【DIY新做.二十四小时感动之三】饱含了我所有期待的电子管时钟【多图、有视频】

yanzeyuan

【DIY新做.二十四小时感动之三】饱含了我所有期待的电子管时钟【多图、有视频】 [复制链接]

 

   折腾了两个月，饱含了我对时钟所有期待新作品终于制作完成。  

    在这之前从LED到辉光管再到VFD点阵、从石英晶体到温补再到GPS校时，从静态显示到动态滚屏翻页，还是那句话：时钟虽简单，想做完美不容易...
    这次的DIY作品从设计之初就考虑到了很多功能上的细节、操作上的细节、效果上的细节，以前我对SMD情有独钟，这次头一回全部采用直插元器件（只有一颗DS3231采用贴片），每个元器件的选型、位置、大小、高度，甚至是立着放还是躺着放都经过了周密考虑。电路板每个元器件的封装库都根据实际元器件大小测绘，没有一个焊盘位置与实际元件有差别。以前在制作电子钟的时候，不少朋友提出了忠肯的建议和意见，也为这次DIY提供了原动力，所以在人性化操作和功能方面比较完备。至于炫彩的七彩背景光效，还有近4000行代码所编辑出来的Crossfade等数字变换效果等等只能从视频上才能看出...


    也欢迎大家访问我的BLOG，里面有历次我的时钟作品，包括辉光管的、LED点阵的、VFD点阵GPS校时的等等...
    http://blog.sina.com.cn/nixieclock

    我就先介绍一下这次DIY作品的一些功能和特点，然后再具体介绍一下DIY设计过程【有图片、有视频】，重点部分的源代码我也会公开，希望能与大家一起交流。

    老规矩，先上美图，SHOW TIME:












  
    我接触电子的时候，几乎是直接从SMD上手的，所以一直以来对SMD情有独钟。因为现代电子工艺带给我们的是集成度越来越高的零部件，可以满足我们在尽可能小的空间内完成更多更精彩的功能，所以前面几个时钟作品包括LED点阵、辉光管、VFD点阵全部都采用SMD器件设计并制作。
    后来慢慢接触了很多老的工控产品发现原来ALL DIP的电路板也能如此唯美，比如20年前的任天堂红白机主板、286电脑主板等等...所以就产生了全部使用直插器件制作她的想法。
    因为之前很少使用直插元器件，所以这次电路板绘制也花了很大的功夫。放弃了优美的古典线条及花边，利用直插IC及电阻电容本身的形体和周密的布局，直接塑造出漂亮的主板。每一个元器件都是根据实际尺寸和大小专门绘制封装库，每个器件的选型和高度都控制严格，均在10mm一下。结合以前的设计经验，未作洞洞板试验，但实际验证硬件部分零BUG。
    因为全部采用了直插元件，所以组装制作几乎是零难度，只要别把器件焊反，完美的一次性通过，比起ALL SMD的组装简单很多很多。
    SHOW一下：






















     
    同样是采用了近30年前的一种电子管--VFD荧光数码电子管，虽然是80年代初生产，比起辉光管晚出了几年，但漂亮通透的玻璃管身依然放射出一种古典的韵味，同时又焕发着一种现代的气息。
    VFD荧光的原理比起辉光管来说有本质上的不同，驱动也采用了低电压（VFD荧光管只需20v就能驱动，辉光管最低需要170v的阳极高压）。这次采用的是YS18-3的荧光数码电子管，尺寸与我以前设计的QS18-12的辉光电子管相同，直径为18mm。虽然尺寸相同，但是荧光管的顶部都有银色的消气剂，就像戴了一顶银色的帽子，很漂亮。
    由于全部采用直插元件，所以电子管本身需要架高，所以专门用激光雕刻了专用的管座将荧光管垫高，同时能够折射出位于管底的RGB LED所发出的炫彩背景光。刚才提过，所有的元器件高度均在10mm一下，但是有四个元器件需要伸出：两只用于代替时钟冒号的LED，专门订购了14mm高的支撑柱将其撑起，还有一只红外线接收头，也用14mm高的专用支撑住将其撑起，还有一只温度传感器18B20，因为它的管脚短，所以专门订购了12mm高的支撑住撑起。
    所有器件布局合理，没有飞线，没有感觉器件的稀疏与拥挤。即使不用外壳，同样能给人电子器件构成的美感。
    SHOW一下：









  




    时钟的基本功能还是显示时间，如果因为好看而走时不准也就失去了时钟的意义。所以这次的荧光数码电子管时钟，没有采用DS1302+石英晶体的方案，采用了VFD点阵时钟的DS3231方案，虽然标配没有GPS对时，但预留了GPS模块的通讯接口，并且DS3231本身内置温度补偿，精度为0℃-40℃ ±2ppm，年误差2分钟以内。
    由于这个方案所使用的DS3231是达拉斯05年推出的产品，所以没有直插的封装，所以整套时钟器件只有这一颗器件是贴片封装，但是SO16的封装焊接起来几乎与直插器件无异。而且这次同样采用了CR1220备份电池，在断电的情况下，依然能够维持时钟的走时，断电5年依然能够精确计时，包括闹钟设置等等，无需再对时和设置。
    SHOW一下DS3231和备份电池：
 

yanzeyuan

DIY是一种享受，享受的是过程，更是结果......
  
=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=-=
软硬件设计：严泽远
QQ:6626209
Mobile:18602007878
WebSite:http://www.nixieclock.org
E-mail:yanzeyuan@163.com
  
2011-02-07

yanzeyuan

   前几次设计的时钟有不少朋友多提出了很多好的建议，在这次软件设计的时候下了很大的功夫来尽可能的利用6颗荧光数码电子管和两颗冒号LED以及6颗RGB LED来组合出更多的功能。配合电子钟专用的红外线遥控器，设计出了很全很人性化的操作功能：
    1、单键操作。以前设计的时候为了防止误按，有些操作需要长按遥控器，很多朋友觉得这一点会让人觉得麻烦，所以本次所有遥控操作即按即得，操作方便。即便是误按了SET，只要不按OK确认，再按一次SET或者按CANCEL键，都可以返回正常状态。
    2、具有很方便操作的时间调整、日期调整和闹铃调整功能。在调整不同的功能的时候，背景灯会渐变显示为相对应的颜色，比如调整闹铃的时候，无论七彩背景灯是什么颜色，都会慢慢过渡为蓝色。而且保存的两组闹铃可以很方便的关闭任何一组，再次打开时，不用重新调整闹铃时间等等...
   3、具备摄氏温度和华氏温度的转换功能。由于有些朋友需要华氏温标，所以这次设计了两种温度单位并自动换算。在查看温度时，按FUNC键就可以在℃和℉之间转换，并且自动保存设置，下次查看或者断电后，不需要再进行设置，会自动记忆你常用的查看单位。
    4、具备中西方两种日期格式。上次在做辉光钟的时候，有朋友就说能否做成MM-DD-YY的日期格式，本次完全解决了这个问题，在查看日期的时候，按一下FUNC键就可以在YY-MM-DD和MM-DD-YY日期格式之间转换，并且自动保存设置，断电不影响设置的保存，下次查看依然记忆你常用的查看格式。
    5、具备中国农历日期显示。农历是我们中国最常用的历法，当然时钟少不了农历。在这里，按一下DATE键能够查看公历，再按一次就会自动计算出农历日期，这个农历日期是自动计算出来的，我们只要调整好公历日期，就会自动换算出来农历，无需单独设置。为了区别开公历和农历的显示，在显示公历的时候，时间冒号的两点会慢慢隐去，在切换为农历的时候冒号两点会慢慢的渐亮，以示区别。
   6、具备两组闹铃功能。这次的荧光电子数码管时钟贴心设计了两组闹铃，每组闹铃都可以单独的设置并单独的打开与关闭。当闹铃时间到了以后，会发出滴滴滴滴连续4声的提示音，持续1分钟，如果我们想关闭闹铃，只需随便按一下遥控器的任意一个按键即可关闭闹铃响声。
    还有很多细微的人性化设计，在这里就不一一介绍，呵呵，总体来讲，这次DIY设计的功能比较完备，不过也欢迎大家多提宝贵建议。
    SHOW一下一些功能界面：






    这次的DIY作品下最大功夫的除了PCB设计以外，就是这个炫彩的效果了。
    底部采用了6颗高亮RGB全彩LED，并且采用了专用的驱动模块，能够产生各种色彩。为此，我一共做了9种背景光动态模式，比如第9种Corssfade：能够精确的在每一秒钟，渐变一种色彩，也就是从一种色彩过度到另外一种色彩。而且在RGB LED的周围正好套着一个激光雕刻的亚克力电子管底座，能够完全折射出LED的光芒。
    用于代表时钟冒号的两个LED其实也采用了RGB LED，由于没有单色的LED能与荧光管的颜色一样，所以专门精心调配了RGB的颜色，使之与荧光管的颜色完全相同，并且这次的冒号闪烁效果不像辉光管的氖灯，要么亮，要么灭，这次采用PWM来做的呼吸效果fade in and fade out。给人一宁静柔和的感觉。
    重点是数码管显示的字符的三种特效。在正常显示时钟的界面状态下按下FUNC键，可以在三种数字变换效果之间切换。
    1、Crossfade:数字在变化的时候，原来的数字会慢慢隐去，同时新的字符会慢慢显示出来，交叉过度，变换的很柔和。开机的时候所有的字符也都会慢慢的显示出来，这种效果尤其是在宁静的夜晚，配合底部的七彩RGB LED，能给人一安静舒服的感觉。
   2、Fadein & fadeout:数字在变化的时候，原来的数字会先渐渐消失，消失完了以后新的字符会渐渐显示出来，不是交叉显示，而是渐隐渐显，也给人一不同的柔和的感觉。
    3、Standard:标准的显示模式，就是我们最普通的显示模式，数字变化的时候立即切换。以前我做的辉光钟就是这种方式，看了国外的一些高手做得效果以后，才发现，这种效果太生硬，不柔和，不过还是要做上这种效果，喜欢的话可以切换上。
    这些效果只能从视频录像上能看出来，录像是用数码相机拍的，有点频闪，朋友们凑活的看看吧，呵呵。
  
  
  
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下面简单说一下设计和制作的过程
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    上次的辉光管时钟，大量采用了贴片器件，这样可以在很小的电路板上实现所有的功能，包括MCU也选用了C8051FXXX系列的贴片高性能51内核的MCU。
    这次从前期筹备的时候就计划用ALL DIP的模式，就是全部为直插器件。但是电路板的尺寸我还是采用了跟QS18-12辉光管电子时钟一摸一样的电路板尺寸（176mm x 50mm），因为这次的荧光管尺寸粗细跟上次的辉光管一模一样，所以这次的电路板连固定孔都跟辉光管时钟的电路板位置相同。
    全部直插的电子器件，当然要选用直插的MCU，根据电路板大小及外围器件的大小等因素经过反复的比较，后来选用了STC的窄体直插MCU-STC12C5628AD，最适合不过了。I/O数量正合适，体积大小正合适，但是不支持在线调试，这一点可能对一些朋友来说是个问题，毕竟无法在线跟踪每一个模块每一个变量的执行结果，同C8051F系列的MCU比起来编程效率要打不少折扣，但是综合考虑一下还是它比较合适。
    原理图的绘制过程中，我考虑过用动态扫描方式来做驱动，但是这样一来电子管的工作电压需要提高，升压电路又要像辉光管升压电路部分那样稍微复杂一些，后来觉得还是静态驱动稳定、可靠，所以采用了静态驱动方式，没有用动态扫描模式来驱动荧光管。
    画图的过程中，为了使整体电路板更加美观，对全部器件的封装库都做了专门的绘制，所有器件的封装库都与实际元器件大小一模一样，保证器件排列整齐美观，需要的器件一个不少，不需要的器件一个不留。电阻都并排排列、IC也对称布局，圆柱体的电容也都尽量排列在一条线上。
    每个辉光管底部都有一个5mm直径的RGB全彩发光二极管。包括蜂鸣器、备份电池等等都尽量放在最合适的位置上。
    风格依旧，采用了蓝色的PCB电路板，不过这次没有贴片器件，PCB一面全部都是元器件，另一面都是焊盘，所以没有做古典线条，直插的电路板还是采用喷锡工艺比较容易焊接，所以这次做好了以后的电路板呈现出另外一种风格。
    SHOW一下电路板的一些细节：








    先从空板开始焊接开始，由于全部是直插器件，焊接几乎没有任何难度，插好器件，焊上焊锡，剪掉多余的管脚，只要IC和电解电容以及二极管不焊反，几乎没有什么问题。
    收起来SMD的家伙，拿出来直插的家当，准备开始动手：
    SHOW一下：




    因为设计之前没有做洞洞板试验，所以这次焊接也是调试过程，还是老规矩，先从电源部分开始。
    由于VFD荧光管的工作电压在20v，还是需要一套升压电路来升压，不过这次升压电路比起辉光管的升压180v要简单一些，并且都是直插器件，所以电路简单。
    输入采用5v直流，看一下焊接好的高压部分升压电路特写（下面的照片忘了焊电容C23，不过竟然能够正常工作）：
 

[ 本帖最后由 yanzeyuan 于 2011-3-19 11:42 编辑 ]

yanzeyuan

  看一下上图，输出电压20v。
    再看一下下图，标准的荧光数码电子管的基本参数，正常工作条件下，阳极电压和栅极电压均为DC20V。





    另外一组电压是5v部分。因为STC的芯片工作电压范围比较宽，而且为了保证MCU、红外接收头等工作的电压安全，所以用了一颗78L05来为MCU和红外接收头、温度传感器等供电。
    看一下5vLDO稳压部分和MCU的复位电路部分，放在了一起：
  




    除了这两组电压以外，还需要为VFD荧光管的灯丝供电。
    官方数据是1.2v，因为一共有6只荧光管，担心电流不够，所以采用了1.5A的老器件LM317，并且将输出电压调整到了1.5v左右，保证给6只VFD荧光管的灯丝供电充足。
    看一下这组简单的线性降压电路：




    当电源电路部分完全工作正常了以后，剩下的所有器件全部一次焊接完成。
    为了美观，为了更稳定可靠的工作，而且电路板设计合理，所有的IC都没有使用IC座。
    并且为了美观，所有的管脚都简断了以后，又重新整理了底部焊盘，全部焊点圆滑光亮。
    SHOW一下大部分元器件焊好以后的样子：












    下面开始调试最基本的功能：RGB LED的全彩控制。
    RGB的控制其实没有说的那么玄乎那么难，为了不占用MCU的大量资源，在板子空间允许的情况下，我选用了一颗LPD6803的RGB驱动IC，6颗背景灯都靠它来驱动。需要什么颜色都可以通过与LPD6803通讯来调节。
    这部分程序不难，先看一下不同的背景灯颜色效果，后面我会贴上相应的源码：
   






  
****************************************Copyright (c)**************************************************
**     
** 项目名称:   YS18-3 Clock
** 文件名称:   LPD6803.c
** 模块功能:   实现LPD6803的全功能控制
**
**------------------------------------------------------------------------------------------------------
**  创建者:   严泽远
** E-mail  :   yanzeyuan@163.com
** QQ  :   6626209
** Mobile :   18602007878
** 创建时间:   2011-02-01
** 版    本:   v1.0.0
** 描    述:   基础程序
**
********************************************************************************************************
#include <STC12C5620AD.H>    //加载STC12C5620AD.H头文件
#include <Define.H>      //加载Define.H头文件
#include <LPD6803Variable.H>   //加载LPD6803Variable.H头文件
********************************************************************************************************
**  函数名称:   void LEDSendData(uchar dr,uchar dg,uchar db)
** 功能描述:   输出3个5位RGB颜色数据子程序，参数格式：红颜色数据、绿颜色数据、蓝颜色数据   
** 创建者:   严泽远
** 创建时间:   2011-02-01 00:02
** 版    本:   v1.0.0
********************************************************************************************************
void LEDSendData(uchar dr,uchar dg,uchar db)
{  
uchar k,mask;         
LEDDATA=0; LEDCLOCK=0;
for(k=0;k<32;k++) {LEDCLOCK=1;LEDCLOCK=0;} //送起始位32bits 0
    LEDDATA=1;LEDCLOCK=1;LEDCLOCK=0;    //首先输出1个'1'起始位
    mask=0x10;   
    for(k=0;k<5;k++)     //输出5位红色数据   
    {    if(mask & dg)    LEDDATA=1;   
         else             LEDDATA=0;   
         LEDCLOCK=1;LEDCLOCK=0;   
         mask>>=1;      
}            
    mask=0x10;   
    for(k=0;k<5;k++)       //输出5位绿色数据  
    {   if(mask & dr)   LEDDATA=1;   
        else            LEDDATA=0;   
        LEDCLOCK=1;LEDCLOCK=0;   
        mask>>=1;      
}         
    mask=0x10;   
    for(k=0;k<5;k++)      //输出5位兰色数据   
    {   if(mask & db)   LEDDATA=1;   
        else            LEDDATA=0;   
        LEDCLOCK=1;LEDCLOCK=0;   
        mask>>=1;      
}   
LEDDATA=1;LEDCLOCK=1;LEDCLOCK=0;    //首先输出1个'1'起始位
} [ 本帖最后由 yanzeyuan 于 2011-3-19 11:42 编辑 ]

yanzeyuan

接下来调整代表时钟冒号的两点的LED色彩。
    因为VFD的那种光介于蓝色和绿色之间，没有单颗的LED能够与它的色彩相对应一致，所以没办法，只能用两颗草帽的RGB LED来调配颜色。后来经过对比，调整好了两颗对应G和对应B的电阻，使其颜色与VFD荧光的颜色一致。
    并且这两颗LED是要伸出来的，所以专门买了一些14mm高的支撑柱来支撑这个LED，这样就不会来回摇晃，保证了位置的固定。
    SHOW一下效果（相机曝光时间较长，与实际有些色差）：



    幻彩背景灯搞定了以后，下面就要上荧光管了。
    因为荧光管与所有直插的原器件在一面，所以要将荧光管支撑起来。但是这个荧光数码电子管又没有管座，只能直插焊接，所以用CAD画好图纸，用激光切割了一些支撑座，这样荧光管就能垫高起10mm，而且还能正好坐在RGB LED的上面。
    支承座是用透明的亚克力板切割的，正好能将所有的管脚传过去，将管子固定在电路板上，不会摇晃，而且能突出出来。
    SHOW一下效果：






    将所有的荧光管加上底座以后，焊在电路板上，开始调试驱动部分程序。
    静态驱动采用了串行译码器74HC595配合ULN2003来做，一组这样的IC正好驱动一颗荧光管。
    74HC595我在QS30-1的辉光钟上就用过，虽然这次采用了STC的MCU，但是原理大致相同，用示波器校正一下时序，完美驱动荧光管。
    下面是点亮背景灯和数码管调试时的效果和74HC595的部分通讯源代码：
  




********************************************************************************************************
**  函数名称:   void  Send595(uchar count,uint dat)
** 功能描述:   向74HC595发送数据  
** 入口参数:   count: 发送数据的位数
**      dat: 发送的数据(MAX 16Bit)
** 创建者:   严泽远
** 创建时间:   2011-02-04 22:32
** 版    本:   v1.0.0
********************************************************************************************************
void  Send595(uchar count,uint dat)
{
for(;count>0;count--)
{
  DATA = dat&0x0001;//_nop_();
  SHCP  = 1;//_nop_();
  SHCP  = 0;//_nop_();
  dat>>=1;
}
}

    红外线遥控部分以前就做过，但是第一次做是在QS30-1的辉光钟上进行应用，那个时候采用的MCU是C8051F310，这款MCU没有外部中断功能，其实用定时器来做也可以做得很稳定很完美。
    这次同样，在STC上调试很快就将红外线译码完成。虽然无法在线调试跟踪红外线数据，但是荧光管既然能够驱动并显示数字了，编程调试的时候就用它来显示跟踪过程中的结果，大大提高了效率。
    看一下红外接收部分的源代码：

********************************************************************************************************
**  函数名称:   void IR_RX()
** 功能描述:   红外线中断接收处理
** 创建者:   严泽远
** 创建时间:   2011-02-04 16:07
** 版    本:   v1.0.0
********************************************************************************************************
void IR_RX()
{
uchar SampleTime;
IR_SampleCnt++;       //Sample + 1
F0 = P_IR_RX_temp;      //Save Last sample status
P_IR_RX_temp = IR;      //Read current status
if(F0 && !P_IR_RX_temp)     //Last sample is high，and current sample is low, so is fall edge
{
  SampleTime = IR_SampleCnt;   //get the sample time
  IR_SampleCnt = 0;     //Clear the sample counter
    if(SampleTime > D_IR_SYNC_MAX)  B_IR_Sync = 0; //large the Maxim SYNC time, then error
  else if(SampleTime >= D_IR_SYNC_MIN)     //SYNC
  {
   if(SampleTime >= D_IR_SYNC_DIVIDE)
   {
    B_IR_Sync = 1;     //has received SYNC
    IR_BitCnt = D_IR_BIT_NUMBER; //Load bit number
   }
  }
  else if(B_IR_Sync)      //has received SYNC
  {
   if(SampleTime > D_IR_DATA_MAX)  B_IR_Sync=0; //data samlpe time to large
   else
   {
    IR_DataShit >>= 1;     //data shift right 1 bit
    if(SampleTime >= D_IR_DATA_DIVIDE) IR_DataShit |= 0x80; //devide data 0 or 1
    if(--IR_BitCnt == 0)    //bit number is over?
    {
     B_IR_Sync = 0;     //Clear SYNC
     if(~IR_DataShit == IR_data)  //判断数据正反码
     {   
      if((IR_UserH == (D_IR_usercode / 256)) &&
       IR_UserL == (D_IR_usercode % 256))  //系统码正确
      {
       IR_code      = IR_data;
       B_IR_Press   = 1;  //数据有效
      }
     }
    }
    else if((IR_BitCnt & 7)== 0)  //one byte receive
    {
     IR_UserL = IR_UserH;   //Save the User code high byte
     IR_UserH = IR_data;    //Save the User code low byte
     IR_data  = IR_DataShit;   //Save the IR data byte
    }
   }
  }
}
}
    剩下的部分程序稍微有点难度，主要在实现逻辑控制和闹钟等通讯上，DS3231的程序也很简单，懂得IIC通讯的朋友想必一次都能调通，无非就是对某个地址的写操作和读操作。
    闹钟的设置和一些参数的保存，都是保存在了STC的内部EEPROM上，其实STC内部的EEPROM不能称之为真正的EEPROM，它需要页擦除，跟FLASH有点像。不过还是挺好用的，省了外置的EEPROM芯片，还能存储一些有用的数据。
  
    完成之后的图片SHOW一下：






























  

  
    临近春节放假之前，早早就把亚克力的外衣用激光切好了，终于要给他穿外衣了，底座先安装好。
    SHOW一下底座的样子：














  
    只有底座不完美，继续采用实木中框，外加不锈钢内六角螺丝，上下光面黑色亚克力板，还有数字的倒影在里面。
    拍了一些图片，这里面有些客厅的道具在做辉光钟的时候已经见过了，呵呵
    请朋友们敬请欣赏吧







[ 本帖最后由 yanzeyuan 于 2011-3-19 11:43 编辑 ]

xiaoxiaox

顶~~~~~~~~~~~~~~~~~

wstt

大哥又出工艺品了

yanzeyuan

原帖由 wstt 于 2011-3-19 14:37 发表 大哥又出工艺品了

 

  感谢版主捧场...

 

主要是这管子都沉睡了30年了快，得让它们发发光发发热，不然都锈豆了...

beyondvv

效果很绚丽啊，赞一个

swfc_qinmm

Mark！

swfc_qinmm

Mark！

safe360

这是艺术品吧！强悍..............

elulis

误打误撞入艺术论坛……完全是欣赏……太万德福啦！

xujian2000

功能多，设计精，工艺好。作品有创意。

doganup

这个作品太邪恶了，喜欢，佩服

tao282515641

太厉害了！

scbzlijun

灰常、石婚、铁白地欣赏楼主的实验台。。。。piao漂亮。。。

wo4fisher

见过LZ的作品，相当好的DIY作品.........

H_LL

楼主可以  成批 制作然后销售了。。。。这么炫的咚咚一定很抢手、、 再加上 音频同步 可以随这音乐的节奏 变幻 、、哇咔、、太 牛X 了。。。钦佩楼主！！！

carlhuhuan

做这个东东
除了技术外，
感觉还要有一点浪漫的情调，哈哈，
很给，学习啦