Nixietube-Armbanduhr - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

Letztes Jahr habe ich mich von Nixitube-Uhren inspirieren lassen. Ich finde das Aussehen der Nixietubes so schön. Ich habe mir überlegt, dies in einer stylischen Uhr mit smarten Funktionalitäten umzusetzen.

Schritt 1: Vierrohr-Prototyp

Ich begann damit, die elektronischen Schaltpläne für eine Vierrohruhr zu erstellen. Als Elektronikstudent habe ich die Elektronik über mehrere Monate entwickelt.

Zuerst muss ein Netzteil entworfen werden. Ich begann mit dem Kauf eines vorgefertigten 170-V-Schaltnetzteils aus dem Internet, da ich nicht wusste, wie man ein Netzteil entwickelt, das 4,2 V DC von einer Batterie in 170 V DC für die Röhren umwandeln kann. Das vorgefertigte Netzteil war zu 86 % effizient.

Nachdem ich das Netzteil erhalten hatte, begann ich zu recherchieren, wie man die Nixietubes steuern kann. Die Nixietubes, die ich bekommen habe, waren übliche Anodenröhren, was bedeutet, dass die Röhre glüht, wenn Sie 170 V DC an die Anode und GND an die Kathode legen. Um den durch die Röhre fließenden Strom zu begrenzen, muss vor der Anode ein Widerstand platziert werden. Dadurch wird der Strom auf 1 mA pro Röhre begrenzt. Um die verschiedenen Ziffern zu steuern. Ich habe Hochspannungsschieberegister verwendet. Diese ICs können von jedem Mikrocontroller gesteuert werden.

Da ich ein großer Fan von IoT (Internet of Things) bin. Ich habe mich für ein ESP32-Modul entschieden und wollte die aktuelle Uhrzeit über WLAN aus dem Internet abrufen. Schließlich synchronisierte ich eine RTC (Real Time Clock) mit der Internetzeit. So spare ich Energie und habe auch ohne Internetzugang immer die Zeit zur Hand.

Ich dachte über Möglichkeiten nach, die Zeit zu überprüfen, und kam auf die Verwendung eines Beschleunigungsmessers, mit dem ich die Bewegung meines Handgelenks verfolgte. Wenn ich mein Handgelenk drehe, damit ich die Zeit ablesen kann. Die Uhr wird ausgelöst und mir angezeigt.

Ich habe auch drei berührungsaktivierte Tasten implementiert, damit ich ein einfaches Menü erstellen konnte, in dem ich verschiedene Funktionen einstellen konnte.

Zwei RGB-LEDs mussten den Röhren ein schönes Rückenlicht verleihen.

Ich habe auch überlegt, wie man den Akku aufladen kann. Daher habe ich es mir ausgedacht, es mit einem drahtlosen QI-Lademodul aufzuladen. Dieses Modul gab mir 5V Ausgang. Dieses an eine Ladeschaltung angeschlossene Modul ermöglichte es mir, den kleinen 300 mAh-Akku aufzuladen.

Als das elektronische Design fertig war und alle Subschaltungen getestet waren, begann ich mit dem Entwerfen der Leiterplatte (Printed Circuit Board). Ich machte Mock-ups mit Papier und den Teilen (Bild 1). Die Messung der Breite, Höhe und Länge jedes Bauteils war ein mühsamer Prozess. Nach wochenlangem Entwerfen und Auslegen der Leiterplatte wurden sie bestellt und an mich versandt. (Bild 2).

Bei jedem Schritt hatte ich Testprogramme für jeden Teil der Uhr erstellt. Auf diese Weise konnte die endgültige Software einfach zusammen kopiert werden.

Das Löten jedes Bauteils konnte beginnen und dauerte etwa einen Tag.

Testen und Zusammenbauen der ganzen Uhr (Bild 3, 4, 5, 6, 7) Es hat funktioniert.

Ich habe ein Gehäuse für die Uhr in 3D gedruckt und schließlich festgestellt, dass die Uhr zu groß ist. Also beschloss ich, eine neue zu kreieren und machte aus der Vierrohruhr einen Prototyp.

Schritt 2: Das neue Design

Da ich die Vierrohruhr zu groß fand, begann ich, das Elektronikdesign zu verkleinern. Erstens, indem nur zwei statt vier Röhren verwendet werden. Zweitens, indem ich kleinere Komponenten verwende und meinen eigenen 170-V-Aufwärtswandler von Grund auf neu herstelle. Durch die eigene Implementierung der ESP32 MCU (Micro Controller Unit) anstelle eines Moduls wurde das Design auch viel kleiner.

Mit 3D-Design-Computersoftware (Bild 1) habe ich ein Gehäuse entworfen und alle elektrischen Komponenten sauber eingebaut. Durch die Aufteilung der Elektronik in drei Platinen konnte ich den Platz im Gehäuse effizienter nutzen.

Neue Elektronik wo entworfen:

-Ein neuer, energieeffizienterer Beschleunigungsmesser ausgewählt.

-Die Touch-Tasten wurden für einen Multipositionsschalter geändert.

-Benutzte eine neue Ladeschaltung.

-Das kabellose Laden für das Aufladen über USB geändert, weil ich ein Aluminiumgehäuse wollte.

-Verwendet einen Low-Power-Prozessor, um noch mehr Energie zu sparen.

-Eine neue Hintergrund-LED ausgewählt.

-Verwendet einen Batterieanzeige-IC, um den Batteriestand zu verfolgen.

Schritt 3: Zusammenbau der Elektronik

Nach monatelanger Entwicklung konnte die neue Uhr auch zusammengebaut werden. Ich benutzte einige Werkzeuge, die in meiner Schule verfügbar waren, um die Tiny-Pitch-ICs zu löten (Bild 4). Dies dauerte mehrere Tage, da ich auf einige Probleme gestoßen bin, aber schließlich habe ich die Elektronik zum Laufen gebracht (Bild 5).

Schritt 4: Entwerfen des Gehäuses

Ich habe das Gehäuse parallel zum Design der Elektronik entworfen. Jedes Mal in einer 3D-Computersoftware prüfen, ob jede Komponente passt. Vor dem CNC-Fräsen (Computer Numerical Control) des Gehäuses wurde ein 3D-gedruckter Prototyp hergestellt, um sicherzustellen, dass alles passt. (Bild 1, 2)

Nachdem das Gehäusedesign fertig war und die Elektronik funktionierte, begann ich zu recherchieren, wie CNC-Maschinen programmiert werden müssen (Bild 3). Ein Freund von mir, der sich mit CNC-Fräsen auskennt, hat mir bei der Programmierung der CNC-Maschine geholfen. So konnte das Fräsen beginnen. (Bild 4)

Nachdem das Fräsen abgeschlossen war, beendete ich das Gehäuse, indem ich Löcher bohrte und das Gehäuse polierte. Alles hat auf Anhieb gepasst. (Bild 5, 6, 7)

Ich hatte einen Riegel für ein Acrylfenster entworfen. Aber der Riegel wurde aus Versehen weggefräst. Mit einem Laserschneider habe ich ein Fenster aus Acryl geschnitten, das auf die Oberseite der Uhr geklebt wurde (Bild 9).

Schritt 5: Die Software und App

Der Controller auf der Uhr schläft grundsätzlich die ganze Zeit, um Strom zu sparen. Ein Low-Power-Prozessor liest den Beschleunigungsmesser alle paar Millisekunden, um zu überprüfen, ob mein Handgelenk gedreht ist. Erst wenn es gedreht wird, weckt es den Hauptprozessor auf und holt sich die Uhrzeit von der RTC und zeigt die Stunden und dann kurz die Minuten auf den Röhren an.

Der Hauptprozessor prüft auch den Ladevorgang, er prüft eingehende Bluetooth-Verbindungen, er prüft den Zustand der Eingabetaste und reagiert entsprechend.

Wenn der Benutzer nicht mehr mit der Uhr interagiert, geht der Hauptprozessor wieder in den Ruhezustand.

Im Rahmen meines Studiums mussten wir eine App erstellen. Also dachte ich daran, die App für die Nixie-Uhr zu erstellen. Die App wurde in xamarin aus der Microsoft-Sprache C# geschrieben.

Leider musste ich die App auf Niederländisch erstellen. Aber im Grunde gibt es einen Verbindungsreiter, der die gefundenen Nixie-Uhren anzeigt (Bild 1). Danach werden die Einstellungen von der Uhr heruntergeladen. Diese Einstellungen werden auf der Uhr gespeichert. Eine Registerkarte zum manuellen oder automatischen Synchronisieren der Uhrzeit durch Abrufen der Uhrzeit von Ihrem Smartphone (Bild 2). Eine Registerkarte zum Ändern der Einstellungen der Uhr (Abbildung 5). Und zu guter Letzt ein Status-Tab, der den Batteriestatus anzeigt. (Bild 6)

Schritt 6: Funktionen und Eindruck

Die Uhr verfügt über:

- Zwei kleine Nixie-Röhren vom Typ z5900m.

- Genaue Echtzeituhr.

- Berechnungen ergaben, dass 350 Stunden Standby-Zeit problemlos erreichbar waren.

- Bluetooth zum Steuern der Einstellungen und Einstellen der Uhrzeit der Uhr sowie zum Anzeigen des Batteriestatus.

- Einige Bluetooth-Einstellungen umfassen: Animation Ein/Aus, Manuelle oder Beschleunigungssensor-Triggerung von Röhren, Hintergrund-LED Ein/Aus. Programmierbare Taste zum Anzeigen der Temperatur des Batterieprozentsatzes.

- Beschleunigungsmesser zum Auslösen der Röhren beim Drehen des Handgelenks

- 300-mAh-Akku.

- RGB-LED für mehrere Zwecke.

- Batterie-Gasanzeige-IC zur genauen Überwachung des Batteriezustands.

- Micro-USB zum Aufladen des Akkus.

- Eine Mehrrichtungstaste zum Auslösen, Bluetooth-Verbindung und eine programmierbare Taste zum Ablesen der Temperatur oder des Batteriestatus, Einstellen der Uhrzeit manuell.

- CNC gefrästes Gehäuse aus Aluminium.

- Acrylfenster zum Schutz

- Bluetooth-Telefonanwendung.

- Optionale Zeitsynchronisation über WLAN.

- Optionaler Vibrationsmotor zur Anzeige von Smartphone-Benachrichtigungen wie WhatsApp, Facebook, Snapchat, SMS…

- Zuerst werden die Stunden, dann die Minuten angezeigt.

Die Software für die MCU auf der Uhr ist in C++, C und Assembler geschrieben.

Die Software für die App ist in xamarin C# geschrieben.

Erster Preis beim Wearables-Wettbewerb