English version

Numitronové hodiny

    Úvod:
Numitrony, po boku s digitrony. a itrony (VFD) patří mezi zajímavé historické číslicové zobrazovače. V digitronu svítí doutnavý výboj v neonové baňce se studenou katodou a zobrazují se celé číslice, nikoliv segmenty. Ve VFD svítí luminifor bombardovaný elektrony ze žhavené katody ve vakuové baňce. Numitron na rozdíl od nich pracuje na principu klasické žárovky. Je to vlastně sedmisegmentovka se segmenty tvořenými nízkopříkonovými wolframovými inkadescenčními vlákny. Jako asi jediný z historických nepolovodičových zobrazovačů pracuje s velmi malým napětím a lze ho napájet ze společného zdroje s logikou. Numitronové zařízení tedy vystačí se zdrojem jednoho napětí, narozdíl od digitronového, kde je navíc potřeba anodové napětí, a itronového, kde je potřeba k tomu všemu ještě žhavící napětí. Pro ty, které zajímají historické zobrazovače, ale chtějí pracovat jen s naprosto bezpečným napětím, jsou numitrony asi nejlepší volba.
    Já jsem pro své hodiny zvolil sovětské numitrony IV-9 (ИВ-9), protože jich mám dostatečné množství a jsou to kdysi jedny z nějběžnějších numitronů. Lze ale použít i jiné typy, jako např. IV-16 (ИВ-16), které mají podobné parametry a liší se jen absencí desetinné čárky. Já jsem nakonec čárku v IV-9 jako oddělovač hodin a minut nepoužil, protože má poměrně podivný tvar a hlavně je nešikovně umístěná spíše pod číslicí, než vedle ní.
    Funkce hodin:
Funkcionalitu hodin jsem nevolil zbytečně složitou. Hodiny zobrazují jednoduše čas (hodiny a minuty), mají budík a počítadlo provozních hodin. Sekundy se nezobrazují jednoduše protože časté změny údaje by mohly snížit životnost vláken. Pro ještě delší život se číslice mění jedna na druhou postupně po dobu 1,28s pomocí PWM.
    Zapojení:
Numitronové hodiny mají čtyřmístný displej sestavený z numitronů IV-9 s výškou znaku 12mm. Ty nejsou multiplexované, protože u numitronů je multiplex o něco komplikovanější, než např. u LED displejů. Multiplex vyžaduje vyšší napětí, aby efektivní napětí při impulzním provozu bylo dostatečné, a také vyžaduje zapojení diody v sérii s každým segmentem. Proto jsem zvolil zapojení bez multiplexu. Numitrony jsou ovládány pomocí výkonových 8-bitových posuvných (SIPO) registrů TPIC6C595N. Ty stačí jen 3, protože cifra desítek hodin je zapojena zjednodušeně pro zobrazení pouze číslic 1 a 2 (segment f nezapojen, segmenty a, d, e, g spojeny). Jas segmentů je řízen pomocí pulzně šířkové modulace (PWM) s frekvencí 100Hz. U numitronů IV-9 se kvůli riziku vzniku mechanické rezonance doporučují frekvence buď do 105 Hz a nebo nad 1000 Hz. Pomocí PWM je také zajištěn plynulý přechod z jednoho stavu do druhého.
    Srdcem hodin je mikroprocesor IO1 - ATtiny24A či ATtiny24V taktovaný na 4MHz krystalem X1. Piezoreproduktorek Rep1 zajišťuje zvukový signál budíku (alarmu). Hodiny jsou ovládány pomocí dvou tlačítek - TL1 a TL2. Pullup odpory nejsou třeba, protože v IO1 jsou aktivovány vnitřní (20-50k). Obvod se napájí zdrojem 5V. Odběr proudu záleží hlavně na odběru numitronů, tedy i na nastaveném jasu. Nejvyšší odběr je cca do 300mA při maximálním jasu a maximálním počtu rozsvícených segmentů. Hodiny mají zálohovací baterii. Při provozu z baterie hodiny přecházejí do úsporného režimu - displej pochopitelně nesvítí. Zálohovací baterie může mít napětí 3 - 4,5V. Může to být např. jeden knoflíkový článek 3V, dva až tři jakékoliv články 1,5V, tři články NiMH nebo NiCd 1,2V nebo jeden článek Li-ion či Li-pol (3,6 - 3,7V). Odběr při provozu z baterie 3V je řádově cca 100uA. Oba zdroje napájení - síťový adaptér i baterie - jsou sloučeny pomocí schottkyho diod D1 a D2. D1 zabraňuje zpětnému toku proudu z baterie do vypnutého síťového zdroje a chrání také hodiny před přepólováním tohoto zdroje. D2 zabraňuje nechtěnému dobíjení baterie při napájení ze sítě. Schottkyho diody by měly mít co nejmenší úbytek v propustném směru i závěrný proud. Přítomnost síťového napájení je snímána přes R2 portem PA7.
    Program:
Program numitronových hodin je níže ke stažení v HEX souboru přímo pro nahrání do mikrokontroléru i jako zdrojový kód v Assembleru. Na obrázku níže je vidět nastavení konfiguračních bitů mikroprocesoru. Přesný čas je řízen krystalem 4 MHz.
    Ovládání:
Hodiny se ovládají pomocí tlačítek TL1 (mód) a TL2 (nastavení). Tlačítko TL1 přepíná postupně jednotlivé módy - zobrazení času a nastavení budíku:
1. Hodiny
V tomto základním módu je zobrazen reálný čas ve tvaru "HH MM" (Hodiny Minuty). Tlačítko TL2 zde slouží k nastavování jasu numitronů v 17 stupních. Jas se každým stiskem postupně zvyšuje a po dosažení maximálního jasu se vrátí opět na minimální jas.
2. Nastavení hodin budíku
Nastaví čas alarmu. V tomto kroku pomocí TL2 nastavte hodiny budíku. Zobrazení "HH A"
3. Nastavení minut budíku
Nastaví čas alarmu. V tomto kroku pomocí TL2 nastavte minuty budíku. Zobrazení "A MM"
4. Zapínání budíku a typ budíku
Pomocí TL2 zvolte "A-0" (vypnutý budík), "A-1" (jednorázový budík) nebo "A-7" (každodenní budík).

Dlouhým stiskem TL1 se dostanete do zobrazení počítadla provozních hodin a nařízení hodin.
-- 1. Počítadlo provozních hodin
V tomto módu se zobrazí počítadlo provozních hodin. Jelikož se 6-ciferné počítadlo na displej nevejde, zobrazuje se rozdělené na spodní a horní trojčíslí. Když držíte stisknuté TL2, zobrazí se horní trojčíslí, jinak se zobrazí spodní trojčíslí. Příklad: hodiny mají za sebou 12 345 hodin provozu. Při stisku TL2 se tedy zobrazí '012 a po jeho uvolnění ,345.
-- 2. Nastavení hodin
Nyní pomocí TL2 nastavte hodiny. Při nastavování hodin se nezobrazují minuty.
-- 3. Nastavení minut
Nyní pomocí TL2 nastavte munity. Při nastavování minut se nezobrazují hodiny.

Vynulování počítadla provozních hodin je možné dlouhým stiskem TL1 a TL2 současně při propojené propojce DP1. Nulování však doporučuji provádět pouze v případě výměny numitronů nebo v případě, že by počáteční hodnota počítadla nebyla nulová.

    Zkušenosti z provozu hodin:
22. 9. 2015 - prvních 1500 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
9. 12. 2015 - 3200 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.
9. 10. 2016 - 10 000 h provozu bez poruchy, bez známek opotřebení.

    Celý program ke stažení:
Zdrojový kód v assembleru (ASM)
Přeložený v HEX souboru (1576 Bajtů)
Zapisování programu do AVR se podrobněji věnuji zde.

Případným zájemcům mohu naprogramovaný mikroprocesor poslat. Více info zde.

Schéma numitronových hodin
Schéma numitronových hodin s AVR ATtiny24A / ATtiny24V. (Klikněte pro zvětšení)


Nastavení konfiguračních bitů v progamu AVRISP.


Hotové numitronové hodiny s IV-9 (ИВ-9).


Otevřené numitronové hodiny





Deska numitronových hodin














Numitrony v provozu











Sovětské numitrony IV-9 (ИВ-9).





Detail numitronu IV-9.










Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 1
Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 1.

Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 2
Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 2. (Klikněte pro zvětšení)

Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 3
Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 3. (Klikněte pro zvětšení)

Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 4
Numitron IV-9 (ИВ-9) - datasheet 4. (Klikněte pro zvětšení)

životnost žárovky vs. napájecí napětí
Dva různé grafy z neznámého zdroje se závislostí životnosti klasické vláknové (wolframové) žárovky na napájecím napětí, data se přibližně shodují. Graf přímo pro numitrony asi neexistuje, ale závislost jejich životnosti na napětí by měla být podobná žárovkám. Další zdroje uvádějí, že životnost klasické žárovky je nepřímo úměrná 13. až 14. mocnině napájecího napětí.


Video - numitronové hodiny



Přidáno: 15. 6. 2015
zpět na úvodní stránku