多路數(shù)碼管時(shí)鐘開源分享

描述

介紹

數(shù)碼管最近很受電子愛好者的歡迎。它們是古董新奇！我是我們當(dāng)中為數(shù)不多的能夠記住數(shù)碼管在 1960 年代和 70 年代初是最先進(jìn)的顯示器的人之一。隨著 LED 顯示屏的出現(xiàn)，它們幾乎立即消失了！

我在這里看到的大多數(shù) Nixie 項(xiàng)目都很昂貴，并且使用預(yù)組裝的 Nixie 電子管顯示器。我在這個(gè)項(xiàng)目中的目標(biāo)是讓它變得便宜并從頭開始構(gòu)建它，這樣我才能真正了解一切是如何運(yùn)作的！我希望它包括秒。我希望它包括閃爍的冒號(hào)。我希望它可以配置為 12 或 24 小時(shí)制。我希望成品看起來(lái)不錯(cuò)。我想以大約 100 美元的價(jià)格完成所有這些工作。所以這就是我最終的結(jié)果：

我非常接近我 100 美元的成本目標(biāo)。我在零件清單的評(píng)論中列出了價(jià)格。他們總共110美元！

我們?cè)谶@個(gè)項(xiàng)目中使用 MKR WiFi 1010，因?yàn)樗哂袃?nèi)置 WiFi 和內(nèi)置 RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）。它提供了一個(gè)自設(shè)置時(shí)鐘，可以從互聯(lián)網(wǎng)上獲取時(shí)間。我們將在軟件中更多地討論這一點(diǎn)。

設(shè)計(jì)與施工

我們需要從明顯的警告開始，即數(shù)碼管在 170 伏特下運(yùn)行，因此在使用這些電路時(shí)需要小心，因?yàn)樗鼈儠?huì)給您帶來(lái)嚴(yán)重的沖擊！

為 6 個(gè)數(shù)碼管供電的最簡(jiǎn)單方法是給它們各自的 BCD 轉(zhuǎn)十進(jìn)制陰極驅(qū)動(dòng)器（SN74141 或俄羅斯等效的 K155ID1）。這樣 170 伏陽(yáng)極可以連續(xù)供電，我們不需要打開和關(guān)閉高壓。但是，這涉及大量布線，每個(gè) SN74141 都需要 4 個(gè) Arduino 引腳作為輸入。MKR WiFi 1010 沒(méi)有足夠的引腳，因此需要移位寄存器或其他東西來(lái)控制所有 SN74141。

為了讓我的時(shí)鐘相對(duì)簡(jiǎn)單，我決定通過(guò)單個(gè) SN74141 復(fù)用所有的數(shù)碼管。它簡(jiǎn)化了接線，因?yàn)樗袛?shù)碼管的陰極引腳都可以連接在一起，即所有 6 個(gè)數(shù)碼管引腳 1 都連接在一起并連接到 SN74141 的#1 輸出引腳。所需的 Arduino 引腳大大減少。我們需要 4 個(gè)作為 SN74141 的輸入和 6 個(gè)來(lái)選擇合適的數(shù)碼管。（實(shí)際上，還需要一個(gè)來(lái)控制閃爍的冒號(hào)。）

然而，我們?yōu)檫@種簡(jiǎn)單性付出了一些復(fù)雜的代價(jià)。在軟件中，我們需要一個(gè)定時(shí)中斷程序來(lái)處理數(shù)碼管的不斷刷新——稍后會(huì)詳細(xì)介紹。在硬件方面，我們需要能夠通過(guò)打開和關(guān)閉高壓來(lái)打開和關(guān)閉數(shù)碼管。

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上面的電路是我用來(lái)打開和關(guān)閉 Nixies 的電路。兩個(gè)晶體管和三個(gè)電阻構(gòu)成每個(gè) Nixie 的高壓驅(qū)動(dòng)器。通過(guò)這種安排，我們可以直接從我們的 Arduino 控制進(jìn)入 Nixie 陽(yáng)極的 170 伏電壓。Arduino 本身從來(lái)沒(méi)有看到任何高電壓，因?yàn)?Arduino 引腳基本上通過(guò) NPN 晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)接地（即基極永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)結(jié)的 0.7 伏正向壓降高于地面）。

如果您熟悉數(shù)碼管，您可能想知道為什么我使用低值 1200 歐姆電阻連接到數(shù)碼管的陽(yáng)極。當(dāng) Nixie 開啟時(shí)，其電壓降約為 140 伏。因此，該電阻器上的電壓約為 30 伏，電流限制為 25 毫安，遠(yuǎn)高于推薦的 2 毫安。但由于我們正在多路復(fù)用這些 Nixie，它們的占空比僅為 10% 左右，因此我決定采用更高的電流限制以最大限度地提高亮度。

誠(chéng)然，我們需要六個(gè)這樣的高壓驅(qū)動(dòng)器，所以它確實(shí)增加了一些復(fù)雜性，但它仍然比我們需要的沒(méi)有多路復(fù)用的硬件安排更簡(jiǎn)單。

我還希望我的時(shí)鐘在小時(shí)和分鐘之間以及分鐘和秒之間包括閃爍的冒號(hào)。我通過(guò)添加通過(guò)第七個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)器控制的 4 個(gè)霓虹燈來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

高壓板包含所有 7 個(gè)高壓驅(qū)動(dòng)器。

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在這個(gè)設(shè)計(jì)中我并不為之瘋狂的一件事是需要 3 種不同的電源。當(dāng)然，我們需要兩個(gè)——一個(gè)用于處理器，一個(gè)用于 170 伏的 Nixie 陽(yáng)極。MKR WiFi 1010 規(guī)定了 5 伏的電源要求，但板載調(diào)節(jié)可以處理更高的電壓。用于 170 伏的 DC-DC 升壓電源規(guī)定最小輸入電壓為 8 伏。

起初我計(jì)劃使用 9 伏電源作為 Arduino 和升壓轉(zhuǎn)換器的輸入，但升壓在 9 伏電壓下不起作用。我決定使用 15 伏電壓，但這需要第二個(gè) DC-DC 降壓電源來(lái)為 Arduino 供電。所以我最終得到了三個(gè)用品！

兩個(gè) DC-DC 轉(zhuǎn)換器都可通過(guò)板載電位器調(diào)整寬范圍的電壓輸出。您需要在它們上面放一個(gè)儀表并將它們?cè)O(shè)置為適當(dāng)?shù)碾妷?- Arduino 為 5 伏，數(shù)碼管為 170 伏。

一個(gè) DC-DC 降壓 (5 v)、一個(gè) DC-DC 升壓 (170 v) 和 15 伏墻磚

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在我把所有東西都塞進(jìn)盒子里并加載我的時(shí)鐘軟件之前，我決定我需要檢查各種硬件，以確保我的數(shù)碼管工作正常，并且我可以在 6 個(gè)數(shù)碼管和帶有高壓的霓虹燈中進(jìn)行選擇司機(jī)。所以我寫了一個(gè)小測(cè)試程序，我已經(jīng)包含在軟件中。下面是測(cè)試的樣子：

我以為我為我的時(shí)鐘制作了足夠大的 3D 打印外殼，但正如您在下面的照片中看到的那樣，里面非常擁擠！即使我將 Nixies 多路復(fù)用并將大多數(shù)引線連接在一起，它仍然產(chǎn)生了真正的“老鼠窩”電線。如果我要重新設(shè)計(jì)這個(gè)時(shí)鐘，我會(huì)在 Nixie 之間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線，并且主要避免這種亂七八糟的電線。

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外殼是 3D 打印的 - 我已將 .stl 文件包含在可用下載中。它們包括面部、身體底部和身體頂部。

軟件

首先，時(shí)鐘軟件本身與我之前的教程中描述的相同：自設(shè)置超精確時(shí)鐘。在本教程中，我們將添加數(shù)碼管作為顯示器。MKR WiFi 1010 具有內(nèi)置 WiFi 和內(nèi)置 RTC（實(shí)時(shí)時(shí)鐘）。與 MKR 1010 一起使用的 WiFiNina 庫(kù)具有獲取 NTP（網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議）時(shí)間的能力。并且 RTCZero 庫(kù)可以使用 NTP 時(shí)間來(lái)設(shè)置內(nèi)置的 RTC。結(jié)果是一個(gè)時(shí)鐘可以自行設(shè)置并且在幾毫秒內(nèi)精確到只使用 WiFi 和處理器本身！

要使用我的軟件，您需要獲取 WiFiNina 和 RTCZero 庫(kù)——它們都可以直接從 Arduino Library Manager 安裝。您還需要使用您的 WiFi 憑據(jù)、與 GMT 的時(shí)區(qū)偏移量來(lái)配置用戶設(shè)置，并指定您是要顯示 12 小時(shí)制還是 24 小時(shí)制。軟件開機(jī)自動(dòng)獲取時(shí)間，每小時(shí)從網(wǎng)上重新獲取一次，超準(zhǔn)！

我們的主循環(huán)從 RTC 獲取時(shí)間并更正時(shí)區(qū)和首選時(shí)間格式（24 或 12 小時(shí)）。它使時(shí)間保持最新，并準(zhǔn)備以小時(shí)、分鐘和秒顯示。它還將小時(shí)、分鐘和秒解析為單獨(dú)的數(shù)字，這些數(shù)字將顯示在我們的 6 個(gè)數(shù)碼管中的每一個(gè)上。它打開冒號(hào)大約每秒 1/2 的時(shí)間，因此它們每秒閃爍一次。冒號(hào)亮度使用 PWM 進(jìn)行控制，只需設(shè)置為大致匹配 Nixies 的亮度。

每 16 毫秒調(diào)用一次定時(shí)中斷。更新 Nixies。它通過(guò)將其各自的數(shù)字加載到 SN74141 的 BCD 輸入中并打開該 Nixie 的高壓 2.5 毫秒來(lái)更新每個(gè) Nixie。大約需要 15 毫秒。更新所有 6 個(gè) Nixies，因此微控制器大部分時(shí)間都在刷新。每個(gè) Nixie 開啟 2.5 毫秒。每 16 毫秒，因此其占空比為 14%。它們不像連續(xù)打開時(shí)那樣明亮，但它們足夠明亮，具有良好的可讀性。我們的定時(shí)中斷每 16 毫秒進(jìn)行一次，我們的刷新率為 63 Hz - 絕對(duì)快到讓我們看到 Nixies 一直都在工作！