Termometer Tabung Nixie Terkontrol Arduino: 14 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Bertahun-tahun yang lalu saya membeli banyak tabung IN-14 Nixie dari Ukraina dan saya menyimpannya sejak saat itu. Saya selalu ingin menggunakannya untuk perangkat khusus dan akhirnya saya memutuskan untuk menangani proyek ini dan membuat sesuatu yang menggunakan cara kuno untuk menampilkan angka, tetapi untuk saat ini saya tidak ingin membuat jam tabung Nixie (saya pikir itu adalah hal yang agak klise untuk dilakukan dan untuk saat ini saya sudah memiliki cukup banyak proyek jam hipster mewah), jadi saya berpikir: Mengapa tidak membuat termometer untuk kamar saya yang dapat diaktifkan dengan bertepuk tangan? Saya aktifkan clap agar tidak menyala terus-menerus, karena menurut saya itu cukup membuang-buang tenaga dan saya juga tidak mau itu menerangi ruangan, apalagi di malam hari.

Tabung Nixie dikendalikan oleh Arduino, yang juga bertanggung jawab untuk membaca suhu dari sensor suhu DHT-11 yang terkenal.

Ini adalah salinan singkat dari seri asli saya yang dirilis di situs web saya. Lihatlah, jika Anda tertarik dengan artikel dan proyek teknis lainnya yang belum saya edit untuk Instructables.

Langkah 1: Tabung Nixie dan Tegangan Tinggi

Tabung Nixie adalah tabung katoda dingin yang diisi dengan gas tertentu. Selanjutnya, mereka mengandung anoda umum (atau katoda) dan katoda (atau anoda) terpisah untuk setiap digit atau karakter yang dapat mereka tampilkan (Lihat gambar 1.1).

Dalam kasus saya, tabung memiliki anoda yang sama dan digitnya adalah katoda yang terpisah. Tidak seperti tabung lain dari waktu itu (transistor, dioda, …) tabung Nixie biasanya tidak perlu dipanaskan untuk bekerja dengan baik (maka nama: tabung katoda dingin).

Satu-satunya hal yang mereka butuhkan adalah tegangan yang cukup tinggi, biasanya antara 150 dan 180V DC. Ini biasanya masalah utama saat menangani perangkat tampilan ini karena itu berarti, Anda akan memerlukan catu daya khusus atau rangkaian dan pengontrol step-up, yang mampu menghidupkan dan mematikan katoda tanpa menggunakan terlalu banyak saluran GPIO.

Langkah 2: Konverter Step-up DC 12V ke 170V

Mari kita mulai dengan menciptakan tegangan yang diperlukan untuk membuat tabung bersinar. Untungnya tabung Nixie yang khas membutuhkan tegangan tinggi tetapi arus sangat rendah, yang berarti cukup mudah dan murah untuk membangun konverter semacam itu.

Hati-hati saat menggunakan rangkaian ini dan tegangan tinggi pada umumnya. Mereka bukan mainan dan mendapatkan sengatan sangat menyakitkan dalam kasus terbaik dan berpotensi membunuh Anda dalam kasus terburuk! Selalu matikan catu daya sebelum mengganti/menyervis sirkuit dan pastikan untuk menggunakan casing yang tepat, sehingga tidak ada yang menyentuhnya secara tidak sengaja saat digunakan!

Saya menggunakan sirkuit terintegrasi MC34063 yang terkenal untuk konverter step-up. IC kecil ini menggabungkan semua yang Anda butuhkan untuk semua jenis konverter switching. Namun, alih-alih menggunakan transistor built-in dari IC, saya memutuskan untuk menggunakan transistor eksternal, yang membantu menjaga IC tetap dingin dan juga memungkinkan saya untuk memiliki arus yang lebih tinggi pada output. Selain itu, karena sangat sulit untuk menemukan nilai yang tepat untuk semua komponen ini untuk mendapatkan output 170V, saya menyerah setelah beberapa hari perhitungan dan pengujian (Yang tertinggi yang saya dapatkan dari 12V adalah 100V) dan memutuskan untuk tidak menemukan kembali roda. Sebagai gantinya, saya membeli kit dari eBay, yang cukup banyak mengikuti skema dari lembar data ini dengan beberapa penyesuaian (Lihat gbr. 2.1. Saya juga menambahkan deskripsi ke gambar).

Langkah 3: Mengontrol Tabung Dengan Arduino

Jadi, seperti yang Anda lihat sebelumnya, tabung membutuhkan tegangan tinggi untuk menyala. “Jadi bagaimana Anda bisa menghidupkan dan mematikan tabung dengan mikrokontroler, seperti Arduino?”, Anda mungkin bertanya.

Ada beberapa jalur alternatif yang bisa Anda tempuh untuk mencapai tujuan tersebut. Misalnya, driver tabung Nixie khusus. Anda masih bisa mendapatkan stok lama baru dan IC bekas, tetapi mungkin sulit ditemukan dan harganya bisa mahal dan saya tidak berharap mereka akan lebih mudah ditemukan di masa depan, karena ini tidak lagi diproduksi.

Jadi saya tidak akan menggunakan driver tabung Nixie seperti itu. Sebagai gantinya, saya akan menggunakan transistor dan decoder biner ke desimal, sehingga saya tidak perlu menggunakan 10 baris GPIO per tabung nixie. Dengan dekoder ini, saya memerlukan 4 jalur GPIO per tabung dan satu jalur untuk memilih di antara dua tabung.

Selain itu, agar saya tidak perlu beralih antar tabung sepanjang waktu dengan frekuensi tinggi, saya akan menggunakan sandal jepit (yang akan membutuhkan satu saluran GPIO tambahan untuk mengatur ulang) untuk mempertahankan input terakhir selama diperlukan (Lihat Gambar 3.1, klik di sini untuk rangkaian kontrol penuh dalam resolusi tinggi).

Langkah 4: Pertimbangan Desain

Saat merancang sirkuit ini, saya menemukan decoder dengan R/S-Flip-Flops bawaan, yang masih diproduksi (misalnya CD4514BM96). Tapi sayangnya, saya tidak bisa mendapatkan ini dengan cepat karena waktu pengiriman adalah dua minggu dan saya tidak ingin menunggu selama itu. Jadi jika tujuan Anda adalah membuat PCB kecil (atau Anda ingin memiliki sejumlah kecil IC yang berbeda), maka Anda harus menggunakan chip seperti itu, daripada menggunakan Flip-Flop eksternal.

Ada juga varian terbalik dari decoder ini. Misalnya, CD4514BM965 adalah varian terbalik ke IC yang disebutkan di atas, di mana nomor yang dipilih akan rendah bukan tinggi, yang tidak, apa yang kita inginkan dalam kasus ini. Jadi perhatikan detail ini saat memesan suku cadang Anda. (Jangan khawatir: Daftar suku cadang lengkap akan disertakan nanti dalam Instruksi ini!)

Anda dapat menggunakan semua jenis transistor untuk array Anda, selama peringkatnya sesuai dengan tegangan dan arus yang ditarik tabung Anda. Ada juga IC transistor-array yang tersedia, tetapi sekali lagi, saya tidak dapat menemukan IC yang diberi peringkat di atas 100V atau yang tersedia dengan cepat.

Langkah 5: Array Transistor

Pada langkah 3 saya tidak menunjukkan susunan transistor untuk menjaga agar grafik tetap sederhana dan mudah dimengerti. Gambar 5.1 menunjukkan susunan transistor yang hilang secara rinci.

Seperti yang Anda lihat, setiap output digital dari decoder terhubung ke dasar transistor npn melalui resistor pembatas arus. Itu saja, sangat sederhana.

Pastikan saja, transistor yang Anda gunakan dapat menangani tegangan 170V dan arus 25mA. Untuk mengetahui, berapa nilai resistor dasar Anda, gunakan kalkulator yang ditautkan di akhir Instruksi ini di bawah "Bacaan lebih lanjut".

Langkah 6: Membaca Suhu

Anda mungkin pernah mendengar tentang DHT-11 (atau DHT-22) gabungan sensor suhu dan kelembaban (Lihat gbr. 6.1). Satu-satunya perbedaan antara sensor ini dan DHT-22 adalah akurasi dan rentang pengukuran. 22 memiliki jangkauan yang lebih tinggi dan akurasi yang lebih baik, tetapi untuk mengukur suhu ruangan, DHT-11 lebih dari cukup dan lebih murah, meskipun hanya dapat memberikan hasil integer.

Sensor membutuhkan tiga koneksi: VCC, GND dan satu jalur untuk komunikasi serial. Cukup sambungkan ke sumber tegangan dan sambungkan kabel tunggal untuk komunikasi ke pin GPIO Arduino. Datasheet menyarankan untuk menambahkan resistor pull-up antara com-line dan VCC, sehingga jalur komunikasi dalam keadaan tinggi, saat tidak digunakan (Lihat gambar 6.2).

Untungnya sudah ada perpustakaan untuk DHT-11 (dan banyak perpustakaan yang terdokumentasi dengan baik untuk DHT-22), yang akan menangani komunikasi antara Arduino dan sensor suhu. Jadi aplikasi pengujian untuk bagian ini cukup singkat:

Langkah 7: Selesaikan Sketsa Arduino

Jadi setelah pembacaan sensor dilakukan, langkah terakhir adalah mengambil informasi dari sensor dan menampilkan suhu dengan tabung Nixie.

Untuk menyalakan nomor tertentu pada tabung, Anda harus mengirimkan kode 4-bit ke dekoder, yang akan menghidupkan transistor yang benar. Selanjutnya, Anda juga perlu mengirimkan satu bit yang menunjukkan, yang mana dari dua tabung yang ingin Anda atur sekarang.

Saya memutuskan untuk menambahkan R/S-Latch tepat di depan setiap input decoder. Bagi Anda yang belum mengetahui cara kerja salah satu gerendel ini, berikut penjelasan singkatnya:

Ini pada dasarnya memungkinkan Anda untuk menyimpan satu bit informasi. Kaitnya dapat berupa SET dan RESET (karenanya diberi nama R/S-Latch, juga dikenal sebagai S/R-Latch atau R/S-Flip-Flop). Dengan mengaktifkan input SET dari kait, output Q diatur ke 1. Dengan mengaktifkan input RESET, Q menjadi 0. Jika kedua input tidak aktif, status Q sebelumnya dipertahankan. Jika kedua input diaktifkan pada saat yang sama, Anda memiliki masalah, karena gerendel dipaksa ke keadaan tidak stabil, yang pada dasarnya berarti bahwa perilakunya tidak dapat diprediksi, jadi hindari keadaan ini dengan cara apa pun.

Jadi untuk menampilkan angka 5 pada tabung Nixie pertama (kiri) dan angka 7 pada tabung Nixie kedua, Anda harus:

• RESET semua kait
• Aktifkan tabung kiri (Kirim 0 melalui EN-line)
• Atur input decoder (D, C, B dan A): 0101
• Atur D, C, B dan A ke 0, sehingga status terakhir dipertahankan (Ini tidak perlu dilakukan jika kedua tabung harus menampilkan nomor yang sama)
• Aktifkan tabung kanan
• Atur input decoder (D, C, B dan A): 0111
• Atur D, C, B, dan A ke 0, sehingga status terakhir dipertahankan

Untuk mematikan tabung, Anda dapat mengirimkan nilai yang tidak valid (seperti 10 atau 15). Dekoder kemudian akan mematikan semua output dan oleh karena itu tidak ada transistor yang tersedia yang akan diaktifkan dan tidak ada arus yang mengalir melalui tabung Nixie.

Anda dapat mengunduh seluruh firmware di sini

Langkah 8: Memesan PCB

Saya ingin menggabungkan semuanya (kecuali untuk rangkaian step-up) pada satu PCB, yang menurut saya ternyata cukup baik (Lihat gbr.(8.1).

Tujuan utama saya adalah menjaga ukuran PCB sekecil mungkin, tetapi tetap menyediakan ruang, di mana PCB dapat dipasang ke kasing. Saya juga ingin menggunakan komponen SMD, sehingga saya dapat meningkatkan teknik penyolderan saya dan mereka juga akan membantu menjaga PCB tetap tipis sehingga kasing khusus tidak harus besar dan besar (Lihat gbr. 8.2).

Karena penggunaan komponen SMD, sebagian besar koneksi harus dilakukan di sisi komponen. Saya mencoba menggunakan vias sesedikit mungkin. Lapisan bawah benar-benar hanya memiliki jalur GND, VCC dan +170V dan beberapa koneksi yang harus dibuat antara pin yang berbeda dari IC yang sama. Itu juga alasan mengapa saya menggunakan dua IC DIP-16 daripada varian SMD mereka.

Anda dapat mengunduh file desain PCB dan skema EAGLE di sini.

Karena ini adalah desain kecil dengan toleransi dan jejak yang sangat kecil, penting untuk menemukan produsen yang baik untuk PCB sehingga mereka akan menjadi bagus dan berfungsi dengan baik.

Saya memutuskan untuk memesannya di PCBWay dan saya sangat puas dengan produk yang mereka kirimkan kepada saya (Lihat gambar 8.3).

Anda bisa mendapatkan penawaran instan untuk prototipe Anda secara online tanpa perlu mendaftar. Jika Anda memutuskan untuk memesan: Mereka juga memiliki konverter online praktis yang akan mengonversi file EAGLE ke format gerber yang benar. Meskipun EAGLE memiliki konverter juga, saya sangat menyukai konverter online dari produsen, karena dengan cara ini Anda dapat 100% yakin, bahwa tidak akan ada masalah kompatibilitas dengan versi gerber.

Langkah 9: Pemecahan Masalah

Saat pertama kali menguji PCB saya yang baru disolder, tidak ada yang berhasil. Tabung tidak akan menampilkan apa pun (dekoder mencapai nilai > 9) atau angka acak akan tetap menyala terus-menerus atau menyala dan mati, yang terlihat bagus tetapi tidak diinginkan dalam kasus ini.

Pada awalnya, saya menyalahkan perangkat lunak. Jadi saya datang dengan penguji Nixie ini untuk Arduino (Lihat gambar 9.1).

Skrip ini memungkinkan Anda untuk memasukkan sejumlah pin GPIO (0-8) yang ingin Anda ubah statusnya. Kemudian meminta negara. Saat memasukkan pin nomor 9, kait disetel ulang.

Jadi saya melanjutkan pengujian saya dan membuat tabel kebenaran dengan semua kemungkinan input untuk A, B, C dan D. Saya perhatikan, bahwa angka 4, 5, 6 dan 7 tidak dapat ditampilkan dengan salah satu dari dua tabung. Selain itu, mereka akan bereaksi secara berbeda terhadap kombinasi input yang sama.

Saya pikir, pasti ada masalah listrik juga. Saya tidak dapat menemukan masalah teknis dalam desain, tetapi kemudian saya memikirkan sesuatu yang telah saya pelajari sejak lama (tetapi tidak pernah benar-benar memiliki masalah sejak saat itu): Fluks dapat bersifat konduktif. Ini mungkin tidak menjadi masalah untuk aplikasi digital dan tegangan rendah biasa, tetapi sepertinya itu adalah masalah di sini. Jadi saya membersihkan papan dengan alkohol dan setelah itu berperilaku baik.

Agak. Hal lain yang saya perhatikan: Bagian yang saya gunakan di EAGLE saat membuat tata letak PCB saya salah (setidaknya untuk tabung saya). Tabung saya tampaknya memiliki pinout yang berbeda.

Hanya beberapa hal yang perlu diingat ketika sirkuit Anda tidak langsung bekerja.

Langkah 10: Kasus Kustom

Setelah semuanya beres, saya ingin membuat casing yang bagus untuk menampung sirkuit saya. Untungnya saya memiliki banyak kayu yang tersisa dari proyek jam kata saya, yang ingin saya gunakan untuk membangun kisi-kisi di bagian dalam (Lihat gambar 10.1).

Saya membangun kasing menggunakan pengukuran berikut:

Kuantitas	Pengukuran [mm]	Keterangan
6	40x125x5	Sisi bawah, atas, depan dan belakang
2	40 x 70 x 5	Potongan samping kecil
2	10x70x10	Potongan struktural di bagian dalam (Lihat gambar 8).
2	10x70x5	Potongan struktural pada tutupnya (Lihat gbr. 11).

Setelah memotong potongan, saya meletakkannya bersama-sama untuk membuat kotak yang ditunjukkan pada gambar. 10.2.

Gambar 10.3 menunjukkan kasus dari sudut yang berbeda.

Bagian atas casing persis sama dengan bagian bawah, hanya tanpa dinding dan dengan bagian struktural yang kurang tinggi (lihat gbr. 10.4). Ini bertindak sebagai penutup dan dapat dilepas untuk memperbaiki komponen di bagian dalam. PCB akan dipasang ke tutup dengan dua tabung mencuat dari kasing.

Setelah saya puas dengan bagaimana semuanya cocok satu sama lain, saya hanya menempelkan semua bagian menjadi satu dan membiarkannya kering selama beberapa jam.

Anda mungkin bertanya-tanya, bagaimana saya memperbaiki PCB ke tutupnya ketika tidak ada sekrup yang terlihat di bagian atas. Saya hanya mengebor lubang untuk sekrup ke bagian struktural tutupnya dan kemudian membuat countersink untuk kepala sekrup masuk (lihat gbr. 10.5).

Langkah 11: Menyelesaikan Build

Setelah PCB utama dipasang ke tutupnya, semua komponen lainnya cukup ditempatkan di dalam casing, yang dapat dilihat pada gambar. 11.1.

Seperti yang Anda lihat, saya mencoba mengatur kabel sebaik mungkin dan menurut saya hasilnya cukup bagus. Semuanya cocok dengan kasing, seperti yang Anda lihat pada gambar. 11.2.

Saya juga menambahkan DC-Jack ke kasing (dan menjadi sedikit gila dengan lem panas di sana). Tetapi dengan cara ini dimungkinkan untuk menyalakan termometer dengan pengisi daya telepon umum dan kabel yang pas. Namun, Anda juga dapat menambahkan baterai 5V, jika Anda mau.

Langkah 12: Bagian yang Digunakan dalam Build Ini

Untuk elektronik:

Kuantitas	Produk	Harga	rincian
1	DHT-11	4, 19€	Dapat dari toko mahal. Anda bisa mendapatkan ini dengan harga kurang dari $1 dari China.
2	CD4028BM	0, 81€	Dekoder
2	74HCT00D	0, 48€	NAND
1	74HCT04D	0, 29€	Inverter
1	kepala peniti	0, 21€	2x5 pin
1	Terminal sekrup	0, 35€	2 koneksi
20	SMBTA42	0, 06€	npn-Transistor
20	SMD-Resistor	0, 10€	120K
2	74LS279N	1, 39€	R/S-Flip flop
1	PCB	4, 80€	Pesan Disini
2	IN-14 Nixies	2, 00€
1	Konverter step-up	6, 79€

Anda juga memerlukan semacam mikrokontroler. Saya menggunakan Arduino Pro Mikro.

Untuk kasus:

Kuantitas	Produk	Harga	rincian
N. A.	Kayu	~2€	Lihat di atas
4	Sekrup M3x16	0, 05€
4	kacang M3	0, 07€
1 botol	Lem kayu	1, 29€
1 kaleng	Cat kayu	5, 79€

Langkah 13: Kesimpulan

Saya sangat senang dengan hasil build ini. Kali ini saya berhasil memotong potongan kayu dengan tepat dan juga tidak lupa memasang lubang untuk PCB. Dan itu sebenarnya terlihat luar biasa juga (Lihat gambar 13.1).

Selain itu, menarik untuk bekerja dengan tabung dan tegangan tinggi secara umum dan ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan saat melakukannya.

Sebagai kesimpulan, saya akan mengatakan bahwa itu bagus, bahwa kami memiliki cara yang lebih nyaman untuk menampilkan angka hari ini tetapi di sisi lain tidak ada yang sebanding dengan cahaya dan tampilan keseluruhan tabung nixie, yang sangat saya sukai, terutama, saat gelap (Lihat gbr. 13.2).

Semoga Anda menyukai instruksi ini. Jika ya, pastikan untuk melihat situs web saya untuk artikel dan proyek yang lebih menarik!

Langkah 14: Atribusi, Sumber dan Bacaan Lebih Lanjut

Bacaan lebih lanjut Detail aplikasiMC34063 – ti.comMC4x063 Datasheet – ti.comNixie tube driver IC – tubehobby.comDHT-11 Pustaka Arduino – arduino.ccA Transistor sebagai sakelar - petervis.comTeori dasar resistor, rumus, dan kalkulator online - petervis.com

Sumber gambar[Gbr. 1.1] IN-14 Tabung Nixie, coldwarcreations.com[Gbr. 2.1] Sirkuit step-up, digambar sendiri tetapi diambil dari ebay.com[Gbr. 6.1] Sensor suhu DHT-11 – tinytronics.nl