Displays met Nixie-buizen zijn vooral bekend van meetapparaten en elektronische rekenmachines uit de jaren 1960 en 1970. Deze How-To laat zien hoe je de buisjes met cultstatus kunt gebruiken om een klok te bouwen met een geïntegreerde temperatuurweergave.
Het project
Geschikt voor: toegewijde elektronicahobbyisten met Arduino-kennis
Kosten: (incl. buizen, douane- en verzendkosten) ca. 100.- Euro
Benodigde tijd:
- PCB assemblage: 2 uur
- PCB productie: 1 uur
- Software-installatie: 1 uur
Wat heb je nodig:
- de onderdelen uit dit reichelt winkelmandje
- ook: 4 IN-12b displaybuizen, K155ID1 decimale decoder
Gereedschap: soldeerbout, schroevendraaier, zijkniptang, apparatuur voor printplaatproductie (belichter, etsmachine), printplaatboormachine
Werken met hoge spanningen
De weergavetechnologie met Nixiebuizen vereist een anodespanning van 170 V DC om de buizen te laten ontbranden. Dit ligt ver buiten de specificatie van veilige spanningen – met andere woorden, potentieel levensbedreigend.
Er is een galvanische scheiding met het 230 V lichtnet, maar als je de hoogspanningsgenerator aanraakt die op het scherm is geplaatst en twee hoogspanningspunten opvangt, zul je dit duidelijk voelen.
Wees daarom voorzichtig bij het aanraken van de printplaat. Na het uitschakelen van de klok staat er nog ongeveer 2 minuten een spanning van meer dan 60 V op de componenten. Laat de printplaat gedurende deze tijd met rust. Als je de printplaat moet doormeten, geldt de oude regel van de elektricien: “Eén hand op het te meten object en de andere hand in je broekzak!”. Dit voorkomt dat er stroom door het lichaam loopt. Wees dus voorzichtig als je aan het display board werkt.
Hoe tijd, datum en temperatuur worden verkregen
Het project is ontstaan door de steeds slechtere DCF-ontvangst: Het grote aantal WLAN-apparaten in huis en in de buurt maakt de ontvangst van het langegolfsignaal op 77,5 kHz steeds gevoeliger voor storingen. Dus waarom nemen we niet een van de stoorzenders en gebruiken we zijn tijdsinformatie om de klok te bedienen? Het resultaat is een klok die naast de tijd ook de datum en kamertemperatuur weergeeft.
De leverancier voor tijd en datum is een willekeurige NTP-server op het internet. Een ESP8266-module (WEMOS D1 Mini) maakt de verbinding met het internet en stuurt tegelijkertijd de Nixie-buisjes aan. De temperatuur wordt gemeten met een DS18B20 sensor.
Voeding voor de Nixie klok
De beschrijving van de schakeling begint met de voeding: omdat de Nixiebuizen een vrij hoge voedingsspanning van 170 V nodig hebben, is het niet mogelijk om een standaard voeding te gebruiken. Als spanningsbron wordt een 12 V plug-in voeding gebruikt, die wordt belast met 300 mA. De 5 V voor de TTL-logica wordt opgewekt met een normale serieregelaar. Een step-up converter zet de 12V van de plug-in voeding om in 170 V / 20 mA voor de Nixie-buizen.
Let op! Net als voorheen moet je voorzichtig zijn met de voedingsspanning. Omdat de stroom zo laag is, is er geen direct levensgevaar. Toch zorgt de 170 V ervoor dat je de schok echt kunt voelen.
De step-up converter is een potentiële bron van HF-interferentie: het kan gebeuren dat de WEMOS D1 Mini interfereert met de blokgolfsignalen van de converter. Daarom zijn de converter op het displayboard en de WEMOS D1 Mini op aparte printen geplaatst. Beide printen zijn in een sandwich op elkaar gemonteerd. De gelijkrichter aan de ingang van de voeding dient als beveiliging tegen polariteitsomkering, omdat de kabels van de insteekvoedingen niet altijd op dezelfde manier zijn aangesloten.
Displaykaart
Ik heb de gemakkelijk verkrijgbare IN-12b gebruikt als displaybuis. De TTL BCD-naar-decimaal decoder SN74141 is al lang niet meer verkrijgbaar en wordt zelden gevonden op Ebay. Er is echter een Russische vervanger, de K155ID1, die ook op Ebay.com te vinden is. Wees voorzichtig met de prijzen van de buizen, want deze zijn exclusief invoerrechten en invoerbelasting. Als je echter bang bent voor directe import uit het Oosten, kun je de twee componenten ook vinden bij Duitse buizenhandelaren.
Omdat de WEMOS D1 Mini maar een paar uitgangspoorten heeft – 20 poorten zou nodig zijn – heb ik gekozen voor seriële aansturing van de Nixie decoders. Drie schuifregisters van het type 74HC164 zetten de seriële informatie om in parallelle BCD-informatie. Voor elke schrijfoperatie worden in totaal 24 bits uitgevoerd. Omdat de ARDUINO-omgeving echter alleen seriële uitvoer met 8 bits ondersteunt, moest de software dienovereenkomstig worden aangepast. Drie poorten waren voldoende om de displaykaart aan te sturen; de hoogspanningsgenerator bevindt zich ook op de displaykaart. De anodespanning van 170 V kan nauwkeurig worden ingesteld met een multi-turn potentiometer.
De IN-12b moet in een socket worden geplaatst en mag nooit direct worden vastgesoldeerd. De originele bussen voor de IN-12b passen op de printplaat. Hoewel deze eigenlijk niet bedoeld zijn voor printmontage, maar voor vrije bedrading, kunnen ze met aangepaste gaatjes in de print worden aangebracht. Ik heb de nokjes voor de bevestiging van de sockets afgezaagd, zodat de printplaat niet te veel groeit.
Processorbord
Hoewel het processorbord te groot is, is het precies even groot als het displaybord, zodat beide borden netjes op elkaar passen. Ik heb de vrije ruimte gebruikt voor een experimenteel paneel, omdat er nog drie vrije poorten zijn (1x analoog, 2x digitaal) die naar behoefte kunnen worden gebruikt.
Toen ik de schakeling ontwierp, dacht ik dat ik de schuifregisters direct zou kunnen aansturen met de WEMOS D1 mini. Helaas was het uitgangsniveau van de WLAN-module te laag ingesteld, waardoor de schuifregisters willekeurige resultaten gaven wanneer ze werden aangestuurd met de 3,3V van de WEMOS D1 mini. Dit probleem werd opgelost met een Schmitt trigger IC: De CD 40106 bevat zes Schmitt trigger inverters, die de signalen in echte TTL signalen veranderden. Twee van deze werden altijd in serie geschakeld om te voorkomen dat de signalen in geïnverteerde vorm bij de schuifregisters aankwamen.
Er zijn twee LED’s, twee knoppen en de DS18B20 sensor aan de onderkant van het bord. Een van de knoppen dient als resetknop en de tweede wordt gebruikt om de software naar de WLAN-configuratiemodus te schakelen. De configuratiemodus wordt aangegeven door een LED. De tweede LED geeft aan dat de klok met succes is geregistreerd op het WLAN.
Het WEMOS-bord is uitgerust met een blauwe LED die niet kan worden uitgeschakeld en altijd knippert als er gegevens naar de schuifregisters zijn overgebracht. Om irritatie te voorkomen, kan de LED eenvoudig van het bord worden verwijderd.
Software
De software van de Nixie klok is volledig geprogrammeerd in de ARDUINO omgeving, zelfs de bibliotheken zijn overgenomen. Vanwege hun kwaliteit was het noodzakelijk om tijdens de softwareontwikkeling goed te letten op mogelijke foutbronnen en deze te documenteren met links. De koppelingen maakten het mogelijk dat de klok in de eerste plaats correct functioneerde.
Om fouten in de individuele bibliotheken te voorkomen, moesten ze dienovereenkomstig worden geherprogrammeerd, zodat een bibliotheek die de datum niet berekende moest worden gebruikt om contact te maken met de NTP-server, terwijl een andere bibliotheek die geen contact kon maken met de NTP-server moest worden gebruikt om de datum te berekenen.
Belangrijk om te weten: De NTP-servers geven geen absolute datum- of tijdinformatie. Ze tonen alleen het aantal seconden dat is verstreken sinds 01 januari 1970 – de zogenaamde UNIX-tijd (UTC). De juiste datum en tijd moeten hieruit berekend worden.
Maar omdat zomer- en wintertijd onbekend zijn met UTC en schrikkeljaren ook onjuist worden berekend, moeten deze factoren ook worden meegenomen door middel van de juiste programmering.
Een ander probleem was de temperatuursensor, waarvan de bibliotheek de standaard Do/While-lus van de ARDUINO-omgeving niet leek te tolereren. Wat volgde waren twee nulwaardemetingen met complete systeemcrashes als gevolg. De potentiële herbouwer wordt deze ervaringen bespaard, want in de loop van deze How-To werden alle fouten gevonden en omzeild, zodat de software nu zou moeten werken met de bibliotheken die in de broncode zijn gedocumenteerd. De volledige versie van deze software wordt geleverd als software:
De Nixie-klok bedienen
Hoe bedien je de Nixie-klok? Om de UTC-tijd te kunnen ontvangen, moet de klok verbonden zijn met internet. Dit betekent dat er verbinding moet worden gemaakt met een draadloze router. Om dit te doen, moet het klok de SSID en het wachtwoord van het gewenste Wi-Fi-netwerk kennen.
Hiervoor is een apparaat (pc, tablet of smartphone) nodig dat al met het netwerk is verbonden: wanneer de klok is ingeschakeld, moet de eerder genoemde Config-knop ingedrukt worden gehouden om de webserver in de klok te starten. Als u de WLAN-instellingen van het eindapparaat opent, vindt u dezelfde webserver met zijn WLAN-toegangspunt.
Als u het klok selecteert, wordt u om een wachtwoord gevraagd. Dit is te vinden in regel (86) van de broncode van de software: wifiManager.autoConnect(“Nixie-Uhr”, “Nixie-IN12b”); Eerst komt de wifi-naam van het klok en dan het wachtwoord. Dit veld moet minimaal 8 tekens lang zijn.
Nadat u het juiste wachtwoord hebt ingevoerd en op de knop “Volgende” hebt gedrukt, wordt het apparaat gekoppeld aan het klok. De standaardwebbrowser van het apparaat wordt gestart en er wordt een configuratiepagina weergegeven. Er mag echter geen andere browser geopend zijn tijdens deze actie, anders kan de configuratiepagina niet worden weergegeven.
Als u op “WiFi configureren” klikt, wordt de volledige WLAN-omgeving gescand en worden alle gevonden netwerken weergegeven.
Vervolgens hoeft u alleen nog maar het juiste netwerk te selecteren en op te slaan door het wachtwoord in te voeren en op ‘opslaan’ te klikken. Het klok logt vervolgens in op het wifi-netwerk. Als deze actie succesvol is, zal de rode WLAN-LED continu branden. Wees niet verbaasd als de webserver van het klok stopt: de eerder actieve wifi-verbinding wordt opnieuw opgestart. Dit proces duurt maximaal een minuut. Pas daarna worden de eerste gegevens op het klok weergegeven.
Hiermee is de Nixie-klok compleet. Maar voor degenen die niet van een klok zonder kast kunnen genieten, zijn er uiteraard ook mogelijkheden om hun chronometer een aantrekkelijk thuis te geven.
