelavo takega pretvornika precej enostavno in poceni.

Pri uporabi tega vezja in visokih napetosti na splošno bodite previdni. Niso igrača in zapiranje v najboljšem primeru zelo boli in v najslabšem primeru vas lahko ubije! Pred menjavo/servisiranjem vezja vedno izklopite napajanje in uporabite ustrezno ohišje, da se ga med uporabo ne bi slučajno dotaknil!

Za povečevalni pretvornik sem uporabil dobro znano integrirano vezje MC34063. Ta majhen IC združuje vse, kar potrebujete za kakršen koli stikalni pretvornik. Namesto da bi uporabil vgrajen tranzistor IC, sem se odločil za zunanji tranzistor, ki je pomagal ohraniti IC hladen in mi omogočil tudi večji tok na izhodu. Poleg tega, ker je bilo presenetljivo težko najti prave vrednosti za vse te komponente, da bi dobili izhod 170V, sem po nekaj dneh izračunov in testov odnehal (najvišji, ki sem ga dobil pri 12V, je bil 100V) in se odločil, da ne bom znova izumil kolo. Namesto tega sem kupil komplet pri eBayu, ki precej sledi shemi iz tega podatkovnega lista z nekaj popravki (glej sliko 2.1. Sliki sem dodal tudi opise).

3. korak: Nadzor cevi z Arduinom

Torej, kot ste videli prej, za vklop cevi potrebujete visoko napetost. "Kako lahko torej vklopite in izklopite cevi z mikrokrmilnikom, kot je Arduino?", Se boste morda vprašali.

Za dosego tega cilja lahko uporabite nekaj alternativnih poti. Na primer namenski gonilniki cevi Nixie. Še vedno lahko dobite nove stare zaloge in rabljene IC -je, vendar jih je težko najti in so lahko dragi in ne pričakujem, da jih bo v prihodnje lažje najti, ker se ne proizvajajo več.

Zato ne bom uporabljal takega gonilnika za cevi Nixie. Namesto tega bom uporabil tranzistorje in binarne do decimalne dekodirnike, tako da mi ni treba uporabiti 10 linij GPIO na nixie cev. S temi dekodirniki bom potreboval 4 linije GPIO na cev in eno vrstico za izbiro med dvema cevema.

Poleg tega, da mi ne bo treba ves čas preklapljati med cevmi z visoko frekvenco, bom uporabil japonke (ki bodo za ponastavitev potrebovale eno dodatno linijo GPIO), da zadržim zadnji vhod, kolikor je potrebno (Glejte sliko 3.1, kliknite tukaj za celotno krmilno vezje v visoki ločljivosti).

4. korak: Oblikovanje

Med načrtovanjem tega vezja sem našel dekoderje z vgrajenimi R/S-japonkami, ki se še proizvajajo (na primer CD4514BM96). Žal pa jih nisem mogel dobiti hitro, saj je bil dobavni rok dva tedna in nisem hotel čakati tako dolgo. Torej, če je vaš cilj narediti majhno tiskano vezje (ali pa želite imeti majhno število različnih IC-jev), potem morate vsekakor iti s takšnim čipom, namesto da bi uporabljali zunanje natikače.

Obstajajo tudi obrnjene različice teh dekoderjev. Na primer, CD4514BM965 je obrnjena različica zgoraj omenjenega IC, kjer bo izbrano število nizko namesto visokega, kar pa v tem primeru ne želimo. Zato bodite pozorni na te podrobnosti pri naročanju delov. (Ne skrbite: Popoln seznam delov bo kasneje vključen v ta navodila!)

Za svoj niz lahko uporabite katero koli vrsto tranzistorja, če se ocene ujemajo z napetostjo in tokom toka vaših cevi. Na voljo so tudi tranzistorske matrice, vendar spet nisem našel nobenih, ki so bile ocenjene nad 100V ali so bile hitro na voljo.

5. korak: Tranzistorski niz

V 3. koraku nisem prikazal tranzistorske matrike, da bi bila grafika preprosta in lahko razumljiva. Na sliki 5.1 je podrobno prikazan manjkajoči niz tranzistorjev.

Kot lahko vidite, je vsak digitalni izhod dekodirnika povezan z bazo npn-tranzistorja preko tokovno omejevalnega upora. To je vse, zelo preprosto.

Prepričajte se, da lahko tranzistorji, ki jih uporabljate, prenesejo napetost 170 V in tok 25 mA. Če želite ugotoviti, kakšna mora biti vaša vrednost osnovnega upora, uporabite kalkulator, povezan na koncu tega navodila v razdelku "Nadaljnji odčitki".

6. korak: Odčitavanje temperature

Morda ste že slišali za kombinirano tipalo temperature in vlažnosti DHT-11 (ali DHT-22) (glejte sliko 6.1). Edina razlika med tem senzorjem in DHT-22 je natančnost in merilno območje. 22 ima višji razpon in boljšo natančnost, toda za merjenje sobne temperature je DHT-11 več kot zadosten in cenejši, čeprav lahko prinese le celoštevilčne rezultate.

Senzor potrebuje tri povezave: VCC, GND in eno linijo za serijsko komunikacijo. Preprosto ga priključite na vir napetosti in povežite eno žico za komunikacijo z vhodom GPIO Arduina. Podatkovni list predlaga, da se med com-line in VCC doda vlečni upor, tako da je komunikacijska linija v visokem stanju, kadar se ne uporablja (glej sliko 6.2).

Na srečo že obstaja knjižnica za DHT-11 (in kup dobro dokumentiranih knjižnic za DHT-22), ki bo upravljala komunikacijo med Arduinom in temperaturnim senzorjem. Tako je testna vloga za ta del precej kratka:

Korak 7: Dokončajte Arduino skico

Torej, ko so bili odčitki senzorjev izvedeni, je bil zadnji korak odvzem podatkov iz senzorjev in prikaz temperature s pomočjo cevi Nixie.

Če želite vklopiti določeno številko na cevi, morate dekoderju poslati 4-bitno kodo, ki bo vklopila pravi tranzistor. Poleg tega morate poslati tudi en bit, ki označuje, katero od dveh cevi želite trenutno nastaviti.

Odločil sem se, da dodam R/S-zapah tik pred vsakim vhodom dekoderja. Za tiste, ki ne veste, kako deluje ena od teh ključavnic, je tu kratka razlaga:

V bistvu vam omogoča shranjevanje enega kosa podatkov. Zapah lahko nastavite in ponastavite (od tod tudi ime R/S-Latch, znano tudi kot S/R-Latch ali R/S-Flip-Flop). Z aktiviranjem vhoda SET za zapah se izhod Q nastavi na 1. Z aktiviranjem vhoda RESET Q postane 0. Če oba vhoda nista aktivna, se ohrani prejšnje stanje Q. Če se oba vhoda aktivirata hkrati, imate težave, ker je zapah prisiljen v nestabilno stanje, kar v bistvu pomeni, da bo njegovo vedenje nepredvidljivo, zato se temu stanju izognite za vsako ceno.

Če želite prikazati številko 5 na prvi (levo) in številko 7 na drugi Nixie cevi, morate:

• NASTAVITE vse zapahe
• Aktivirajte levo cev (pošljite 0 po EN-liniji)
• Nastavite vhode dekoderja (D, C, B in A): 0101
• Nastavite D, C, B in A na 0, tako da se ohrani zadnje stanje (tega ni treba storiti, če morata obe cevi prikazati isto število)
• Aktivirajte desno cev
• Nastavite vhode dekoderja (D, C, B in A): 0111
• D, C, B in A nastavite na 0, tako da se ohrani zadnje stanje

Če želite izklopiti cevi, lahko pošljete neveljavno vrednost (na primer 10 ali 15). Dekoder bo nato izklopil vse izhode, zato se noben od razpoložljivih tranzistorjev ne bo aktiviral in skozi Nixiejevo cev ne bo tekel tok.

Celotno vdelano programsko opremo lahko prenesete tukaj

8. korak: Narejanje PCB -ja

Želel sem združiti vse (razen stopnjevalnega vezja) na enem tiskanem vezju, kar se mi je zdelo precej dobro (glej sliko (8.1).

Moj glavni cilj je bil ohraniti čim manjšo velikost PCB-ja, a vseeno zagotoviti nekaj prostora, kjer bi ga lahko namestili na ohišje. Prav tako sem želel uporabiti SMD-komponente, da bi lahko izboljšal svojo tehniko spajkanja, prav tako pa bi pomagale ohraniti tanko tiskano vezje, tako da ohišju po meri ni treba biti veliko in obsežno (glej sliko 8.2).

Zaradi uporabe komponent SMD je bilo treba večino povezav opraviti na strani komponent. Poskušal sem uporabiti čim manj vias. Spodnja plast ima v resnici samo linije GND, VCC in +170V ter nekaj povezav, ki so jih morali narediti med različnimi zatiči istega IC. To je tudi razlog, zakaj sem namesto njunih variant SMD uporabil dva DIP-16 IC.

Datoteke za oblikovanje tiskanih vezij in sheme EAGLE lahko prenesete tukaj.

Ker je to majhen dizajn z zelo majhnimi tolerancami in sledmi, je bilo pomembno najti dobrega proizvajalca za PCB -je, da bi se izkazali za lepo in pravilno delovali.

Odločil sem se, da jih naročim na PCBWay in ne morem biti bolj zadovoljen z izdelkom, ki so mi ga poslali (glej sliko 8.3).

Na spletu lahko dobite takojšnjo ponudbo za svoje prototipe, ne da bi se morali registrirati. Če se odločite za naročilo: Imajo tudi ta priročen spletni pretvornik, ki pretvori datoteke EAGLE v pravilno obliko gerber. Čeprav ima EAGLE tudi pretvornik, so mi zelo všeč spletni pretvorniki proizvajalcev, saj ste tako 100% prepričani, da ne bo težav z združljivostjo z različico gerber.

9. korak: Odpravljanje težav

Ko sem prvič testiral sveže spajkano tiskano vezje, ni nič delovalo. Epruvete ne bi prikazale ničesar (dekoderji so dosegli vrednost> 9) ali pa bi naključne številke ostale stalno vklopljene ali pa utripale in vklapljale, kar je bilo videti lepo, v tem primeru pa nezaželeno.

Sprva sem krivil programsko opremo. Tako sem prišel do tega Nixie testerja za Arduino (glej sliko 9.1).

Ta skript vam omogoča vnos številke zatiča GPIO (0-8), za katerega želite spremeniti stanje. Nato zahteva državo. Pri vnosu zatiča številka 9 se zapahi ponastavijo.

Tako sem nadaljeval s testiranjem in naredil tabelo resničnosti z vsemi možnimi vhodi za A, B, C in D. Opazil sem, da številk 4, 5, 6 in 7 ni mogoče prikazati z eno od obeh cevi. Poleg tega bi se na isto kombinacijo vložkov drugače odzvali.

Mislil sem, da mora biti problem tudi z elektriko. Pri oblikovanju nisem mogel najti nobenih tehničnih težav, potem pa sem pomislil na nekaj, kar sem se naučil že dolgo nazaj (vendar od takrat v resnici nisem imel težav): Flux je lahko prevoden. To morda ni problem za običajne digitalne in nizkonapetostne aplikacije, vendar se zdi, da je to problem. Tako sem desko očistil z alkoholom in potem se je obnašala pravilno.

Recimo. Še nekaj, kar sem opazil: del, ki sem ga uporabil v programu EAGLE pri ustvarjanju postavitve tiskanega vezja, je bil napačen (vsaj za moje cevi). Zdi se, da imajo moje cevi drugačen pinout.

Upoštevajte le nekaj stvari, ko vezje ne deluje takoj.

10. korak: Primer po meri

Ko je bilo vse ostalo urejeno, sem želel zgraditi lepo ohišje, v katerem bi bilo moje vezje. Na srečo mi je od projekta besedne ure ostalo veliko lesa, ki sem ga želel uporabiti za izgradnjo mreže na notranji strani (glej sliko 10.1).

Ohišje sem zgradil po naslednjih meritvah:

Količina	Mere [mm]	Opis
6	40 x 125 x 5	Spodnja, zgornja, sprednja in zadnja stran
2	40 x 70 x 5	Majhni stranski deli
2	10 x 70 x 10	Strukturni kosi na notranji strani (glej sliko 8).
2	10 x 70 x 5	Strukturni kosi na pokrovu (glej sliko 11).

Po rezanju kosov sem jih položil skupaj, da sem ustvaril škatlo, prikazano na sl. 10.2.

Slika 10.3 prikazuje ohišje z drugega zornega kota.

Zgornji del ohišja je popolnoma enak dnu, samo brez sten in z manj visokimi strukturnimi deli (glej sliko 10.4). Deluje kot pokrov in ga lahko odstranite za servisiranje komponent v notranjosti. PCB bo pritrjen na pokrov z dvema cevkama, ki štrlijo iz ohišja.

Ko sem bil zadovoljen, kako se vse ujema, sem vse dele preprosto zlepil in pustil, da se posuši nekaj ur.

Morda se sprašujete, kako sem pritrdil tiskano vezje na pokrov, ko na vrhu niso vidni vijaki. Enostavno sem izvrtal luknjo za vijak v konstrukcijskem delu pokrova in nato naredil pogrezilni odprtino za vstop glave vijaka (glej sliko 10.5).

11. korak: Dokončanje gradnje

Po namestitvi glavnega tiskanega vezja na pokrov so bile vse ostale komponente preprosto nameščene v ohišje, kar je razvidno iz sl. 11.1.

Kot lahko vidite, sem poskušal čim bolje organizirati kable in se mi je zdelo precej dobro. Vse se lepo prilega ohišju, kot vidite na sl. 11.2.

Ohišju sem dodal še DC-Jack (in malo sem nor z tamkajšnjim vročim lepilom). Toda na ta način je mogoče termometer napajati s katerim koli običajnim polnilnikom za telefon in ustreznim kablom. Lahko pa dodate tudi 5V baterijo, če želite.

12. korak: Deli, uporabljeni v tej zgradbi

Za elektroniko:

Količina	Izdelek	Cena	Podrobnosti
1	DHT-11	4, 19€	Dobil sem ga v dragi trgovini. Te lahko za manj kot 1 USD kupite na Kitajskem.
2	CD4028BM	0, 81€	Dekoder
2	74HCT00D	0, 48€	NAND
1	74HCT04D	0, 29€	Pretvornik
1	Pinheader	0, 21€	2x5 zatičev
1	Vijačni terminal	0, 35€	2 priključka
20	SMBTA42	0, 06€	npn-tranzistor
20	SMD-upor	0, 10€	120 tisoč
2	74LS279N	1, 39€	R/S-japonke
1	PCB	4, 80€	Naročite tukaj
2	IN-14 Nixies	2, 00€
1	Povečevalni pretvornik	6, 79€

Potrebovali boste tudi nekakšen mikrokrmilnik. Uporabil sem Arduino Pro Micro.

Za primer:

Količina	Izdelek	Cena	Podrobnosti
N. A.	Les	~2€	Glej zgoraj
4	Vijaki M3x16	0, 05€
4	Matice M3	0, 07€
1 steklenica	Lepilo za les	1, 29€
1 pločevinka	Barva za les	5, 79€

13. korak: Zaključek

Zelo sem zadovoljen z rezultatom te gradnje. Enkrat mi je lesene kose uspelo natančno rezati in nisem pozabil niti na montažne luknje za tiskano vezje. In pravzaprav izgleda čudovito (glej sliko 13.1).

Poleg tega je bilo zanimivo delati s cevmi in visokimi napetostmi na splošno in pri tem je treba upoštevati nekaj stvari.

Za zaključek bi rekel, da je dobro, da imamo danes bolj priročne načine prikaza številk, po drugi strani pa ni nič primerljivega s sijajem in celotnim videzom nixie cevi, ki jih zelo rad gledam, še posebej, ko je temno (glej sliko 13.2).

Upam, da vam je bil ta pouk všeč. Če ste to storili, si oglejte mojo spletno stran za več zanimivih člankov in projektov!

Korak 14: Atribucije, viri in nadaljnja branja

Nadaljnji odčitki MC34063 Podrobnosti o aplikaciji - ti.comMC4x063 Podatkovni list - ti.com IC gonilnik za cev IC - tubehobby.comDHT -11 Arduino knjižnica - arduino.ccA Tranzistor kot stikalo - petervis.com Teorija baznih uporov, formule in spletni kalkulator - petervis.com

Viri slike [sl. 1.1] IN-14 Nixie cevi, coldwarcreations.com [sl. 2.1] Povečevalno vezje, samovlečeno, vendar vzeto s spletnega mesta ebay.com [sl. 6.1] Temperaturni senzor DHT-11-tinytronics.nl