โปรเจกต์ นาฬิกา IV-22 VFD ทำเอง!

ที่มา:

หลายคนคงทราบดีว่าเรื่องพวกนี้มักจะเป็นอย่างไร: คุณเริ่มจากการทำ Nixie Clock และจบลงด้วยชั้นที่เต็มไปด้วยนาฬิกาหลอดโซเวียต! นั่นคือสิ่งที่เกิดขึ้นกับผมเช่นกัน: ในขณะที่กำลังค้นคว้าเกี่ยวกับ Nixie Tubes ผมก็ได้รู้จักกับ VFD ซึ่งเป็นเทคโนโลยีจอแสดงผลที่เข้ามาแทนที่ Nixie ในตอนนั้นผมรู้ทันทีว่าโปรเจกต์ต่อไปของผมจะเป็นอะไร ไม่เหมือนกับ Nixie ผมโตพอที่จะจำได้ว่าจอแสดงผลแบบ Segment สีฟ้าไซแอนที่สว่างสดใสเหล่านี้มีอยู่ทุกที่ ตั้งแต่ในรถยนต์ไปจนถึงระบบเครื่องเสียง Hi-Fi สมัยที่ผมยังเป็นเด็ก นอกจากเรื่องความถวิลหาอดีตแล้ว กลิ่นอายที่ขัดแย้งกันระหว่างความย้อนยุคแต่ดูล้ำสมัยของพวกมันนั้นดึงดูดใจผมมาก ดังนั้นมันต้องเป็น VFD แล้วล่ะ!

ในฐานะมือสมัครเล่นด้านอิเล็กทรอนิกส์และเรียนรู้ด้วยตัวเองทั้งหมด ผมพยายามทำให้ทุกโปรเจกต์ใหม่เป็นการก้าวไปข้างหน้าจากโปรเจกต์ก่อนหน้า Nixie Clock ของผมทำบน Perfboard โดยใช้ Arduino Mega และ Power Supplies แบบสำเร็จรูป (หากคุณสนใจจะลองดู นี่คือลิงก์ครับ: https://create.arduino.cc/projecthub/deathorion/diy-nixie-clock-on-perfboard-7c47d1?ref=search&ref_id=perfboard%20nixie%20clock&offset=0 )

ดังนั้น สำหรับนาฬิกา VFD ผมจึงตัดสินใจออกแบบ PCB และ Power Supplies ของตัวเอง โชคดีที่มีเครื่องมือออกแบบ PCB ฟรีมากมาย และมีบริการหลายอย่างที่สามารถผลิต PCB ของคุณได้ในราคาถูก ผมใช้ EasyEDA ในการออกแบบ ซึ่งใช้งานง่ายและฟรีจริงๆ

ผมเลือกใช้หลอด VFD รุ่น IV-22 เพราะครั้งนี้ผมต้องการใช้รูปทรงที่แตกต่างจากหลอด Nixie รุ่น IN-14 ที่ผมใช้ในนาฬิกาเรือนก่อนหน้า ในกรณีที่คุณสนใจ คุณสามารถหาหลอด Nixie ในรูปทรงแบบ IV-22 ได้ ซึ่งเรียกว่า IN-12 แน่นอนว่าพวกมันใช้แทนกันไม่ได้เพราะทำงานต่างกันโดยสิ้นเชิง แต่ตัวหลอดมีรูปร่างและขนาดที่ใกล้เคียงกันมาก หลอดประเภทเหล่านี้ไม่มีการผลิตแล้ว แต่สามารถหาซื้อได้ทางออนไลน์ (ส่วนใหญ่ใน eBay) ทั้งแบบใช้แล้วหรือแบบที่ยังไม่เคยใช้งานจากสต็อกเก่า - ซึ่งมักจะเรียกว่า NOS (New-Old Stock)

การออกแบบ:

ปัจจัยหลักบางประการที่เป็นตัวกำหนดการตัดสินใจในการออกแบบ:

• ผมต้องการให้ส่วนประกอบเป็นแบบ Through-hole เพื่อให้ผมสามารถบัดกรีเองได้โดยไม่มีปัญหา ซึ่งมันไม่ง่ายเลยเพราะทุกวันนี้ Chip ส่วนใหญ่ถูกผลิตในแพ็กเกจแบบ Surface Mount มีหลายครั้งที่ผมเจอ Chip ที่เหมาะกับงานมากแต่เป็นแพ็กเกจที่ผมรู้ว่าจะต้องบัดกรีเองได้ยากแน่ๆ ผมเลยข้ามมันไป มีส่วนประกอบสองอย่างที่ผมหาแบบ Through-hole ที่เทียบเท่ากันไม่ได้ เลยต้องใช้แบบ Surface Mount แทน โชคดีที่ทั้งคู่มี Pins ไม่กี่ตัว
• ผมต้องการให้ทำได้ในราคาที่ค่อนข้างถูกเพราะผมจะทำมันหลายเครื่อง ไม่ใช่แค่เครื่องเดียว เนื่องจากหลอดเป็นส่วนประกอบที่แพงที่สุดของนาฬิกา ผมจึงตัดสินใจใช้เพียงสี่หลอดและข้ามการแสดงผล "วินาที" ของเวลาไป
• เพื่อลดต้นทุนและขนาด ผมจำเป็นต้องใช้ VFD Driver Chip เพียงตัวเดียว ดังนั้นผมจึงต้อง Multiplex หลอดเข้าด้วยกัน Multiplexing เป็นเทคนิคในการส่งสัญญาณไปยังหลายๆ หลอดโดยใช้การเชื่อมต่อสัญญาณเดียวกัน เคล็ดลับคือหลอดจะถูกเปิดและปิดสลับกันเพื่อแสดงตัวเลขที่ถูกต้อง และการสลับนั้นรวดเร็วมากจนตาของมนุษย์สังเกตไม่เห็น ในกรณีของผม หลอดที่ 1 และ 2 ใช้การเชื่อมต่อสัญญาณเดียวกัน เช่นเดียวกับหลอดที่ 3 และ 4 ดังนั้นเมื่อหลอดที่ 1 แสดงตัวเลขที่เจาะจง หลอดที่ 2 จะปิดและในทางกลับกัน - คุณคงพอจะเห็นภาพแล้ว
• เนื่องจากโปรเจกต์ก่อนหน้านี้ทั้งหมดของผม (ทั้งสามโปรเจกต์...) ทำโดยใช้ Arduino ผมจึงต้องการเขียนโปรแกรมนี้โดยใช้ Arduino IDE ที่ผมคุ้นเคยอยู่แล้ว ดังนั้นจึงตัดสินใจเลือกใช้ Microcontroller ของ Arduino Uno ยอดนิยมอย่าง ATMEGA328P ด้วยวิธีนี้ ในแง่ของ Software มันจะเหมือนกับการเขียนโปรแกรม Arduino Uno
• เมื่อ Firmware เสร็จแล้ว ก็ไม่จำเป็นต้อง Upload Code ลงใน Microcontroller บ่อยๆ ผมจึงตัดสินใจข้ามส่วน UART ของ Hardware Arduino ปกติ และมีเพียง Header สำหรับเชื่อมต่อ Board FTDI และสื่อสารผ่านสิ่งนั้นกับ Arduino IDE

แล้วคุณอาจจะถามว่า Upload Code อย่างไร? จริงๆ แล้วมันง่ายมากครับ: คุณเชื่อมต่อ Board FTDI เข้ากับ Port USB ของคอมพิวเตอร์ และต่อ Pins RXD, TXD, DTR และ GND ของ FTDI เข้ากับ Pins ที่ตรงกันของนาฬิกาซึ่งต้องเสียบไฟอยู่ ใน Arduino IDE ให้เลือก Tools-> Board:-> "Arduino Uno" เขียน Code ของคุณเหมือนที่ทำกับ Arduino Uno และกด Upload แค่จำไว้ว่าเพื่อให้สิ่งนี้ทำงานได้ Microcontroller ATMEGA328P ต้องได้รับการโหลด Bootloader ของ Arduino Uno มาก่อน คุณสามารถทำได้ด้วยตัวเอง(มีคู่มือออนไลน์มากมาย)หรือจะซื้อChipที่โหลดBootloaderมาให้แล้วก็ได้

คุณสมบัติ:

นาฬิกามีคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

• การแสดงผลเวลา แน่นอนว่าทั้งในรูปแบบ 24 และ 12 ชั่วโมง พร้อมเครื่องหมาย Colon กะพริบ และตัวบ่งชี้ am/pm

• การรักษาเวลาที่แม่นยำและมีแบตเตอรี่เพื่อรักษาเวลาเมื่อปิดเครื่อง

• แสดงอุณหภูมิและความชื้นในห้อง

• ไฟ RGB LED Backlight ที่หลอด พร้อมเอฟเฟกต์สีที่แตกต่างกัน 5 แบบ

• Sensor ตรวจจับแสงและการหรี่แสงอัตโนมัติของหลอดและ LED ตามแสงสว่างในห้อง

• ปุ่มสี่ปุ่มซึ่งสามารถควบคุมสิ่งต่อไปนี้:

• - ตั้งเวลา

• - สลับโหมด (12 ชั่วโมง, 24 ชั่วโมง, แสดงอุณหภูมิและความชื้นเป็นระยะ, แสดงอุณหภูมิและความชื้นอย่างเดียว)

• - เปลี่ยนเอฟเฟกต์สี LED

• - เปิดและปิด LED

• กินไฟน้อยกว่า 500mAmps ดังนั้นคุณสามารถจ่ายไฟได้แม้กระทั่งจาก Port USB ของคอมพิวเตอร์

• ระบบป้องกันแรงดันเกิน (Overvoltage protection)

• ระบบป้องกันกระแสเกิน (Overcurrent protection)

• ระบบป้องกันไฟฟ้าสถิต (ESD - Electrostatic discharge protection)

• เข้าถึงได้ง่ายสำหรับการซ่อมแซม

ผมยังวางแผนที่จะเพิ่มคุณสมบัติต่อไปนี้ใน Firmware:

• Routine ที่จะปิดหลอดและ LED ในตอนกลางคืนเมื่อไม่มีแสงในห้องเพื่อประหยัดพลังงานและยืดอายุการใช้งาน

• บันทึกการตั้งค่าลงใน EEPROM เพื่อเก็บค่าไว้หลังจาก Reset หรือไฟดับ

• Startup routine เมื่อคุณเสียบปลั๊ก เพื่อให้คุณเห็นว่าทุกอย่างทำงานได้ปกติ (และเพื่อความเท่)

บทเรียนที่ได้รับ:

การออกแบบ PCB แผ่นแรกของผมไม่ได้ยากอย่างที่คิดในตอนแรก Software นั้นฟรี และบริการที่มีให้ออนไลน์สำหรับการพิมพ์แบบที่คุณออกแบบก็มีมากมายและราคาค่อนข้างถูก ผมสั่งทำ 5 ชุด (จำนวนขั้นต่ำ) ของ PCB แต่ละแผ่นจาก JLCPCB ในราคารวมประมาณ 25 ยูโร รวมค่าจัดส่งแล้ว

สำหรับสิ่งที่ควรทำและไม่ควรทำในการออกแบบ PCB แบบสองชั้น มีบทความและฟอรัมมากมายบนออนไลน์ (โดยเฉพาะ electronics.stackexchange.com นั้นยอดเยี่ยมมาก) ที่สามารถช่วยคุณได้ นอกจากนี้ อย่าลืมว่า Data Sheets ของส่วนประกอบที่คุณเลือกคือเพื่อนที่ดีที่สุดของคุณ