藍色小鋪, 數字管時鐘, 作品進化分享 (by 黃偉峻)

數字管時鐘

大綱

• 介紹兩種數字管-‐VFD&Nixie tube • Project Zero – IN-‐14 Arduino Clock • Project One – IV-‐18 Clock • Project Two – IN-‐17 Arduino Clock • Alpha Project One – IN-‐9 Temperature display

What is Nixie tube?

• 比LED還早的時代

• 大多顯示數字符號

• 另外還有米字

hLp://www.oldcalculatormuseum.com/w-‐anita1011.html

原理

Nixie種類-蘇聯管

• 市場量最大 • 相對便宜 • 種類多 • 有軍用版本可以選

• 正視: •  IN-‐17 •  IN-‐12A/B •  IN-‐15/A(符號)

• 側視: •  IN-‐8 (IN-‐8-‐2) •  IN-‐14 •  IN-‐16 •  IN-‐18 •  IN-‐19(符號)

• 條狀: •  IN-‐9 •  IN-‐13

Nixie 怎麼用?

• 其實和LED差不多,只是電壓可能高達上百伏特 • 大致上分成兩種 1.直接驅動 a.撒一堆高壓電晶體 b.買有點貴的專用IC c.買沒有那麼貴的IC

•  2.掃描式陽極: 1.高壓電晶體 2.高壓光耦合陰極 a.一些些高壓電晶體 b.買有點貴的專用IC c.買沒有那麼貴的專用IC

高壓電晶體-陰極

• MPSA42

高壓電晶體-陽極 MPSA42&92

有點貴的專用IC

•  74741-‐Nixie Driver IC BCD to DEC è只需要4個Pin就能控制 •  Ti製:sn74141 • è掏寶有看過有賣 (~30元) • 蘇聯製:K155ID1 or KM155ID1 è電壓較高(100V V.S 60V) è市場量大(Ebay) (~30~60元)價錢其實有點亂..

有點貴非常貴的專用IC

• HV5522 • 貴(~上百元) •  Shi_ Register • PLCC-‐44, PQFP-‐44 • 最高可達300V • 難買

http://www.webalice.it/giussdp/nixie2/n2disp2_g.jpg

沒那麼貴的IC

• Nixie tube需要高壓電晶體的原因: • 關閉的時候會出現高壓 • 但是如果已經點亮了一個è電壓會降下來 è現在許多~50V左右的IC就足以使用舉例: • ULN2003 ~50V

https://web.jfet.org/nixie-1/

最好再接個大電阻到高壓

限流電阻

• 需要查看真空管的電流以及激發電壓

https://threeneurons.files.wordpress.com/2011/08/nixie-basics.gif

VFD

5V

HV

HV 0V

0V HV HV

0V

VFD怎麼用?

由於封裝的方式使用上大都是掃描式的方式控制閘: 1.高壓電晶體 2.專用IC 燈絲: 1.直流電 2.交流電

https://web.jfet.org/inGrid/

燈絲 • 交流電:

• 直流電:

Project Zero – IN-14 Clock

架構:

Arduino UNO

RTC

Port Expender

I2C

74141 X 4

16條Output

IN-‐14 X 4

12V

180V step-‐up

5V Step-‐down

軟體

抓RTC的時間

顯示時間

檢查Serial

Main Program

升壓模組⾼高壓⼩小⼼心ㄟ • NE555電路-‐效果不錯,但是記得散熱 • MC34063-‐效率比較高一些

http://talkingelectronics.com/projects/50%20-%20555%20Circuits/images/170vSupply.gif

https://threeneurons.files.wordpress.com/2011/08/mc34063_mk15cm1.gif

• MAX1771 • Arduino PWM Step-‐up

From PIC APP note

•  hLps://learn.adafruit.com/ice-‐tube-‐clock-‐kit/design

• hLp://gmewitharduino.blogspot.tw/2013/10/high-‐voltage-‐power-‐sources-‐for-‐tubes.html

現成模組

• NE555我的建議是自己做一個 • 但是如果有體積/電流的需求,去買個升壓模組就

好

• 台灣: hLp://nixietubeclock.blogspot.tw/2014/07/np10-‐dc-‐dc-‐nixie-‐tube-‐part4.html

• hLp://nixietubeclock.blogspot.tw/2013/12/dc-‐dc-‐nixie-‐tube-‐part1.html

• 掏寶 hLp://tw.taobao.com/item/22046131143.htm?fromSite=main&spm=a1z09.2.9.78.4Bok9u&_u=e1f5oh4m7ee1

問題

• 外殼悲劇 • PCB沒有派上非常大的用場 • 真空管難固定 • 沒必要使用I2C port expender • 各種悲劇的走線 • 連個電源接頭都沒固定…..

• DS3231真的粉棒 1.一年下來完全沒有校時只誤差不到5s 2.內建溫控震盪器超棒的

Project 2 – IN-17 Arduino

Display架構:

Amny24

NPN-‐PNP Switch

IN-‐17 X 4

180V

74141 X 1

I2C

5V

Main board架構: Ver 1

Arduino 5V

溫溼度感應器

RTC

藍芽模組

3.3V

FM+AMP

電平轉換

電平轉換

I2C 5V

UART

鋰電池 180V升壓

5V升壓

3.3V LDO

Amny

5V

遇到的問題-電源

• 為了讀取電池電壓,把ADC接上電池 è關閉電池之後,電流從ADC倒灌到Arduino

• 為了避免USB電源和5V升壓撞在一起 è加了開關選擇5V的來源è操作上複雜 • 必須要接上鋰電池才能運作

遇到的問題-Layout

•  180V升壓模組與5V升壓模組是從背後接上的 è增加非常多厚度 • 鋰電池的插座基本上沒辦法用 • Micro USB插座使用SMD版 è一扯就掉 • nRF24l01的大小Lay錯了 • 耳機孔好難看.. • 藍芽模組造成PCB板突出一塊 • 因為電流倒灌,鋰電池關不掉

遇到的問題-電源

• 為了讀取電池電壓,把ADC接上電池 è取消這功能

• 為了避免USB電源和5V升壓撞在一起 è增加自動控制的電路

遇到的問題-Layout

•  180V升壓模組與5V升壓模組是從背後接上的 • è切一塊PCB空間出來用 • 鋰電池的插座基本上沒辦法用è改到邊邊去 • Micro USB插座使用SMD版è換掉 • nRF24l01的大小Lay錯了è沒空間了,拿掉 • 耳機孔好難看è沒空間了,拿掉 • 藍芽模組造成PCB板突出一塊è沒空間了,拿掉 • 因為電流倒灌,鋰電池關不掉è以解決

改良

• 增加USB to UART IC • 把5V升壓電路做上去 •  Charge pump •  Step-‐up • 加震動馬達控制器 • 加另一個溫濕度計 • DS3231換成SSOP16

Main board架構: Ver 2

Arduino 3.3V

溫溼度感應器

RTC

3.3V

FM+AMP

I2C

Amny

電平轉換

5V

Power

鋰電池

180V升壓

3.3V LDO

5V升壓

USB

Power Path

Control

5V

Power Path

Control

FM出問題惹

• AMP大小太大,塞不太下 è自己做個小的版本 • 天線也太大,而且線全部擠在殼內容易出狀況 èSMD天線(First Try) •  SMD天線接收度不佳 è加個LNA做放大

FM出問題惹

• 結果耗電量爆增60mA • 鋰電池:200mA • 其他裝置加起來:20mA

è移除FM功能

遇到的問題

• 鋰電池接頭以及震動馬達在一排1.27”的排插 • è靠的超近…..è熱熔膠固定,外加鋰電池保護板 •  ISP很佔空間 • 溫度感應器被加熱惹 • 開關的塑膠一直被我弄斷 • 有些地方離螺絲孔太近,會擋到螺絲 •  2.54”排插高度和大小都太大了 • CR1220 有點占空間 • 沒有無線裝置…(è外掛模組)

遇到的問題

• 要不是74141,整個板子用3.3V就好..

充電座

•  無線充電的問題:市面上的模組線圈大小太大(Qi的模組),塞不下外殼

• 用接觸充電的方式,利用第一次Layout的PCB當作彈簧針的底座

軟體:Simple loop

•  Interupt route: •  RTC觸發Interrupt打開Flag

• Main Loop: • 檢查按鈕+Flag è進入不同的模式

•  1.計時 •  2.特效

•  A.0~9 •  B.波浪 •  C.亂數

•  3.倒數計時 •  4.溫溼度計

Scanning Nixie Tube

• Nixie Tube 必須先關掉陽極è切換陰極è再開陽極

• Nixie Tube 的電容特性會讓他持續發亮一段時間如果這時候切換陰極,會點亮另外一個數字 • 而且陽極關閉等Nixie Tube沒電,通常需要50us以

上,不然會出現Ghosgng

Ghosting

http://www.markbowers.org/nixie-clock-2012/

Attiny:

• 專職掃描Nixie Tube • 讀I2C進來的訊號,四位數字+亮度

Nixie Tube Cathode Poisoning

http://www.tube-tester.com/sites/nixie/different/cathode%20poisoning/cathode-poisoning.htm

• 原因:長期沒使用導致陰極有沉澱物 • 解決辦法:拿大電流通電一段時間(兩到十倍最高

電流,數分鐘到小時)

Nixie Clock因為用不到的數字有點多,長期使用下來會造成沒再使用的數字形成Cathode Poisoning • 預防:定時把每個數字都跑過一輪 • Project Zero的做法是è30分跑亂數,整點跑循序.

Time Sync – Python

• 電腦端把時間組成CSV格式的字串用Serial送出

• Arduino端用ParseInt從秒數讀到年 • 另外再將資料回傳確認

Project 3 – IV-18 Clock Ver 1 買到的套件為Lunchpad設計的Shield

架構:

MSP430

MAX6921 IO

IV-‐18

20條Output

5V

40V step-‐up

缺點

• 因為用的是MSP430外掛32.768kHz震盪器計時 è沒有斷電計時 •  Lunchpad沒有5V輸出,需要另外從板子上焊接出

來 • 按鈕好難用

Ver 2 移動到Arduino

架構:

Arduino

RTC

IO

IV-‐18

20條Output

5V

40V step-‐up

MAX6921

I2C

軟體

抓RTC的時間

顯示時間

檢查Serial

Main Program

遇到的問題

• 其實沒啥問題,就是板子Lay出來的有點難看 (回頭看的感覺) • CR2032占的空間太大 • 功能有點少 • 太亮

遇到的問題-軟體

• 真空管必須要用掃描式的方式顯示 è只要Code當中有任何一個Delay或時間較長的程序,都會造成亮度的下降(因為掃描速度變慢)

• 舉例: •  校正時間 •  DS18B20讀取 •  Serial.print

改裝:

• 添加一個光敏電阻,去控制時鐘的開關 • 把DS1307的震盪器換成DS32KHZ的TXCO

Ver 3

• 原本想Layout一個新的Shield • 但是,Arduino Shield大小會超過5cm*5cm • PCB廠商會收另外一個級距的費用 • 而且Shield的零件通通換成SMD之後覺得有點空

虛

è乾脆全部都自己來,控制在5x5以內

原本改良的Shield

Main Board 架構:

Arduino Leonardo

RTC

I2C

Buzzer

USB 3.3V LDO

To Display board

Linkit Connect module

UART

光敏電阻

SD卡/Flash

SPI

軟體會遇到的問題

• Arduino如果正在處裡Wifi,會沒有辦法去刷新時間和控制亮度

èInterrupt

軟體

• RTC Interrupt èUpdate Time & Check Alarm •  Timer Interrupt èUpdate Lux • Pinchange Interrupt èClose Buzzer

• Main Loop èSync with Internet

軟體啟動Interrupt

連網路

抓RTC的時間(轉Unix gme)

網路校時

抓時區

Mediatek Cloud Sandbox Sync

讀光敏電阻

調整PWM

Unix gme ++

計算年月日,時分秒

把資料傳到Display Board

顯示年月日,時分秒,與動畫

Main Program

Timer Interrupt (10Hz)

RTC Interrupt (1Hz)

關Buzzer

Pinchange Interrupt

Wifi: Linkit Connect module

AT cmd firmeware

• hLps://github.com/will127534/7681-‐ATcmd

Software: Arduino Library

•  LC7681Wifi wifi(&Serial1); •  Serial1.begin(115200); • wifi.connectAP(ssid, key); •  IPAddress serverIp = wifi.nslookup(server); • wifi.connect(serverIp, port); • wifi.print(buf,sizeof(buf));

• wifi.process(callback);

Callback

• 會回傳發生的事件,以及收到的資料+長度

•  void callback(int event, const uint8_t* data, int dataLen)

EVENT_NONE EVENT_DATA_RECEIVED EVENT_SOCKET_DISCONNECT EVENT_MAX

Hardware: UART & 3.3V

NTP time sync

• 準備好一個48byte的矩陣,開頭是0x1b,其他都是0 • 用UDP連線到Time Server之後丟出去 • 收到的資料也是48byte,其中第41~44是Timestamp 的4byte 資料

•  0x1b=0001 1011

•  LI = 00 èno warning • VN=011 èVersion 3 • Mode = 011 èClient

•  Timestamp :從1900年1月1日0點開始計算的秒數 • Unix gme:從1970年1月1日0點開始計算的秒數

•  From Unix gme to Dategme

計算方式:用扣除的 From Adafruit è

Mediatek Cloud Sandbox

Cloud

• 畢竟都加了Wifi 模組了,還用按鈕有點累 • 利用MCS顯示環境亮度 • 利用MCS去控制時鐘的各個設定

•  亮度 •  鬧鐘 •  顯示Style

MCS Code

•  wifi.print("GET /mcs/v2/devices/{deviceID}/datachannels/"); •  wifi.print({channelID}); •  wifi.println("/datapoints.csv HTTP/1.1"); •  wifi.println("Host: api.mediatek.com"); •  wifi.println("deviceKey: {deviceKey}"); •  wifi.println("Connecgon: close\n");

MCS Code

• wifi.println("POST /mcs/v2/devices/{deviceID}/datapoints.csv HTTP/1.1");

•  wifi.println("Host: api.mediatek.com"); •  wifi.println("deviceKey: {deviceKey}"); •  wifi.print("Content-‐Length: "); •  wifi.println({data Length}); •  wifi.println("Content-‐Type: text/csv"); •  wifi.println("Connecgon: close\n"); •  int _status = wifi.println(data); •  return _status;

Time zone

•  ip-‐api.com • 使用方式:Get hLp://ip-‐api.com/csv/ •  success,Taiwan,TW,,Taipei,Taipei,,25.0392,121.525,Asia/Taipei,"Chunghwa Telecom Co.","Chunghwa Telecom","AS17421 Long Distance & Mobile Business Group",223.136.78.146

• 經度/15 = 時區

遇到的問題-軟體(1) • Arduino 內建的I2C library有兩件事情會發生 •  1.會當掉 •  2.不能在Interrupt內跑

解決方法:換Library

• hLp://www.dsscircuits.com/argcles/arduino-‐i2c-‐master-‐library

•  Removed the use of interrupts from the library so all TWI state changes are polled

• 然後順便把原本的I2C lib 加了個Timeout

遇到的問題-軟體(2)

• RTC跑久了會卡死,用邏輯分析儀看的話,會發現Arduino端是正常的,但是RTC沒有回應Address

è時間的來源改成Arduino自己算,利用RTC Interrupt累加秒數算是一種鋤草不除根的解決方式,目前這問題依然存在

遇到的問題-軟體(3)

• Code Size大爆炸

•  SD卡/Flash的Code放不下è移除功能

IV-18 Display Board Ver1

Simple Breakout

• 增加兩種MAX6921 以及 Amny做控制 • 但是電源需要外接 • 另外嘗試MC34063以外的Step-‐up

•  LMR64010 • UP to 40V


•  TSSOP的MAX6921 以及 Amny做控制 • 升壓電路整併 • 增加了RTC的空位 •  (Opgonal)使用MOS Dirver 做到偽AC燈絲


•  TSSOP封裝的MAX6291又貴又難買 è換成HV5812,但是因為體積變大,移除RTC與Mos Dirver

IV-18 Display Board Ver5 - alpha • Charge pump! • 因為這可以順便供應AC給燈絲

• 還沒送洗

Alpha Project One

IN-9 Bargraph Nixie Tube

• 利用電流量控制長度 • 使用方式:OPA+NPN做恆流源

硬體:

•  LM34 è1度C = 10mV • 放大十一倍之後送給恆流源控制

遇到的問題:

•  LM34被恆流源的NPN給加熱了 è用線接出來

IN-9 音量顯示器

• 一樣是放大電壓後送給恆流源控制

藍色小鋪, 數字管時鐘, 作品進化分享 (by 黃偉峻)

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