Androidowy zegar Nixie (1)

Na tle innych, podobnych urządzeń, opisywany zegarek wyróżnia się brakiem przycisków mechanicznych, ponieważ sterowanie odbywa się za pomocą aplikacji dla systemu Android oraz laserowego czujnika zbliżeniowego. Wykorzystanie smartfona z dużym czytelnym wyświetlaczem jest o wiele wygodniejsze niż obsługa za pomocą przycisków mechanicznych oraz ładnego, aczkolwiek mało funkcjonalnego, wyświetlacza Nixie. Dodatkowo zyskujemy źródło czasu pochodzącego z sieci GSM, który będzie służył do synchronizacji zegara. Czujnik laserowy stanowi uzupełnienie interfejsu i umożliwia szybki dostęp do funkcji, takich jak wyświetlanie daty, godziny alarmu oraz zapewnia szybkie wyłączenie budzika. Rezygnacja z fizycznych przycisków daje możliwość wykonania estetycznej obudowy z pleksi lub szkła, pozbawionej otworów w widocznych miejscach. Zastosowanie skompensowanego generatora sygnału zegarowego 32 kHz umożliwia uzyskanie dobrej dokładności zegara, nawet przy niezbyt częstej synchronizacji z telefonem.

W urządzeniu zastosowano najpopularniejsze i najłatwiej dostępne w kraju lampy LC-513 produkcji zakładów Unitra Dolam o wielkości cyfr 15,5 mm. Lampy i podstawki są stosunkowo łatwo dostępne na aukcjach internetowych, więc każdy zainteresowany może wykonać zegar we własnym zakresie. Średnia trwałość lamp LC-513 jest określona na około 100 tys. godzin. Dodatkowe funkcje, takie jak: automatyczne dostosowanie poziomu jasności do warunków oświetleniowych, możliwość zaprogramowania przedziału godzin w cyklu dobowym (wtedy wyświetlacz może być wyłączony) i funkcja odtruwania katod, pozytywnie wpływają na trwałość wyświetlacza.

Budowa urządzenia

Zegar zbudowano w oparciu o dwie płytki drukowane: płytę główną zawierającą mikrokontroler oraz większość innych układów oraz płytę wyświetlacza z układem sterującym. Całością steruje mikrokontroler STM32F103R8T6 (U5) w obudowie TQFP64, zawierający 64 kB pamięci Flash oraz 20 kB pamięci RAM. Wybór tego układu był podyktowany jego niską ceną oraz wewnętrznym zegarem RTC, który jest 32-bitowym licznikiem zwiększającym zawartość co 1 sekundę. Dzięki takiemu rozwiązaniu układ RTC pozwala odmierzać czas systemowy bezpośrednio w formacie UTS (Unix Time Stamp). Niestety, późniejsze wersje układów rodziny STM32 mają typowy zegar RTC zliczający w BCD, co zdaniem autora jest krokiem wstecz. Rdzeń mikrokontrolera jest taktowany wewnętrznym generatorem RC (8 MHz), natomiast licznik RTC jest taktowany za pomocą dodatkowego sygnału o częstotliwości 32 kHz, dostarczanego z generatora DS32KHZ (U1), który jest skompensowanym temperaturowo generatorem kwarcowym zapewniającym maksymalną odchyłkę czasu 1 minutę na rok oraz charakteryzującym się poborem prądu rzędu 1 µA.

Do linii portu szeregowego UART3_TX, RX dołączono popularny moduł Bluetooth HC-05, który zapewnia komunikację ze światem zewnętrznym. Moduł ten jest konwerterem protokołu Bluetooth RFCOMM na RS232, który od strony mikrokontrolera może być sterowany za pomocą komend AT.

Do linii PB6 i PB7 stanowiących linie SDA, i SCL układu peryferyjnego I2C1 dołączono laserowy czujnik odległości VL6180x odpowiedzialny za wykrywanie gestów. Do portu PB5 dołączono sygnał przerwania GPIO0 czujnika, który jest używany do sygnalizowania zdarzeń generowanych przez czujnik, dzięki czemu nie ma konieczności ciągłego odpytywania układu.

Linia PB8, stanowiąca wyjście 3 sygnału PWM TIM3, za pomocą filtru dolnoprzepustowego złożonego z rezystora R8 i kondensatora C15 jest dołączona do wejścia wzmacniacza audio TS4490ID (U6). Wzmacniacz ten pracuje w układzie mostkowym w klasie AB i przy zasilaniu 5 V dostarcza sygnał o mocy 1 W przy obciążeniu 8 Ω.

Linię PB1 dołączono do linii STBY wzmacniacza, umożliwiając redukcję poboru prądu przez układ wzmacniacza do około 10 nA w stanie nieaktywności. Wyjście wzmacniacza dołączono do niewielkiego głośniczka LD-SP-U30/8A, który jest odpowiedzialny za generowanie dźwięku alarmów. Dzięki zastosowaniu trybu PWM do generowania audio możemy w pamięci Flash mikrokontrolera zapisać bardziej „przyjazne” dla ucha dźwięki niż przy zastosowaniu typowego buzzera.

Zasilacz niskiego napięcia zrealizowano z użyciem stabilizatorów liniowych. Układ 78L05 (U4) dostarcza napięcie +5 V potrzebne do zasilania wzmacniacza audio, natomiast układ SPX1117-3.3 jest odpowiedzialny za dostarczanie napięcia +3,3 V stanowiącego zasilanie mikrokontrolera. Do linii zasilającej VBAT mikrokontrolera, oraz generatora DS32KHZ dołączono zasilanie z baterii litowej CR2032 (B1), zapewniając podtrzymanie zliczania czasu po zaniku napięcia sieciowego. Blok zasilacza wysokonapięciowego dostarczającego napięcie +165 V, do zasilania lamp LC513, zrealizowano w topologii boost z zastosowaniem kontrolera MAX1171 (U1). Układ ten charakteryzuje się pracą z częstotliwością 300 kHz, zapewnia dużą sprawność przetwarzania (rzędu 90%) oraz bardzo mały pobór prądu rzędu 300 µA w stanie bez obciążenia. Zawiera także zintegrowany sterownik zewnętrznego tranzystora N-MOSFET znacznie zmniejszający liczbę potrzebnych elementów zewnętrznych. Wyjście EXT steruje tranzystorem IRFB9N30A (Q1) o rezystancji kanału 0,45 Ω, napięciu wstecznym 300 V i prądzie przewodzonym 9 A. Cewka L1, dioda D1 i tranzystor Q1 stanowią fragment przetwornicy w topologii boost. Pętlę sprzężenia zwrotnego zrealizowano za pomocą rezystorów R1 i R3, natomiast napięcie wyjściowe jest filtrowane za pomocą kondensatora 680 nF/450 V (C5). Linie PA0-15, PB13-15, PC0-12, PD0-1 są używane do sterowania lampami Nixie. Za pomocą drabinek rezystorowych zostały dołączone do złączy JP1 i JP2, których użyto do połączenia płyty kontrolera z płytką wyświetlacza.

Na płytce wyświetlacza zamontowano układ TSL238T (U1) będący czujnikiem natężenia światła, który zapewnia automatyczny dobór jasności świecenia cyfr. Układ ten dostarcza sygnał wyjściowy o częstotliwości proporcjonalnej do natężenia oświetlenia, który poprzez złącze JP3 jest podawany na wejście PB0 mikrokontrolera. Choć czujnik laserowy ma zintegrowany czujnik światła dziennego, celowo zastosowano osobny czujnik umieszczony na froncie po to, aby mierzył poziom światła padający bezpośrednio na wyświetlacze. Za sterowanie elektrodami Nixie są odpowiedzialne tranzystory bipolarne NPN typu MMBTA42 o maksymalnym napięciu wstecznym 300 V i prądzie przewodzenia do 100 mA. Wyświetlacze umieszczono w specjalnych podstawkach dla lamp LC513. Pomiędzy lampami L3, L4 a L5, L6 znajdują się dwie neonówki DS1 i DS2 umieszczona jedna nad drugą. Służą one do wyświetlania dwukropka pomiędzy minutami i godzinami.