ساعت نیکسی (Nixie Clock) با قابلیت تنظیم ولتاژ

تو این مرحله می‌خوام طراحی مدار و نحوه کارکردش رو برات باز کنم تا دقیقا بدونی چه اتفاقی تو این ساعت میفته. مدار ما به دو بخش اصلی تقسیم می‌شه. بخش اول مربوط به تغذیه ولتاژ بالاست. برای اینکه ساعت بتونه همه‌جا کار کنه، طراحیش طوری انجام شده که با ورودی ولتاژ بین 9 تا 35 ولت به‌خوبی راه‌اندازی بشه.

بهترین و بهینه‌ترین حالت برای مدار، استفاده از یه آداپتور 9 ولت DC (حداقل 500 میلی‌آمپر) هست تا قطعات داغ نکنن. اما اگه خواستی از ولتاژهای بالاتر مثلا 12 تا 35 ولت استفاده کنی، کافیه کلید تغییر ولتاژ روی مدار رو تو حالت مناسبش قرار بدی.

با چرخوندن پتانسیومتر روی برد، می‌تونی ولتاژ خروجی رو تنظیم کنی. برای روشن کردن لامپ‌های نیکسی IN-4 به ولتاژی حدود 190 ولت نیاز داریم. البته به لطف این پتانسیومتر، دستت بازه تا ولتاژ رو برای مدل‌های دیگه لامپ نیکسی هم شخصی‌سازی کنی.

بخش دوم مدار مربوط به کنترلرهای دیجیتاله. اینجا از یه میکروکنترلر ارزون و در دسترس مثل Atmega8 (یا مدل‌های 168 و 328) استفاده می‌کنیم. این قطعه به کمک درایور مخصوص و چند تا ترانزیستور ولتاژ بالا، ارقام روی لامپ رو کنترل می‌کنه. درایور استفاده شده هم مدل K155ID1 (معادل 74141N) هست که باعث می‌شه نیازی به کلی ترانزیستور اضافه نداشته باشیم.

این درایورها قطعات خیلی جالبی هستن، اما چون دیگه تولید نمی‌شن، پیدا کردنشون ممکنه کمی سخت باشه. دقیقا به همین خاطر تو این پروژه طوری برنامه‌نویسی کردیم که کل 6 لامپ فقط با یه دونه درایور کار کنن.

این تکنیک که بهش مالتی‌پلکسینگ (Multiplexing) می‌گن، تو خیلی از بردهای حرفه‌ای استفاده می‌شه. ما با بررسی سورس‌های مختلف، این روش رو پیاده کردیم تا با حداقل قطعات، بیشترین بازدهی رو بگیریم.

شماتیک نهایی این مدار رو با نرم‌افزارهای طراحی PCB کشیدیم. مدار رو به دو قسمت مجزا تقسیم کردیم تا هم درک بهتری ازش داشته باشی و هم موقع مونتاژ دچار سردرگمی نشی.

برای اینکه برد مدار چاپی تا حد امکان کوچیک و جمع‌وجور بشه، مسیرها رو به‌صورت دستی مسیریابی کردیم. همون‌طور که گفتم، ساعت از دو تا برد مجزا تشکیل شده: برد پایینی برای تغذیه و منطق، و برد بالایی برای اتصال لامپ‌ها.

از اونجایی که هر لامپ نیکسی ممکنه مقاومت خاص خودش رو نیاز داشته باشه، روی برد اصلی مقاومت‌های 10 کیلواهم در نظر گرفته شده و روی شیلد بالایی هم جای یه مقاومت اختصاصی برای هر لامپ وجود داره. اینطوری برد اصلیت کاملا یونیورسال می‌شه.

برای کالیبره کردن مدار، اول آداپتورت رو وصل کن. بعد مولتی‌متر رو روی حالت ولتاژ DC بذار و به پین‌های GND و پین تست 180 ولت+ وصل کن. حالا پتانسیومتر رو آروم بچرخون تا ولتاژ دقیقا روی 190 ولت تنظیم بشه. طرحی که اینجا می‌بینی، بهینه‌ترین حالت ممکنه که قطعات تو فشرده‌ترین حالت کنار هم قرار گرفتن تا راحت تو قاب جا بشن.

روی لایه راهنمای قطعات (Silkscreen) تمام اطلاعات لازم مثل اسم قطعه و پلاریته‌ها مشخص شده تا موقع لحیم‌کاری اصلا به مشکل نخوری. این لایه‌ها به‌صورت میرور (آینه‌ای) آماده شدن تا اگه خواستی با روش اتو اون‌ها رو روی برد چاپ کنی، همه‌چیز خوانا و درست دربیاد.

لیست قطعاتی که برای این ساعت نیاز داری یه مقدار طولانیه، چون با ترکیبی از مدارات دیجیتال و ولتاژ بالا سروکار داریم. سعی کن تک‌تک خازن‌ها، مقاومت‌ها، میکروکنترلر و قطعات اصلی رو دقیقا طبق شماتیک تهیه کنی تا یه نتیجه بی‌نقص بگیری.

کدی که تو این نسخه از ساعت استفاده می‌کنیم، به‌شدت بهینه‌سازی شده. با این کد تونستیم فقط با یه آیسی درایور، کل فرآیند روشن و خاموش شدن سریع اعداد رو مدیریت کنیم.

ما کد رو طوری تغییر دادیم که برای 6 رقم به‌خوبی کار کنه و نیازی به درایور دوم نداشته باشیم. تو متن کد یه متغیر به اسم زمان تاخیر (Delay) وجود داره که اگه حس کردی لامپ‌ها پرش دارن، می‌تونی دستکاریش کنی.

به طور پیش‌فرض، عدد 2 میلی‌ثانیه عالی کار می‌کنه. اگه این عدد رو روی 3 یا 4 تنظیم کنی ممکنه اعداد پرش (Flicker) داشته باشن، چون سرعت پردازش بین لامپ‌ها کند می‌شه.

برای پروگرام کردن میکروکنترلر هم می‌تونی از هر پروگرمر استانداردی مثل USBtinyISP یا حتی خود بردهای آردوینو استفاده کنی و کد رو روش بریزی.

خب بالاخره بخش تئوری تموم شد و وقتشه دست به کار بشیم! اول از همه سطح مس فیبر مدار چاپی رو با یه اسکاچ ظرفشویی و مایع حسابی بساب تا براق بشه.

بعد از شستن، خیلی مراقب باش که انگشتت به مس نخوره یا با حوله کثیف خشکش نکنی؛ چون برای چسبیدن تونر، سطح مس باید کاملا بدون چربی باشه.

حالا طرح چاپ‌شده روی کاغذ گلاسه رو بذار روی مس، با چسب کاغذی فیکسش کن و با اتوی داغ حسابی روش بکش. بعد از چند دقیقه که اتو کردی، فیبر رو بنداز تو ظرف آب گرم و با یه مسواک نرم کاغذها رو جدا کن.

کیفیت چاپ تو این مرحله خیلی به نوع کاغذی که استفاده می‌کنی بستگی داره. کاغذهای گلاسه نازک معمولا بهترین نتیجه رو برای روش اتو بهت می‌دن.

وقتی مطمئن شدی هیچ کاغذی بین مسیرها نمونده، با یه ماژیک پرمننت جاهایی که تونر پاک شده رو ترمیم کن. حالا فیبر رو بنداز تو محلول اسید (مثل کلرور فریک) و بذار بین 40 تا 50 دقیقه بمونه. حواست باشه که ظرف اسید رو باید هر چند دقیقه یک‌بار آروم تکون بدی تا مس‌های اضافی زودتر حل بشن. وقتی دیدی تمام مس‌های اضافی پاک شدن و فقط خطوط مدار باقی مونده، فیبر رو با آب فراوون بشور.

یادت نره که اسید مصرف‌شده رو تو طبیعت یا سینک رها نکنی و طبق اصول ایمنی دفعش کنی.

برای پاک کردن تونرهای روی مس، از سمباده نرم یا اسکاچ فلزی استفاده کن. اگه به سلامت اتصالات شک داری، حتما با مولتی‌متر مسیرها رو تست بوق بگیر.

در نهایت با یه مته 0.8 میلی‌متری، جای پایه‌های قطعات رو سوراخ کن.

برای ساخت شیلد بالایی لامپ‌ها هم دقیقا باید همین مراحل رو تکرار کنی. طرح رو انتقال بده، اسیدکاری کن و بعد از پاک کردن مس‌های اضافی، سوراخ‌کاری‌ها رو انجام بده. موقع سوراخ کردن پین‌های مربوط به پایه‌های لامپ خیلی دقت کن، چون فاصله‌شون کمه و نباید پدها از بین برن.

اگه دلت می‌خواد کارت کاملا حرفه‌ای باشه، می‌تونی طرح راهنمای قطعات رو هم با همون روش اتو روی سمت غیرمسی برد چاپ کنی. این کار سرعت لحیم‌کاریت رو به‌شدت بالا می‌بره.

هویه رو گرم کن و برو سراغ لحیم‌کاری. سوکت‌های پین‌دار لامپ، مقاومت‌ها و جامپرها رو روی شیلد لحیم کن. برای اتصال برد اصلی به شیلد هم باید از پین‌هدرها استفاده کنی که تو مرحله بعد بهت می‌گم چطور تمیز درش بیاری.

چون پین‌هدرهای نری قراره روی همون سمتی که مس قرار داره لحیم بشن، کار یه کم چالشیه. بهترین کار اینه که پین‌ها رو با فشار تو سوراخ‌ها قرار بدی و روی پدها لحیمشون کنی.

بعدش با یه دم‌باریک، اون نوار پلاستیکی مشکی روی پین‌ها رو بکش بیرون، برعکسش کن و دوباره فشارش بده تا دقیقا روی لحیم‌ها قرار بگیره. اینطوری یه ظاهر بی‌نقص و تمیز خواهی داشت.

ظاهر این ساعت به‌شدت به قابی که براش انتخاب می‌کنی وابسته است. پیدا کردن یه باکس چوبی با رگه‌های طبیعی که ابعادش با برد مدارت همخوانی داشته باشه، یه هنر واقعیه. اگه بتونی یه تکه چوب خام و نامتقارن پیدا کنی، تضادش با نور مدرن و شیشه‌ای لامپ‌های نیکسی بی‌نظیر می‌شه.

برای لامپ‌های IN-4 باید سوراخ‌هایی با قطر حدود 3 سانتی‌متر روی چوب دربیاری. جای دقیق سوراخ‌ها رو با خط‌کش و سمبه مشخص کن و با استفاده از یه دریل ستونی و مته گردبر، اون‌ها رو سوراخ کن. سعی کن مته رو زیاد داغ نکنی تا لبه‌های چوب نسوزه.

یه ترفند خیلی مهم موقع دریل کاری چوب: برای اینکه سمت داخلی چوب موقع خروج مته لب‌پر نشه، حتما یه تکه چوب باطله رو از داخل با گیره محکم کن و بعد دریل بزن. این کار باعث می‌شه سوراخ‌ها کاملا تمیز دربیان.

بعد از سوراخ‌کاری، شیلد مدار رو داخل قاب قرار بده. اگه لبه‌های برد کمی به دیواره‌ها گیر می‌کرد، با یه مغار یا سوهان کوچیک، گوشه‌های داخلی چوب رو بتراش تا پین‌های سوکت کاملا وسط سوراخ‌ها قرار بگیرن.

برای اینکه جا زدن لامپ‌ها راحت‌تر بشه، یه بار قبل از بستن مدار، تمام لامپ‌ها رو تو سوکت‌ها جا بزن و دربیار. اگه دیدی پین‌های سوکت کج شدن، با یه دم‌باریک اون‌ها رو کاملا تراز و صاف کن.

قبل از اینکه همه‌چیز رو سرهم کنی و پیچ‌ها رو ببندی، یه تست نهایی از مدار بگیر. آداپتور رو وصل کن... اگه اعداد بدون مشکل و با نور جذابشون روشن شدن، خستگیت در میره! حالا می‌تونی بری سراغ مونتاژ نهایی.

شیلد رو داخل قاب بذار و لامپ‌ها رو آروم از بالا داخل سوکت‌ها فشار بده. حواست باشه پایه‌های لامپ کج نشن. حالا برد اصلی رو به پین‌های شیلد متصل کن.

این طراحی دو تکه بودن مدار خیلی بهت کمک می‌کنه تا اگه خواستی تو آینده لامپ‌ها رو عوض کنی، نیازی به تعویض کل مدار نداشته باشی.

برای اینکه ساعت بهتر روی میز قرار بگیره و هوا هم از زیرش رد بشه، می‌تونی براش پایه درست کنی. مثلا می‌تونی از چند تا پیچ که روشون لاستیک ضربه‌گیر چسبوندی استفاده کنی. با یه مته نازک سوراخ‌های پایه رو دربیار تا چوب ترک نخوره.

استفاده از پایه‌های پیچی این مزیت رو داره که می‌تونی با چرخوندنشون، ساعت رو روی میز کاملا تراز کنی تا لق نزنه. این فضای ایجاد شده زیر ساعت بهت اجازه می‌ده که کابل آداپتور رو خیلی تمیز از زیر قاب رد کنی و پشت ساعت پنهانش کنی.

+1

لطفا اصلا ولتاژ بالای این مدار رو شوخی نگیر! برای جلوگیری از برق‌گرفتگی، حتما یه درپوش برای زیر ساعت بساز. می‌تونی از یه ورقه نازک چوبی استفاده کنی و شکل قاب رو روش دربیاری.

جای کلید تغذیه و دکمه‌های تنظیم زمان رو روی این درپوش سوراخ کن. می‌تونی درپوش رو با کمی روغن یا واکس چوب هم‌رنگ بدنه اصلی کنی تا ظاهرش یه دست و شیک بشه.

اگه دکمه‌های فشاری که لحیم کردی خیلی کوتاه هستن و از درپوش زیر بیرون نمی‌زنن، نیازی نیست عوضشون کنی. کافیه یه تکه پلاستیک استوانه‌ای رو با چسب قطره‌ای محکم به سر دکمه‌ها بچسبونی تا طولشون بیشتر بشه و کاربر راحت بتونه زمان رو تنظیم کنه.

تبریک می‌گم، ساعت نیکسی تو آماده است! اگه داخل قاب فضای خالی داری، حتی می‌تونی یه پک باتری بهش اضافه کنی تا بدون نیاز به برق هم روشن بمونه. البته طراحی ماژول شارژ باتری داستان خودش رو داره که می‌تونی تو ارتقاهای بعدی به این پروژه اضافه‌اش کنی.

+4

لامپ‌های نیکسی IN-4 زاویه دید خاصی دارن. اگه ساعت رو پایین‌تر از سطح چشم بذاری، خوندن اعداد کمی سخت می‌شه. بهترین جا برای این ساعت، روی یه قفسه دیواری یا میز تلویزیونه که دقیقا تو راستای دیدت باشه. اینجوری عمق سه‌بعدی اعداد رو به بهترین شکل ممکن می‌بینی.

ساخت این ساعت تازه شروع ماجراست! می‌تونی امکانات خیلی خفن‌تری رو بهش اضافه کنی. تو لیست پایین چند تا ایده برات دارم تا ساعتت رو جذاب‌تر کنی.

یادت نره که اگه این پروژه رو ساختی، حتما تو اپلیکیشن آیسی‌مدار برامون عکسش رو بفرست تا بقیه هم از ایده‌هات الگو بگیرن. امیدوارم از این ساختنی حسابی لذت برده باشی!

1. اضافه کردن ماژول زمان‌سنج (RTC) تا با قطع شدن برق، زمان دقیق بمونه.
2. برنامه‌نویسی یه روتین ضد مسمومیت کاتد (Cathode Poisoning) برای بالا بردن عمر مفید لامپ‌ها.
3. اضافه کردن سنسور مجاورت یا صدا تا ساعت فقط وقتی کسی نزدیکشه روشن بشه و عمر لامپ‌ها هدر نره.
4. استفاده از یه اسپیکر یا بازر کوچیک برای اضافه کردن قابلیت ساعت زنگ‌دار (Alarm).
5. جایگزین کردن دکمه‌های فشاری با یه روتاری انکودر برای تنظیم روان‌تر و سریع‌تر ساعت.
6. از بین بردن گره‌های طبیعی چوب روی قاب که شبیه دکمه به نظر میان!
7. اضافه کردن یه باتری 9 ولت داخلی برای روشن موندن مدار در زمان قطعی برق.
8. طراحی یه درپوش محافظ برای زیر مدار که خیالت از بابت برق‌گرفتگی راحت باشه.
9. تست کردن کدهای افکت‌دار مثل افکت Crossfade برای تغییر نرم اعداد روی لامپ‌ها.
10. پولیش کردن و واکس زدن لبه‌های داخلی سوراخ‌های چوب برای زیبایی بیشتر.
11. بررسی کدهای Blanking Intervals برای جلوگیری از سایه افتادن اعداد تو روش مالتی‌پلکسینگ.
12. اضافه کردن یه کلید سه حالته برای تعریف حالت خواب (Sleep Mode) تا فقط نمایشگرها خاموش بشن اما زمان در حال شمارش بمونه.