描述

介紹

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

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

我非常接近我 100 美元的成本目標。我在零件清單的評論中列出了價格。他們總共110美元！

我們在這個項目中使用 MKR WiFi 1010，因為它具有內置 WiFi 和內置 RTC（實時時鐘）。它提供了一個自設置時鐘，可以從互聯網上獲取時間。我們將在軟件中更多地討論這一點。

設計與施工

我們需要從明顯的警告開始，即數碼管在 170 伏特下運行，因此在使用這些電路時需要小心，因為它們會給您帶來嚴重的沖擊！

為 6 個數碼管供電的最簡單方法是給它們各自的 BCD 轉十進制陰極驅動器（SN74141 或俄羅斯等效的 K155ID1）。這樣 170 伏陽極可以連續供電，我們不需要打開和關閉高壓。但是，這涉及大量布線，每個 SN74141 都需要 4 個 Arduino 引腳作為輸入。MKR WiFi 1010 沒有足夠的引腳，因此需要移位寄存器或其他東西來控制所有 SN74141。

為了讓我的時鐘相對簡單，我決定通過單個 SN74141 復用所有的數碼管。它簡化了接線，因為所有數碼管的陰極引腳都可以連接在一起，即所有 6 個數碼管引腳 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 個作為 SN74141 的輸入和 6 個來選擇合適的數碼管。（實際上，還需要一個來控制閃爍的冒號。）

然而，我們為這種簡單性付出了一些復雜的代價。在軟件中，我們需要一個定時中斷程序來處理數碼管的不斷刷新——稍后會詳細介紹。在硬件方面，我們需要能夠通過打開和關閉高壓來打開和關閉數碼管。

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上面的電路是我用來打開和關閉 Nixies 的電路。兩個晶體管和三個電阻構成每個 Nixie 的高壓驅動器。通過這種安排，我們可以直接從我們的 Arduino 控制進入 Nixie 陽極的 170 伏電壓。Arduino 本身從來沒有看到任何高電壓，因為 Arduino 引腳基本上通過 NPN 晶體管的基極-發射極結接地（即基極永遠不會超過結的 0.7 伏正向壓降高于地面）。

如果您熟悉數碼管，您可能想知道為什么我使用低值 1200 歐姆電阻連接到數碼管的陽極。當 Nixie 開啟時，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，遠高于推薦的 2 毫安。但由于我們正在多路復用這些 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。

誠然，我們需要六個這樣的高壓驅動器，所以它確實增加了一些復雜性，但它仍然比我們需要的沒有多路復用的硬件安排更簡單。

我還希望我的時鐘在小時和分鐘之間以及分鐘和秒之間包括閃爍的冒號。我通過添加通過第七個高壓驅動器控制的 4 個霓虹燈來實現這一點。

高壓板包含所有 7 個高壓驅動器。

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在這個設計中我并不為之瘋狂的一件事是需要 3 種不同的電源。當然，我們需要兩個——一個用于處理器，一個用于 170 伏的 Nixie 陽極。MKR WiFi 1010 規定了 5 伏的電源要求，但板載調節可以處理更高的電壓。用于 170 伏的 DC-DC 升壓電源規定最小輸入電壓為 8 伏。

起初我計劃使用 9 伏電源作為 Arduino 和升壓轉換器的輸入，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 DC-DC 降壓電源來為 Arduino 供電。所以我最終得到了三個用品！

兩個 DC-DC 轉換器都可通過板載電位器調整寬范圍的電壓輸出。您需要在它們上面放一個儀表并將它們設置為適當的電壓 - Arduino 為 5 伏，數碼管為 170 伏。

一個 DC-DC 降壓 (5 v)、一個 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盒子里并加載我的時鐘軟件之前，我決定我需要檢查各種硬件，以確保我的數碼管工作正常，并且我可以在 6 個數碼管和帶有高壓的霓虹燈中進行選擇司機。所以我寫了一個小測試程序，我已經包含在軟件中。下面是測試的樣子：

我以為我為我的時鐘制作了足夠大的 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 多路復用并將大多數引線連接在一起，它仍然產生了真正的“老鼠窩”電線。如果我要重新設計這個時鐘，我會在 Nixie 之間進行點對點接線，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，時鐘軟件本身與我之前的教程中描述的相同：自設置超精確時鐘。在本教程中，我們將添加數碼管作為顯示器。MKR WiFi 1010 具有內置 WiFi 和內置 RTC（實時時鐘）。與 MKR 1010 一起使用的 WiFiNina 庫具有獲取 NTP（網絡時間協議）時間的能力。并且 RTCZero 庫可以使用 NTP 時間來設置內置的 RTC。結果是一個時鐘可以自行設置并且在幾毫秒內精確到只使用 WiFi 和處理器本身！

要使用我的軟件，您需要獲取 WiFiNina 和 RTCZero 庫——它們都可以直接從 Arduino Library Manager 安裝。您還需要使用您的 WiFi 憑據、與 GMT 的時區偏移量來配置用戶設置，并指定您是要顯示 12 小時制還是 24 小時制。軟件開機自動獲取時間，每小時從網上重新獲取一次，超準！

我們的主循環從 RTC 獲取時間并更正時區和首選時間格式（24 或 12 小時）。它使時間保持最新，并準備以小時、分鐘和秒顯示。它還將小時、分鐘和秒解析為單獨的數字，這些數字將顯示在我們的 6 個數碼管中的每一個上。它打開冒號大約每秒 1/2 的時間，因此它們每秒閃爍一次。冒號亮度使用 PWM 進行控制，只需設置為大致匹配 Nixies 的亮度。

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