QS30-1 Nixie Module | 辉光管显示模块 介绍【硬件篇】

辉光数码管|Nixie tube,上世纪60-80年代的产物,电子技术发展历史的见证之一,相信有很多朋友对其了解甚少甚至从未亲眼所见。
但就是这现如今已濒临绝迹的古老器件,却让见过她的人都无法忘记那特有的显示效果,甚至开始感叹40年前的创造竟赋有如此的艺术气息…
单单是看到管身上那淡淡的白色印戳,刹那间便让人肃然起敬——这些辉光管的出生竟然比我还早许多年…
或许这样几十年,她等待的只是一份热情,一次点燃她内心火红热情的电击……

为了让这古老的并极富艺术气息的器件发辉余热,近些年来我一直在努力寻找现代技术与古典相结合的应用。虽然也创作出不少经典作品,但随着一次次的思 维枯竭,便萌发了一种把辉光管作为显示模块的想法,让喜爱她的朋友,把更多的精力和时间投入到创意制作当中,而不必去烦恼如何产生170V高压、如何整理 逻辑驱动器、如何去焊接制作……
无需硬件基础,只需要懂一点单片机知识,有一个最简单的单片机系统板,或Arduino系统板,4条IO口线,即可完成对几十个辉光管的显 示控制(每个模块还带有1个RGB全彩LED,两个氖灯作为冒号或小数点应用)。

首先感谢aGuegu在第一时间协助测试该辉光管显示模块,并开发了Arduino类库。

先简单的介绍一下辉光数码管,她是真空电子时代的产物,是利用辉光放电效应产生光亮来显示数字及符号的一种电子元件,诞生于上世纪60年代,到了80年代末慢慢的被其他技术所创造的新型器件所取代。

该辉光管模块采用的是中国产QS30-1型辉光数码管,它是一款较为常见的型号,直径30mm,顶部显示方式,插拔式13脚封装。先介绍一下辉光数码管的特点:

辉光数码管有四个特点:
1、较高的工作电压。辉光管的工作电压在直流170V以上,所以对于现代低电压设备时代来讲,要让他工作起来的难点在于如何产生DC170V以上的工作电压。
2、工作电流较小。工作电流较小是辉光放电效应的特征,辉光管的工作电流只有1mA-3mA左右,几乎没有什么功耗,并且不发热。
3、字形独特,显示具有层次感。辉光管中的数字或者符号都是一片片专门的金属制作并堆叠而成,独特完整的字形令现代的7段数码管、点阵显示模式都无法抗衡。
4、温暖的橘红色光芒。辉光管内部气体是氖气,辉光放电效应所产生的光芒为橘红色,尤其是在夜晚,朦胧之下给人温馨之感。

下面先看一下实物图片,然后再做详细介绍:

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在设计之初规划这个辉光管显示模块功能的时候,只有一个目的:能让每一个喜欢辉光管的朋友,都能按照自己的想法和创意组合出满意的作品和应用,而无需关心辉光管本身复杂的电源系统和驱动模块。
所以每一个模块应该都能独立工作,并且采用最简单的方式进行级联和组合。模块要小巧,组合起来之后要能感觉为一个整体。最重要的是要提供一个简单的驱动接口,而不是每增加一个模块都要增加应用的负担。

QS30-1辉光管显示模块外形尺寸:
长50mm 宽40mm;
底座厚度22mm 底部到辉光管顶部高度55mm。

QS30-1辉光管显示模块有以下特点:
1、采用中国产QS30-1辉光数码管作为显示器件(管身直径30mm,高25mm,显示内容为数字0-9,显示颜色橘红色),其他PINtoPIN代换型号:SZ-8,SZ3-1。
2、采用顶级13针陶瓷管座,非胶木管座可比,美观大方,插拔方便可靠。
3、插拔式无限级联设计,无需复杂的接线方式。
4、板载RGB全彩LED,每个模块可独立控制LED发光颜色。
5、板载两个Neon Lamps,可独立控制每个氖灯,实现冒号或者小数点的应用。
6、提供非常简单的通讯接口,仅需要4个IO,可连接任意一款单片机最小系统版或Arduino主板。
7、12V直流供电,每个模块的工作电流小于100mA。
8、提供DC5V输出,可为单片机主板或Arduino主板直接供电,无需另配电源。
9、双层双面镀金电路板,尽显艺术气息。
10、采用激光切割进口亚克力材料制作上下面板,搭配不锈钢内六角螺丝,保护人体不会接触到170V高压。
11、全部采用SMT Robot进行贴片焊接和加工,工艺精良。
12、内置测试按钮,在没有任何主控驱动的情况下,可单独测试模块和辉光管是否工作正常。

为了达到以上功能和特点,从原理图设计到PCB电路板设计、以及3D模型建立,都进行了一次次调整,最终出炉的QS30-1辉光管显示模块即是完美之作。

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从电路设计上来讲,该模块由以下部分组成:

一、高效率DC-DC升压模块
辉光管工作电压需要直流170V,而供电电压为安全的直流12V,所以必不可少的要具备12V-170V的DC-DC升压电路模块。
该模块由MC34063A及外围元器件组成,能够提供高效率的升压转换,并且整个模块几乎没有发热现象。

二、LDO DC5V电源模块
该模块的其他逻辑芯片和LED需要5V的工作电压,并且该模块还能够直接输出DC5V给单片机系统板或Arduino系统版供电,所以必不可少要具备LDO降压电源模块,输出为直流5V。
该模块有78M05及外围器件组成。

三、辉光管级联驱动模块
由于该模块采用了级联设计模式,所以必须具备可级联扩展的驱动电路做辉光管、LED、NeonLamps的控制。
在这里该模块采用了经典的74HC595作为数据层驱动器件,并在模块左右两端引出了串入串出接口,可级联并无限扩展。

四、RGB LED显示器件
在辉光管底部,该模块安装了一个5050的RGB全彩LED,可通过通讯控制,使其显示各种色彩。

五、Neon Lamps氖灯
为了满足各种应用的需要,在每个辉光管的右侧,安装了两个氖灯,可独立控制每一个氖灯的开和关,实现冒号或者小数点的显示应用。

系统图如下:

先看电路板,如同我其他作品的一贯风格:深蓝色PCB板、沉金工艺……
刚才在特点中提到了,该模块采用的是SMT贴片机进行自动化焊接组装,所有器件选型均是为了保证模块尽量的紧凑,但却不失功能上的完备。
整个模块分为上下两层电路板,每块电路板上的元器件位于同一侧,两块电路板通过一个4Pin的插针相连接,见下图:

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白色陶瓷管座位于顶层电路板的上方,陶瓷管座是电子管的完美搭配,通体纯白色,绝缘,一致性好,并且可靠耐用。
在陶瓷管座的右侧有两个3mm直径的氖灯,氖灯的位置也经过精心设计,当两块模块组合在一起的时候,氖灯恰好位于两只辉光管的正中间位置。
请看下图:

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底部电路板的背面无任何元器件,但用镀金文字标注了安全提示。
并且所有焊点也都经过了特殊处理,焊点圆滑光亮,见下图:

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底部电路板上主要排列的是DC-DC升压电路(输出直流170V高压)以及LDO降压电路(输出直流5V)。
顶部电路板上主要排列的是RGB LED的驱动电路以及QS30-1辉光管的驱动电路。
所有芯片及元器件紧凑的排列在两块电路板上,当两块电路板扣在一起后,所有器件均位于两电路板内侧,既保证了美观,又保证了安全。

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最值得一提的是这两块激光切割的亚克力面板。在此前发给aGuegu测试的时候,还没有这两块面板,就是靠PCB本身来用作外壳,后来发现这样我们在接触模块的时候很容易触碰到电路板上的焊点。因为有170V高压,并不十分安全。所以后来使用进口透明亚克力板材料,经过激光切割加工,为该模块配备了完美的上下面板。
进口的3mm透明亚克力材料加上激光切割工艺,无论从效果上还是精度上,都与模块完美搭配。

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固定电路板与亚克力面板的螺丝也经过精心挑选和设计,采用的是M3不锈钢内六角螺丝。
并且在亚克力面板和PCB电路板之间采用了1mm厚的尼龙垫片支撑。
下面是组装完成的模块:

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在模块的左侧,可以看到上下两个2×3的母座,右侧是两个2×3的插针,模块级联的时候,只需要将两个模块的插针插入母座即可,无需有其他任何电器连接。
即通过这几个插针完成级联了电源供给、通讯数据传输的功能。
主控设备只需要将通讯线和12V电源线连接至最右边的第一个模块的插针上即可完成对整个级联模块的控制。
而且在最右边的一个模块上,还可以通过插针直接输出5V直流电压,供给单片机主板或Arduino主板5V电源。

看一下左右两侧的连接器以及级联以后的效果:

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由于该模块需要有控制设备(单片机控制板或者Arduino主板)进行通讯控制才能按照我们的要求显示各种效果,单独通电的时候并不能显示数字,所以为了方便测试,我在设计的时候在电路板上精心设计了一个测试按钮。
在没有控制设备的情况下,给显示模块通电后,按下此按钮,辉光管会显示数字6,用来测试模块是否工作正常,并且能够测试辉光管是否漏气或损坏:

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将模块与控制板连接起来以后,就可以通过简单的程序控制每一个模块的显示内容、LED颜色和氖灯了。

接下来对本木块进行通电测试:

在这里,我通过一个C8051F340的单片机最小系统板控制之后,打开背光,显示数字,单个模组和单片机控制板的总耗电电流是130mA。
级联10个模组以后,总电流恰好是1000mA。
假设每个模组耗电电流为x,单片机控制板耗电电流为y,则通过两个等式:
x + y = 130
10x + y = 1000
——————-
得出每个QS30-1辉光管显示模组的耗电电流约等于97mA。

见下图:

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级联之后,我们可以通过控制程序来对每一个模块的显示数字、背景LED颜色、冒号显示方式进行分别控制:

【数字显示】:支持关闭或者显示数字0、1、2、3、4、5、6、7、8、9;
【背景灯】:支持关闭或者显示白色、紫色、青色、黄色、蓝色、绿色、红色;
【冒号】:支持关闭或者上点、下点、冒号;

多彩的背景色变换、不同的数字显示方式将能够实现我们几乎所有的关于数字显示的应用,例如:时钟、计时器、计数器、计算器等等……

但是辉光管有一个我们不希望看到的现象叫做Cathode poisoning(阴极中毒),是由于工作的阴极数字不停的向外辐射电子,其他未通电的阴极长期遭受电子轰击,而在表面形成一层镀层,无法产生辉光效应所造成的。所以在应用的时候,辉光管最好能不停的变换显示的数字,长期只显示一个数字,会造成辉光管的寿命大大降低。所以在程序控制的时候,最好能每隔10分钟左右,让辉光管的每个数字都能亮几十毫秒,反复循环显示持续5秒钟左右,能有效延长辉光管的寿命。也可以使用一段时间以后,调换一下辉光管的位置,改变其长期显示的数字。

这一方法目前已经作为一个辉光管应用中必须的功能,叫做Cathode poisoning prevention,在我的其他辉光管作品中都有这个功能。

接下来,欣赏一下各角度美图吧~~~

下图是用于控制的一块单片机最小系统板和级联模块的合影。
可以看到,除了通讯用得4个IO之外,从模块引出的还有一对红黑线给单片机控制板供电:

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从侧面看去,不同的颜色从底部投射过来,整个QS30-1管身通体透亮~~~

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最喜欢的是这张,夜晚朦胧的感觉……
如果再利用程序将背景色进行随机或有序的变换,或者利用OE控制端对整个辉光管显示的亮度以及LED的亮度进行PWM控制,将得到的是更为绚丽的效果。

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再来一组近照,仔细观察哦,氖灯冒号组和辉光管的颜色完全一致:

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再看这张,通透的管身上静静的铭记着它的身份:型号QS30-1,品牌-风光,出生日期1978年8月……
除了惊叹之外,多了一份敬畏,因为她比我出生的还要早好几年……

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再来一组组合照:

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伴着色彩斑斓的幽幽光芒,仿佛穿越在两个不同的时代……
40年前的她们,刻有历史,承载着一代人的智慧;
40年后的应用,赋予她们新的生命,塑造着古典与现代的完美结合。

而最让人欣慰的是,有了这些显示模块,我们可以自由的放飞自己的创意,并且实现它,不用再为如何点亮和驱动辉光管望而却步。

该模块支持任何类型的单片机控制板,只需要4个IO通讯端口,并且提供51参考代码;

详情请见 QS30-1 Nixie Module | 辉光管显示模块 介绍【软件篇】

该模块的Datasheet下载地址请移步:

QS30-1NixieModuleUserManual_CH
Qs30-1NixieModuleUserManual_EN

同时,该模块已经完美应用于Arduino系统,由aGuegu制作了完美的Nixie Module驱动类库,并且完全开源。

特别感谢:aGuegu

详情及下载请见阿古作坊: QS30-1 辉光管通用模块 Arduino 类库开发记

QS30-1 Nixie Module list on eBay

 

DIY是一种享受,享受的是过程,更是结果……

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软硬件设计:严泽远
QQ:6626209
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WebSite:http://www.nixieclock.org
E-mail:yanzeyuan@163.com

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