10) Diseño de Reloj con tubos Nixie Mini. Reloj Retro IN0012

Introducción al Proyecto Reloj IN0012

              Este proyecto se trata de diseñar y construir un Reloj Retro Vintage con tubos Nixie miniatura tipo IN0012 como el de la figura:

Fig.10.1 Reloj Retro Nixie Mini

En este caso la construcción será desde cero (en el ZM1022 se aprovechaba una placa existente con su circuiteria TTL existente) 

Algunos de los componentes para este proyecto los vemos en las siguientes figuras:

Fig.10.2 Componentes principales del Reloj Retro Nixie Mini  IN0012

En la Fig.10.2 se pueden ver de izquierda a derecha, las válvulas o tubos nixie miniatura tipo IN0012 ó IN-12 de fabricación Rusa ya dispuestas en la plaqueta prototipo; luego la fuente de alimentación de 200V para las Nixies similar a la usada en el proyecto ZM1022; el uC de 8 bits de rango medio con su cristal de cuarzo; el regulador de 5V tipo 7805; tres circuitos integrados tipo SN74164 y seis integrados tipo SN74141; los diez zócalos para integrados y por último la fuente de alimentación de 12VCC.

Fig.10.3 Tubos Nixie Mini IN-12 y zócalos dispuestos en la placa prototipo

Características del tubo Nixie Mini IN0012 ó IN-12

Fig.10.4 Características y prueba de los Tubos Nixie Mini IN-12

En el proyecto anterior con tubos nixies ZM1022 hay una detallada explicación de estos tubos display y su funcionamiento. En este caso se trata de tubos similares modelo IN0012 ó IN-12 que es uno de lo mas pequeños que ha fabricado. Sus características y prueba de encendido pueden verse en la Fig. 10.5

Diagrama en bloques del circuito de Display del Reloj IN0012 

Fig.10.5 Diagrama en bloques parcial del Reloj

En el diagrama de la Fig.10.5  pueden verse arriba las seis Nixies IN0012 que corresponderán en pares, a la indicación de Horas, Minutos y Segundos del Reloj, y también podrán mostrar Dia, Mes y Año como ya se sugirió.
Como se ve, cada Nixie recibe en su Ánodo la alimentación de 200VDC a través de una resistencia limitadora de 30 Kohms. Los Cátodos de los tubos son manejados como ya se analizó en el Reloj ZM1022, por integrados decodificadores/drivers tipo SN74141 cuyas características ya fueron vistas.
La variante en este diseño es que utiliza tres registros de desplazamiento o conversores serie/paralelo para almacenar los códigos BCD de los dígitos a mostrar. 

Aqui se muestra un ejemplo de hora 23:47:19 como se indica en color rojo y la secuencia de carga de registros de entrada serial y salidas en paralelo.

Estos registros son tipo SN74164 y sus características son:

                 

Fig.10.6 Registro de Desplazamiento - Conversor Serie/Paralelo SN74164

El SN74164 posee ocho celdas o Flip-Flops que almacenan un bit cada uno en un arreglo serie o cascada, sus salidas independientes Q0-Q7 están disponibles en paralelo . La información o bits que ingresa por sus entradas A y B se va desplazando de izquierda a derecha pulsada por la señal de Clock, así con ocho pulsos de Clock los bits que ingresan en serie son almacenados y se presentan en las ocho salidas Q0-Q7, quedando fijos cuando la señal de Clock queda inactiva luego de los ocho pulsos. 
El integrado también posee una entrada de Clear para poner a Cero (Low o GND) todos los bits almacenados y sus salidas correspondientes.

En el diagrama 10.6 se ven los tres SN74164  dispuestos en cascada, necesarios para almacenar los 24 (6x4) bits necesarios para decodificar los seis dígitos BCD y mostrarlos en el display. 
Las entradas de Datos (bits) son AA y BB y el Clock es CC en cada integrado. Como indica la secuencia de carga de registros de la figura 10.6, los Datos (bits) entran en serie desde la izquierda y son desplazados por los 24 pulsos de Clock hasta quedar almacenados y en la posición correcta correspondiente a los dígitos a mostrar. 
Incluso adecuando los tiempos de la secuencia de carga, se puede lograr el efecto visual de que los números entran por la izquierda y van "caminando" por el display hasta quedar en la posición correcta.
Como se ve, este diseño minimiza el uso de señales (pines) del uC ya que todo el display se maneja con solo tres señales (Datos, Clock y Clear si se requiere) a diferencia del proyecto ZM1022 que utilizaba diez señales (pines).
En la Fig. 10.4 pueden verse ya dispuestos en la placa prototipo, los seis zócalos de los drivers SN74141 alineados en vertical con su correspondiente tubo Nixie, luego en horizontal se disponen los tres registros SN74164 y por ultimo se dispone el zócalo del uC 


Asignación de entradas/salidas (pines) en el uC y su interface con el módulo NEO

Fig.10.7 Diagrama de asignación de pines e interfase con el módulo GPS

En este proyecto nuevamente usaremos un uC de rango medio, de 8 bits, que posee dos puertas de entradas/salidas de 8 bits (RA y RB) que bastarán para cumplir  los requerimientos de este diseño. En la Fig. 10.7 se muestra la asignación de patas (pines) adoptada en el uC y el circuito de interface con la placa de test (breakout board) del módulo NEO-M8N.
El criterio de asignación de puertas I/O aquí adoptado será el siguiente:

       Puerta A (RA0-RA7)
       Pin       Nombre     Función
       RA0     Red            Serán las tres señales 
       RA1     Green        de colores Rojo, Verde y Azul
       RA2     Blue           de los LEDs de Back Light (Luz de fondo de la Nixies)
       RA3     Azul           Led Indicador AZUL de Segundos, parpadeará cada  1 Seg.
       RA4                        No utilizada
       RA5     Reset          Reset o reinicio del Controlador
       RA6     Osc1           Conexiones del cristal de cuarzo de 8 MHz generador 
       RA7     Osc2           de sincronismo ó base de tiempo del Reloj

       Puerta B (RB0-RB7)
       Pin       Nombre     Función
       RB0     Rojo           Led Indicador ROJO de errores              
       RB1     Rxd            Recepción de Datos desde el módulo NEO

       RB2     Txd            Transmisión de Datos hacia el módulo NEO
       RB3     Clear          Clear o puesta a cero de los Registros de Desplazamiento
       RB4     Clock         Clock o pulsos de almacenamiento en los Registros            
       RB5     Datos         Datos o bits seriales a almacenar en los Registros
       RB6     PGC          Señales de Clock y Datos de la Programación del uC
       RB7     PGD          (In Circuit Serial Programing)

Es de notar que el módulo NEO-M8N se alimenta con 3,3 Voltios desde un regulador de tensión que se provee en su plaqueta de test, la que que se ve en la figura 10.7 junto con su antena activa integrada.

Entonces para realizar la interfase entre las señales de datos seriales  Txd y Rxd del módulo (3,3V) y el uC (5V) se usa un integrado CD40106 (sextuple inversor Schmitt Trigger) y tres resistores R1, R2 y R3 de adaptación de niveles. Este integrado además maneja los Leds indicadores de Recepción (Verde) y Transmisión (Amarillo) de Datos del módulo.
El uC también maneja dos Leds directamente, uno AZUL (RA3) indicador de sincronismo de 1 Seg.,  igual que en el Reloj ZM1022 y otro ROJO (RB0) indicador de errores. 

Los errores pueden producirse en la USART del uC por diferencias de velocidad de transmisión de datos (Frame errors) y pérdida de datos (Overrun errors) y serán indicados por parpadeos en el Led ROJO. Normalmente si todo está ajustado correctamente como se analizó en la entrada 9) no habrá errores ni pérdida de datos.

Igualmente los mensajes ya vistos con la info de Hora y Fecha que usará el Reloj, de encabezamiento $GNRMC se reciben uno por segundo, por lo cual si un mensaje llega errado y es descartado en el proceso de validación ya visto, el siguiente mensaje correcto actualizará la información requerida.

Back Light o Luz de Fondo

Igual que en el Reloj ZM1022, para mejorar la presentación de este Reloj Retro IN0012, se dispondrá de iluminación de fondo de distintos colores que iluminará los tubos Nixie resaltando su imagen. 

Como en el anterior, en este diseño la luz de fondo será provista por LEDs RGB de tres colores y sus mezclas de tonos. Cada tubo Nixie tendrá un LED RGB que ilumina su base y ampolla de vidrio y será controlado por el circuito de la Fig. 10.8 y en la Fig. 10.7 se muestra en el recuadro Rojo su conexión al uC.

Fig.10.8 Circuito de control de luz de fondo (Back Light)

Control del Display de Dígitos

Como ya se adelantó, el Display con los seis dígitos Nixies que se muestra en la Fig.10.5 se maneja con las tres señales vistas llamadas Datos, Clock y Clear, y su funcionamiento se muestra en el diagrama temporal de la Fig.10.5 .
En la Fig.10.7 se muestra en el recuadro Verde su conexión al uC usando los pines RB3, RB4 y RB5 respectivamente.

En la próxima entrada continuamos...