IN-17 Nixie tube portable clock

這是我的第二個Nixie tube clock。
從上次製作到現在大概間隔一年多，自己的PCB設計應該從無到有一點點了，原本想說先弄一個新的IN-14 x 8 的時鐘，沒想到結果是當時去ebay順便買的IN-17先做好了。

Feature:     

1. Four IN-17 Nixie tube 
2. Base on Arduino Uno
3. Power by USB or built-in Li-poly with 2 hrs of battery life
4. Dock to Charge by contact 
5. Auto adjust to light             
6. With Wifi NTP time sync   (to be done)

Functions:

1. Clock
2. Timer
3. Stopwatch
4. Some animation

這次的設計的要點就是盡可能的小，所以你可以看到其實按鈕有點擠...
四支真空管也是有點擠,其實理由就是因為這寬度剛好5cm，大部分的PCB廠商都是以5cmx5cm為分界點,所以就盡量塞在5x5以內。

架構上分成主板和顯示板
顯示的方式用的是一個74141配上4個高壓開關電路，採掃描式,而掃描的部分交由一個Attiny24負責，將資料由i2C傳入,Attiny就會負責掃描。主要是因為我發現Attiny24便宜到個爆炸(10元)所以多十元減少一堆負擔就做了，上次在做IV-18的時候這問題有點煩，尤其是Arduino不好設定Timer的狀況。
而顯示板還有四個LED以及四個按鈕還有預留的光敏電阻可以用。

主板的架構上
由比較熟悉的Atmega328作主控，另外用CP2102做為uart轉Serial使用，還有DS3231M做RTC,另外將RTC的Clock輸出給MCU Sync，另外還有一個DRV2605震動馬達控制器。
電源的部分，切成三個Power domain分別是系統的3.3V、顯示板需要的5V、還有Nixie的180V
來源有USB的5V以及Li-poly 的3.7V。
滿複雜的....
這個的主板其實設計過兩次，前一次的設計原先採用的是系統電壓5V以及Nixie的180V，
但是這樣一來使用鋰電池的時候就需要先升壓,再降壓給一些IC使用。

另外就是這個可以邊用USB邊充電，電會自己找路線，用電池的時候Nixie升壓會從鋰電池直接供電，5V會由3.3V經過charge pump或是預留的切換式升壓電路上去。
用USB供電的時候，所有的電路都會使用USB供應，包含鋰電池充電還有Nixie升壓，而5V就不用經過升壓電路直接給。

這是使用USB供電的狀態

這是由電池供電的狀態
5V是升壓上來的

這是主板的照片

可以看到那個有點複雜的供電迴路、Atmega328、他的ISP孔、兩種5V升壓電路，最後是power switch以及NP-10 180V升壓版還有RTC IC，另外右下角還有一個震動馬達。

這裡可以看到預留的FM模組以及馬達控制器和震動馬達，電池座,CP2102最後就是兩種溫濕度計HDC1000 & SHT2X。
從電路圖的設計來看的話

我畫的非常糟糕,不過應該還是能看吧,這是核心部分的零件,可以看到Atmega328已經有很多Port被接出來了,大部分都用在LED與Button上面,我下次可能要改用電阻串聯的方式減少Button占用的GPIO數.LED都接再PWM的Pin上面,為了能夠調整亮度,然後左下角有一組USB轉UART的CP2012.而左上角則是有一個I2C的電平轉換電路,因為顯示板的電壓是5V.這也是一個下次如果要再做的修正點,其實Attiny不一定要和74141用5V.另外就是其中一個Analog打算拿來接光敏電阻的.

RTC就沒有甚麼好說的了,只是另外把SQW的clock輸出(要Pullup)

然後就是一團亂的Power,其中我預留了兩組升壓電路,右下角分別是Charge Pump以及切換式升壓.再來就是右上角的鋰電池充電模組,然後左邊就是供電切換的電路,以及左下角的3.3V LDO

FM目前是悲劇的狀態，因為天線沒有辦法拉太長，所以訊號有點糟糕,打算等LNA板子到來試試看狀況。還有就是改用FM Chip antenna 看看有沒有辦法改善，PAM的模組(放大器)已經有了，應該會加個小喇叭當FM收音機。

然後接下來就是IN-17真空管
這是蘇聯製最小的數字管,買不起太多最大的IN-18就改買這個來玩，價格和IN-14差不多
另外這些管也都是蘇聯的軍用管。

接下來就是子版

不過我做太趕忘記照子板的背面了，所以PO電路圖。

可以看到有Attiny24還有他的ISP以及一堆電晶體+LED+按鈕+74141

這次用74141主要的原因是第一個，我手上還有幾個，第二個就是體積的問題。

Nixie的驅動有兩類和很多種

1.掃描

   陽極: 高壓電晶體開關 or 高壓光電器 

   陰極: 74141 or 高壓電晶體 or ULN2003那種的搭配47V Zener 

2.靜態:

   一堆74141 or HV系列IC (HV513....等) or 一堆(比掃描式多幾倍的)高壓電晶體

這次採用的方案現在看來是有點耗電，主要是因為74141滿老的，不如現今的IC來的省電的多，而且限定要用5V，如果能夠採用HV系列的IC的話，應該能夠改進不少電路上的複雜程度(5V升壓電路就不用了)以及面積(SSOP等等)還有焊接，但是成本會多一些出來。

另外就是Attiny的ISP如果可以改用SMD版應該更能縮小體積。

這就是目前使用的solution,四組高壓開關 x 一個74141

至於code的部分(Code都在Github,需要copy的請左轉到那邊,我覺得用Sublime比較好看所以這邊Code用照片的)

Nixie在掃描的時候,需要先把前一個Nixie的陽極關掉,再切新的陰極設定,然後才能打開下一個的陽極,不然上一個Nixie的數字會影響到下一個,畫面就會霧霧的.

然後還有I2C slave的Code,我沒多做考慮把資料濃縮(畢竟只有0~10,實在是不需要一個int,但是也不想改了...)(10是關掉燈管,因為超出74141的範圍=>燈管關閉)

至於本體的Code....我還沒寫完所以留著等Update

還有一些側面照

當初應該多預留一點空間給模組的...

這次的另一個問題點在於兩張板子之間的連接方式，採用標準的2,54pin 厚度會太大，但是不採用的話卻難以維修，但是為了美觀還是直接焊接的方式，修改的空間在於改採1.27mm的pin，不僅面積上的縮減，也得以減少厚度，不知道升壓模組的變壓器塞不塞的下就是了。

顯示的東西這次除了基本的顯示時間以外，還有計時器、倒數、一些小動畫(波浪、亂數、依序)。

波浪

計時器

倒數計時

循序動畫

還有個溫濕度計的顯示,所以是22度C和67% RH ,但是溫溼度計會被慢慢加熱,大概會加熱到32度C,已經放在開關孔附近了竟然還會被影響到....

HDC1000的地方我layout的時候太靠近螺絲孔了,所以就上HTU21D

然後就是外殼設計，我認為我目前最缺的部分就是好的外殼了，第一個的時鐘就是缺少好看的外殼，還有方便安裝的設計。這次多虧黃傑幫我畫這個的外殼，基本上是個上開的盒子，然後側邊有開幾個USB，還有開關孔。

這樣一來就不容易碰到180V然後被電到了....這時候就順便提一下第一版發生的事情
原本第一版的設計系統電壓是5V，想說應該要監控電池電壓，就＂直接＂把電池接上Analog input,然後做完測試完之後，把5V開關關掉，然後就直接摸到180V輸出的路線
結果被電到才發現怎麼關不掉5V，結果才發現是Analog input 的鋰電池電壓從Atmega328內建的保護二極體倒灌回去VCC，然後升壓板就繼續工作了..現在想起來第一版的電源供應設計真的是很奇怪，開關應該接電池才對．不過第二版做完之後外殼還沒做完之前也是被電到了幾次．現在不要摸到真空管底下的接線應該都還好．

另外就是因為這個真空管的顯示方向是正上方，如果直接擺放的話其實不是很好看，所以還有做一個底座，另外就是原先有打算說把Qi的充電模組做進去底座+時鐘，但是想想用金屬接點就好，就像是Sony防水手機的充電接點差不多，這樣一來其實就夠方便，反正這個的充電電流不大(受限於200mah的鋰電池)應該是夠用，不過要先找到合適的接點先。

另外就是PCB+軟體我就丟Github了
https://github.com/will127534/IN-17-Portable-Clock

TODO:
1.FM搞定
2.加WIFI
3.充電接點

=========================UPDATE 2015/07/18

首先是來講一下FM,一句話就是FM耗電量太高,
在這個Project當中要加入FM需要三樣東西,FM模組,LNA,放大器

FM的天線畢竟用外接的會太醜,而數公尺的電線擠進去效果也非常差,天線的方面我後來改用SMD的版本,結果即使是用SMD天線,效果也是非常差,只好再加一個無線電的放大電路

效果就非常不錯了,但是喇叭還是需要一個驅動器,結果加上去之後測到耗電量
就發現這一組下來爆衝60mA,太高了,只好移除掉這功能

充電接點倒是進展不錯,利用第一次Layout的時候的底板當作彈簧針的基板
配合外殼挖孔並且在背後固定兩片黃銅片,最後接上USB電源的輸入那邊就結束了

只是說彈簧針的彈力還是需要些調整...

下次做的話可能就希望連同USB也能夠用彈簧針吧.


Wifi的話...因為耗電量,可能的方向改成BLE

TODO:
ADD BLE