Nhiệt kế ống Nixie điều khiển Arduino: 14 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Cách đây nhiều năm, tôi đã mua một loạt ống IN-14 Nixie từ Ukraine và tôi đã để chúng ở đó kể từ đó. Tôi luôn muốn sử dụng chúng cho một thiết bị tùy chỉnh và vì vậy cuối cùng tôi quyết định giải quyết dự án này và xây dựng thứ gì đó sử dụng cách hiển thị chữ số gần như cổ xưa này, nhưng hiện tại tôi không muốn chế tạo đồng hồ ống Nixie (tôi nghĩ rằng Đó là một điều hơi sáo rỗng để làm và bây giờ tôi đã có đủ các dự án đồng hồ hipster ưa thích), vì vậy tôi nghĩ: Tại sao không xây dựng một nhiệt kế cho phòng của tôi có thể được kích hoạt bằng cách vỗ tay? Tôi đã kích hoạt chế độ vỗ tay để nó không hoạt động liên tục vì tôi nghĩ điều đó khá lãng phí năng lượng và tôi cũng không muốn nó chiếu sáng căn phòng, đặc biệt là vào ban đêm.

Các ống Nixie được điều khiển bởi Arduino, nó cũng chịu trách nhiệm đọc nhiệt độ từ cảm biến nhiệt độ DHT-11 nổi tiếng.

Đây là bản sao rút gọn từ bộ truyện gốc của tôi được phát hành trên trang web của tôi. Hãy xem nó, nếu bạn quan tâm đến các bài báo và dự án kỹ thuật khác mà tôi chưa chỉnh sửa cho Guiductables.

Bước 1: Ống Nixie và điện áp cao

Ống Nixie là những ống có cực âm lạnh được chứa đầy một chất khí cụ thể. Hơn nữa, chúng chứa một cực dương (hoặc cực âm) chung và các cực âm (hoặc cực dương) riêng biệt cho mọi chữ số hoặc ký tự mà chúng có thể hiển thị (Xem hình 1.1).

Trong trường hợp của tôi, các ống có cực dương chung và các chữ số là cực âm riêng biệt. Không giống như các loại ống khác từ thời đó (bóng bán dẫn, điốt,…) Ống Nixie thường không cần phải đun nóng để hoạt động bình thường (do đó có tên: ống cathode lạnh).

Điều duy nhất họ yêu cầu là một điện áp khá cao, thường từ 150 đến 180V DC. Đây thường là vấn đề chính khi xử lý các thiết bị hiển thị này vì điều đó có nghĩa là bạn sẽ cần một nguồn điện tùy chỉnh hoặc mạch nâng cấp và bộ điều khiển, có khả năng bật và tắt cực âm mà không cần sử dụng quá nhiều đường GPIO.

Bước 2: Bộ chuyển đổi từng bước DC 12V sang 170V

Hãy bắt đầu bằng cách nào đó tạo ra điện áp cần thiết để làm cho các ống phát sáng. May mắn thay, ống Nixie điển hình cần điện áp cao nhưng dòng điện rất thấp, có nghĩa là việc chế tạo một bộ chuyển đổi như vậy khá dễ dàng và rẻ tiền.

Hãy cẩn thận khi sử dụng mạch này và điện áp cao nói chung. Chúng không phải là một món đồ chơi và trong trường hợp tốt nhất, chúng sẽ bị tổn thương rất nhiều và có thể giết chết bạn trong trường hợp xấu nhất! Luôn tắt nguồn điện trước khi thay đổi / bảo dưỡng mạch và đảm bảo sử dụng hộp đựng phù hợp để không ai vô tình chạm vào khi đang sử dụng!

Tôi đã sử dụng mạch tích hợp MC34063 nổi tiếng cho bộ chuyển đổi bước lên. IC nhỏ này kết hợp mọi thứ bạn cần cho bất kỳ loại bộ chuyển đổi chuyển mạch nào. Tuy nhiên, thay vì sử dụng bóng bán dẫn tích hợp của vi mạch, tôi quyết định sử dụng bóng bán dẫn bên ngoài, giúp giữ mát vi mạch và cũng cho phép tôi có dòng điện cao hơn ở đầu ra. Hơn nữa, vì thật khó để tìm đúng giá trị cho tất cả các thành phần này để có được đầu ra là 170V, tôi đã từ bỏ sau một số ngày tính toán và thử nghiệm (mức cao nhất tôi nhận được từ 12V là 100V) và quyết định không phát minh lại bánh xe. Thay vào đó, tôi đã mua một bộ công cụ từ eBay, bộ này khá giống với sơ đồ từ biểu dữ liệu này với một vài chỉnh sửa (Xem hình 2.1. Tôi cũng đã thêm mô tả vào hình ảnh).

Bước 3: Điều khiển các ống bằng Arduino

Vì vậy, như bạn đã thấy trước đó, các ống yêu cầu điện áp cao để bật. “Vậy làm thế nào bạn có thể bật và tắt các ống với một bộ vi điều khiển, như Arduino?”, Bạn có thể hỏi.

Bạn có thể thực hiện một số lộ trình thay thế để đạt được mục tiêu này. Ví dụ, trình điều khiển ống Nixie chuyên dụng. Bạn vẫn có thể mua được hàng cũ mới và IC đã qua sử dụng, nhưng chúng có thể khó tìm và chúng có thể đắt tiền và tôi không mong đợi chúng sẽ dễ tìm hơn trong tương lai, vì chúng không còn được sản xuất nữa.

Vì vậy, tôi sẽ không sử dụng trình điều khiển ống Nixie như vậy. Thay vào đó, tôi sẽ sử dụng bóng bán dẫn và bộ giải mã nhị phân sang thập phân để tôi không phải sử dụng 10 dòng GPIO trên mỗi ống nixie. Với những bộ giải mã này, tôi sẽ cần 4 dòng GPIO trên mỗi ống và một dòng để chọn giữa hai ống.

Ngoài ra, để tôi không cần phải chuyển đổi giữa các ống liên tục với tần suất cao, tôi sẽ sử dụng flip-flops (sẽ cần thêm một đường GPIO để đặt lại) để giữ lại đầu vào cuối cùng nếu cần (Xem Hình 3.1, nhấp vào đây để xem toàn bộ mạch điều khiển ở độ phân giải cao).

Bước 4: Cân nhắc thiết kế

Trong khi thiết kế mạch này, tôi đã tìm thấy các bộ giải mã với R / S-Flip-Flops tích hợp, vẫn đang được sản xuất (ví dụ: CD4514BM96). Nhưng rất tiếc, tôi không thể nhận được những thứ này nhanh chóng vì thời gian giao hàng là hai tuần và tôi không muốn đợi lâu như vậy. Vì vậy, nếu mục tiêu của bạn là tạo ra một PCB nhỏ (hoặc bạn muốn có một số lượng nhỏ các IC khác nhau), thì bạn chắc chắn nên sử dụng một con chip như vậy, thay vì sử dụng Flip-Flops bên ngoài.

Ngoài ra còn có các biến thể đảo ngược của các bộ giải mã này. Ví dụ, CD4514BM965 là biến thể đảo ngược của IC được đề cập ở trên, trong đó số được chọn sẽ thấp thay vì cao, điều này không phải là điều chúng tôi muốn trong trường hợp này. Vì vậy, hãy chú ý đến chi tiết này khi đặt hàng các bộ phận của bạn. (Đừng lo lắng: Danh sách các bộ phận đầy đủ sẽ được đưa vào phần sau trong Tài liệu hướng dẫn này!)

Bạn có thể sử dụng bất kỳ loại bóng bán dẫn nào cho mảng của mình, miễn là xếp hạng phù hợp với điện áp và dòng điện của các ống của bạn. Cũng có sẵn các IC mảng bóng bán dẫn, nhưng một lần nữa, tôi không thể tìm thấy bất kỳ IC nào được xếp hạng trên 100V hoặc nhanh chóng có sẵn.

Bước 5: Mảng bóng bán dẫn

Trong bước 3, tôi không hiển thị mảng bóng bán dẫn để giữ cho đồ họa đơn giản và dễ hiểu. Hình 5.1 mô tả chi tiết mảng bóng bán dẫn bị thiếu.

Như bạn có thể thấy, mỗi đầu ra kỹ thuật số của bộ giải mã được kết nối với đế của một bóng bán dẫn npn thông qua một điện trở hạn chế dòng điện. Đó là tất cả, thực sự đơn giản.

Chỉ cần đảm bảo rằng các bóng bán dẫn bạn sử dụng có thể xử lý điện áp 170V và dòng điện 25mA. Để tìm ra giá trị điện trở cơ bản của bạn phải là bao nhiêu, hãy sử dụng máy tính được liên kết ở cuối Tài liệu hướng dẫn này trong "Bài đọc thêm".

Bước 6: Đọc nhiệt độ

Bạn có thể đã nghe nói về cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kết hợp DHT-11 (hoặc DHT-22) (Xem hình 6.1). Sự khác biệt duy nhất giữa cảm biến này và DHT-22 là độ chính xác và phạm vi đo. 22 có phạm vi cao hơn và độ chính xác tốt hơn, nhưng để đo nhiệt độ phòng, DHT-11 là quá đủ và rẻ hơn, mặc dù nó chỉ có thể cung cấp kết quả số nguyên.

Cảm biến yêu cầu ba kết nối: VCC, GND và một đường duy nhất để giao tiếp nối tiếp. Chỉ cần kết nối nó với nguồn điện áp và kết nối dây đơn để giao tiếp với chân GPIO của Arduino. Biểu dữ liệu đề xuất thêm một điện trở kéo lên giữa đường com và VCC, để đường truyền thông ở trạng thái cao, khi không được sử dụng (Xem hình 6.2).

May mắn thay, đã có một thư viện cho DHT-11 (và một loạt các thư viện được tài liệu tốt cho DHT-22), sẽ xử lý giao tiếp giữa Arduino và cảm biến nhiệt độ. Vì vậy, một ứng dụng thử nghiệm cho phần này là khá ngắn:

Bước 7: Hoàn thành Phác thảo Arduino

Vì vậy, sau khi đọc xong cảm biến, bước cuối cùng là lấy thông tin từ cảm biến và hiển thị nhiệt độ bằng các ống Nixie.

Để bật một số nhất định trên ống, bạn phải truyền mã 4 bit đến bộ giải mã, bộ giải mã này sẽ bật bóng bán dẫn chính xác. Hơn nữa, bạn cũng cần truyền một bit cho biết bạn muốn đặt ống nào trong số hai ống ngay bây giờ.

Tôi quyết định thêm một R / S-Latch ngay trước mỗi đầu vào của bộ giải mã. Đối với những người trong số các bạn chưa biết, cách hoạt động của một trong các chốt này, đây là giải thích nhanh:

Về cơ bản, nó cho phép bạn lưu trữ một bit thông tin. Chốt có thể được ĐẶT và ĐẶT LẠI (do đó có tên R / S-Latch, còn được gọi là S / R-Latch hoặc R / S-Flip-Flop). Bằng cách kích hoạt đầu vào SET của chốt, đầu ra Q được đặt thành 1. Bằng cách kích hoạt đầu vào ĐẶT LẠI, Q trở thành 0. Nếu cả hai đầu vào không hoạt động, trạng thái trước đó của Q được giữ lại. Nếu cả hai đầu vào được kích hoạt cùng lúc, bạn có vấn đề, vì chốt bị buộc ở trạng thái không ổn định, về cơ bản có nghĩa là hành vi của nó sẽ không thể đoán trước, vì vậy hãy tránh trạng thái này bằng mọi giá.

Vì vậy, để hiển thị số 5 trên ống thứ nhất (bên trái) và số 7 trên ống Nixie thứ hai, bạn phải:

• ĐẶT LẠI tất cả các chốt
• Kích hoạt ống bên trái (Gửi 0 qua đường EN)
• Đặt các đầu vào của bộ giải mã (D, C, B và A): 0101
• Đặt tất cả D, C, B và A thành 0 để trạng thái cuối cùng được giữ lại (Điều này không cần thực hiện nếu cả hai ống đều hiển thị cùng một số)
• Kích hoạt ống bên phải
• Đặt các đầu vào của bộ giải mã (D, C, B và A): 0111
• Đặt tất cả D, C, B và A thành 0, để trạng thái cuối cùng được giữ lại

Để tắt các ống, bạn có thể truyền một giá trị không hợp lệ (như 10 hoặc 15). Sau đó, bộ giải mã sẽ tắt tất cả các đầu ra và do đó không có bóng bán dẫn nào có sẵn sẽ được kích hoạt và không có dòng điện nào chạy qua ống Nixie.

Bạn có thể tải xuống toàn bộ phần sụn tại đây

Bước 8: Đặt hàng PCB

Tôi muốn kết hợp mọi thứ (ngoại trừ mạch nâng cấp) trên một PCB, điều mà tôi nghĩ hóa ra khá tốt (Xem hình (8.1).

Mục tiêu chính của tôi là giữ cho kích thước PCB càng nhỏ càng tốt, nhưng vẫn cung cấp một số không gian, nơi nó có thể được gắn vào vỏ máy. Tôi cũng muốn sử dụng các thành phần SMD, để tôi có thể cải thiện kỹ thuật hàn của mình và chúng cũng sẽ giúp giữ cho PCB mỏng để vỏ máy tùy chỉnh không phải lớn và cồng kềnh (Xem hình 8.2).

Do việc sử dụng các thành phần SMD, hầu hết các kết nối phải được thực hiện ở phía thành phần. Tôi đã cố gắng sử dụng càng ít vias càng tốt. Lớp dưới cùng thực sự chỉ có các đường GND, VCC và + 170V và một số kết nối phải được thực hiện giữa các chân khác nhau của cùng một vi mạch. Đó cũng là lý do tại sao tôi sử dụng hai IC DIP-16 thay vì các biến thể SMD của chúng.

Bạn có thể tải xuống các tệp thiết kế PCB và sơ đồ EAGLE tại đây.

Bởi vì đây là một thiết kế nhỏ với dung sai và dấu vết rất nhỏ, điều quan trọng là phải tìm một nhà sản xuất tốt cho PCB để chúng trở nên đẹp và hoạt động bình thường.

Tôi quyết định đặt hàng tại PCBWay và tôi không thể hài lòng hơn với sản phẩm mà họ đã gửi cho tôi (Xem hình 8.3).

Bạn có thể nhận báo giá ngay lập tức cho nguyên mẫu của mình trực tuyến mà không cần đăng ký. Nếu bạn quyết định đặt hàng: Họ cũng có công cụ chuyển đổi trực tuyến tiện dụng này sẽ chuyển đổi các tệp EAGLE sang định dạng gerber chính xác. Mặc dù EAGLE cũng có trình chuyển đổi, nhưng tôi thực sự thích các trình chuyển đổi trực tuyến từ các nhà sản xuất, vì bằng cách này, bạn có thể chắc chắn 100% rằng sẽ không có bất kỳ vấn đề tương thích nào với phiên bản gerber.

Bước 9: Khắc phục sự cố

Khi lần đầu tiên thử nghiệm PCB mới hàn của tôi, không có gì hoạt động. Các ống này sẽ không hiển thị gì cả (bộ giải mã đạt đến giá trị> 9) hoặc các số ngẫu nhiên sẽ liên tục hoặc nhấp nháy bật và tắt, trông đẹp nhưng không mong muốn trong trường hợp này.

Lúc đầu, tôi đổ lỗi cho phần mềm. Vì vậy, tôi đã nghĩ ra trình thử nghiệm Nixie này cho Arduino (Xem hình 9.1).

Tập lệnh này cho phép bạn nhập một số chân GPIO (0-8) mà bạn muốn thay đổi trạng thái. Sau đó nó yêu cầu trạng thái. Khi nhập chốt số 9, các chốt sẽ được đặt lại.

Vì vậy, tôi tiếp tục thử nghiệm của mình và lập một bảng sự thật với tất cả các đầu vào có thể có cho A, B, C và D. Tôi nhận thấy rằng các số 4, 5, 6 và 7 không thể hiển thị với một trong hai ống. Ngoài ra, chúng sẽ phản ứng khác nhau với cùng một sự kết hợp của các yếu tố đầu vào.

Tôi nghĩ rằng chắc hẳn cũng có vấn đề về điện. Tôi không thể tìm thấy bất kỳ vấn đề kỹ thuật nào trong thiết kế, nhưng sau đó tôi nghĩ về điều mà tôi đã học được cách đây rất lâu (nhưng chưa bao giờ thực sự gặp vấn đề kể từ đó): Dòng chảy có thể dẫn điện. Đây có thể không phải là vấn đề đối với các ứng dụng kỹ thuật số và điện áp thấp thông thường, nhưng có vẻ như đây là một vấn đề ở đây. Vì vậy, tôi làm sạch bảng bằng cồn và sau đó nó hoạt động bình thường.

Đại loại. Một điều khác mà tôi nhận thấy: Phần mà tôi đã sử dụng trong EAGLE khi tạo bố cục PCB của mình không chính xác (ít nhất là đối với các ống của tôi). Các ống của tôi dường như có một sơ đồ chân khác.

Chỉ cần một số điều cần lưu ý khi mạch của bạn không hoạt động ngay lập tức.

Bước 10: Một trường hợp tùy chỉnh

Sau khi mọi thứ khác đã được sắp xếp xong, tôi muốn xây dựng một chiếc hộp đẹp để chứa mạch của mình. May mắn thay, tôi còn lại rất nhiều gỗ từ dự án đồng hồ chữ của mình, mà tôi muốn sử dụng để xây dựng lưới bên trong (Xem hình 10.1).

Tôi đã xây dựng trường hợp bằng cách sử dụng các phép đo sau:

Số lượng	Số đo [mm]	Sự miêu tả
6	40 x 125 x 5	Mặt dưới, mặt trên, mặt trước và mặt sau
2	40 x 70 x 5	Miếng bên nhỏ
2	10 x 70 x 10	Các mảnh kết cấu ở bên trong (Xem hình 8).
2	10 x 70 x 5	Các mảnh kết cấu trên nắp (Xem hình 11).

Sau khi cắt các mảnh, tôi đặt chúng ra với nhau để tạo ra chiếc hộp như trong hình. 10.2.

Hình 10.3 cho thấy trường hợp này từ một góc độ khác.

Phần trên của hộp giống hệt như phần dưới, chỉ là không có các bức tường và các bộ phận kết cấu ít cao hơn (xem hình 10.4). Nó hoạt động như một cái nắp và có thể được tháo ra để bảo dưỡng các thành phần bên trong. PCB sẽ được gắn vào nắp với hai ống nhô ra khỏi vỏ.

Sau khi hài lòng với cách mọi thứ khớp với nhau, tôi chỉ cần dán tất cả các bộ phận lại với nhau và để khô trong vài giờ.

Bạn có thể tự hỏi, làm thế nào tôi cố định PCB vào nắp khi không có ốc vít nào nhìn thấy ở phía trên. Tôi chỉ cần khoan một lỗ cho vít vào phần kết cấu của nắp và sau đó tạo một liên kết ngược để đầu vít đi vào (xem hình 10.5).

Bước 11: Hoàn thiện bản dựng

Sau khi PCB chính được gắn vào nắp, tất cả các thành phần khác chỉ cần được đặt vào trong hộp, có thể thấy trong hình. 11.1.

Như bạn có thể thấy, tôi đã cố gắng sắp xếp các dây cáp tốt nhất có thể và tôi nghĩ rằng nó hóa ra khá tốt. Mọi thứ đều vừa vặn với vỏ máy, như bạn có thể thấy trong hình. 11.2.

Tôi cũng đã thêm một DC-Jack vào trường hợp (và hơi điên rồ với lớp keo nóng ở đó). Nhưng bằng cách này, bạn có thể cấp nguồn cho nhiệt kế bằng bất kỳ bộ sạc điện thoại thông thường nào và cáp vừa vặn. Tuy nhiên, bạn cũng có thể thêm pin 5V nếu muốn.

Bước 12: Các bộ phận được sử dụng trong bản dựng này

Đối với các thiết bị điện tử:

Số lượng	Sản phẩm	Giá bán	Thông tin chi tiết
1	DHT-11	4, 19€	Lấy nó từ một cửa hàng đắt tiền. Bạn có thể mua những thứ này với giá chưa đến 1 đô la từ Trung Quốc.
2	CD4028BM	0, 81€	Người giải mã
2	74HCT00D	0, 48€	NAND
1	74HCT04D	0, 29€	Biến tần
1	Pinheader	0, 21€	Chân 2x5
1	Thiết bị đầu cuối vít	0, 35€	2 kết nối
20	SMBTA42	0, 06€	npn-Transistor
20	Điện trở SMD	0, 10€	120 nghìn
2	74LS279N	1, 39€	Dép xỏ ngón R / S-Flip
1	PCB	4, 80€	Đặt hàng ở đây
2	IN-14 Nixies	2, 00€
1	Bộ chuyển đổi từng bước	6, 79€

Bạn cũng sẽ cần một số loại vi điều khiển. Tôi đã sử dụng Arduino Pro Micro.

Đối với trường hợp:

Số lượng	Sản phẩm	Giá bán	Thông tin chi tiết
N. A.	Gỗ	~2€	Xem ở trên
4	Vít M3x16	0, 05€
4	Đai ốc M3	0, 07€
1 chai	Keo dán gỗ	1, 29€
1 lon	Sơn gỗ	5, 79€

Bước 13: Kết luận

Tôi thực sự hài lòng với kết quả của việc xây dựng này. Có lần tôi đã cắt được chính xác các mảnh gỗ và cũng không quên việc lắp các lỗ cho PCB. Và nó thực sự trông cũng rất lộng lẫy (Xem hình 13.1).

Bên cạnh đó, thật thú vị khi làm việc với ống và điện áp cao nói chung và có một số điều cần cân nhắc khi làm như vậy.

Tóm lại, tôi muốn nói rằng thật tốt, ngày nay chúng ta có nhiều cách hiển thị số thuận tiện hơn nhưng mặt khác, không có gì có thể so sánh được với ánh sáng và vẻ ngoài tổng thể của ống nixie, điều mà tôi thực sự thích thú khi nhìn vào, đặc biệt là khi trời tối (Xem hình 13.2).

Hy vọng bạn thích hướng dẫn này. Nếu bạn đã làm, hãy xem trang web của tôi để biết thêm các bài báo và dự án thú vị!

Bước 14: Thuộc tính, Nguồn và Bài đọc thêm

Các bài đọc thêmMC34063 Chi tiết ứng dụng - Biểu dữ liệu ti.comMC4x063 - IC điều khiển ống ti.comNixie - tubehobby.comDHT-11 Thư viện Arduino - arduino.ccA Transistor như một công tắc - petervis.com Lý thuyết điện trở cơ bản, công thức và máy tính trực tuyến - petervis.com

Nguồn ảnh [Hình. 1.1] Ống Nixie IN-14, coldwarcreations.com [Hình. 2.1] Mạch step-up, tự vẽ nhưng lấy từ ebay.com [Hình. 6.1] Cảm biến nhiệt độ DHT-11 - tinytronics.nl