QS30-1 Nixie Module for Arduino v2.0.0 | 辉光管显示模块【硬件篇】

辉光数码管|Nixie tube,这种问世于上世纪的古老器件,已经令越来越多的爱好者着迷,相信浏览过我的博客的朋友都无法忘记那特有的显示效果…

由于辉光管的工作原理决定了她必须由170V的高压才能驱动,为了使更多喜爱她的朋友能够使用她来创作,不必去烦恼如何产生高压、如何整理高压逻辑驱动器,一年半之前我开发了QS30-1 Nixie Module v1.0.0,并且受到了很多国内外朋友的喜爱,也因此结识了许多世界各地对开源硬件着迷的朋友,收到他们作品照片的同时,也分享和体验了那份成就感。

更多关于老版本QS30-1 Nixie Module v1.0.0的信息和辉光管的详细介绍请移步:

本次推出的v2.0.0版本的辉光管模块,针对v1.0.1版本进行了一些改进,主要体现在:

  • 改进了升压电路方案,模块驱动电压由原来的12V DC改为5V DC。
  • 采用体积更小集成度更高的逻辑器件,由双层PCB板改为单层PCB板设计。
  • 整体厚度从57mm降低为44mm(含辉光管和陶瓷管座高度)。

与v1.0.1版本一样,新版辉光管显示模块每一个都能独立工作,并采用了最简单的方式进行级联组合,只需要向简单的驱动接口提供5V直流电源并连接Arduino系统或单片机即可。

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。

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块外形尺寸:

  • 模块长度 50.5mm
  • 模块宽度 40mm
  • 底座厚度 14.4mm

从下图可以直观看出,整体高度由原来的57.8mm减小到了45.4mm,降低了12.4mm。
因为本次不仅采用了单层电路板设计,而且将电路板的原器件和陶瓷管座全部放在了同一面,整体高度控制的很好,使辉光管模块更加小巧。

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块特点:

  • 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,显示颜色为橘红色)。
  • 采用顶级13脚陶瓷管座,非胶木管座可比,美观大方,插拔方便可靠。
  • 插拔式无限级联设计,无需复杂的接线方式。
  • 板载RGB全彩LED,每个模块可独立控制LED发光颜色。
  • 板载两个Neon Lamps,可独立控制每个氖灯,实现冒号或者小数点应用。
  • 提供简单的通讯接口,仅需4个IO,可连接任意一款单片机系统或Arduino控制板。
  • 5V直流供电,每个模块的工作电流200mA(Max)。
  • 采用更小体积的高集成度逻辑器件,单层双面镀金PCB电路板,尽显艺术气息。
  • 采用激光切割进口亚克力材料上下面板,搭配不锈钢内六角螺丝,保护人体不会接触到170V高压。
  • 全部采用SMT Robot进行贴片焊接和加工,工艺精良。

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块生产加工工艺:

  • 相对于v1.0.1版本来讲,本次v2.0.0版将所有电子器件均改为贴片封装。
  • PCB板采用我的作品一贯风格:深蓝色PCB板+沉金工艺。
  • 最终的电路板全部由高速SMT贴片机贴片加工,品质上乘;
  • 数据接口、陶瓷管座和两只氖灯全部采用手工精细焊接,焊点光亮饱满

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块外壳设计:

  • 激光切割3mm厚进口透明亚克力板做上下面板。
  • 配合7mm高铜柱将主电路板与上下面板连接,防止触碰。
  • 采用尼龙垫圈作为底部电路板焊点支撑。

在电路的设计上,与v1.0.1相同分为以下组成部分:

  • 高效率DC-DC升压模块。与v1.0.1版本不同的是此次工作电压由12V降至5V,可以直接使用USB供电(但杜邦线比较细会造成压降,多个模块级联时请使用电源转接板并连接大功率电源适配器);
  • 辉光管级联驱动模块。本次依旧采用可级联扩展的驱动电路74HC595作为数据层驱动器件,用于辉光管数字、LED、NeonLamps的控制;
  • RGB LED显示器件。在模块的陶瓷底座底部安装有5050的RGB全彩LED,可通过控制实现各种色彩;
  • NeonLamps氖灯。依旧在辉光管右侧安装了两个氖灯,亮起时与辉光管字符颜色一致,可独立控制每一个氖灯的开关;

电源部分是本次改进的重点,v1.0.1版本采用12V电压输入,相对来说升压到辉光管工作所要求的170v会比较简单。
本次采用了5v低电压输入,最低支持4.8v直流输入,均能稳定高效的输出170vDC/3mA的辉光管和氖灯工作所需的电压并满足电流要求。
同时,还需要考虑在有限的PCB空间内将这样一个DC-DC升压电路完美布局在上面。
为此,不仅要做大量的试验,而且还要考虑所使用的元器件体积大小是否能够正常工作的同时,尽量减小体积。

在第一次做器件选型的时候,我选用了一款仙童的高耐压低内阻的MOS管,结果无论如何无法达到理想状态,效率低下且发热严重。
一遍又一遍的研究每个芯片、MOS管、电感、肖特基的Datasheet之后,又做了反复的计算和测试,最终发现MOS管的性能指标没有达到Datasheet上所描述的曲线特性,在关键点与标称值差别很大,问题也许就出在这从来没有怀疑过的元器件本身。
后来为此去市场上、Taobao上买了很多不同品牌不同批次的MOS管,终于找到了实际工作状态表现与Datasheet一致的进口原装仙童的一个批次,还好,皆大欢喜。

所以,我感觉有时候要抱着怀疑一切的心态去做实验,才能解决一些棘手的问题,如果所有的元器件都能够恪守Datasheet的技术指标,也许我们也可以去造卫星了 😉

在反复的试验和测试之后,确定了DC-DC升压电路的方案,虽然已经尽力的选用小体积的元器件,但他们已经占去了大部分的电路板面积,留给串行逻辑驱动芯片74HC595的空间非常有限,无奈只有改为更高成本的TSSOP超薄封装。

最终将所有的器件3D模型建立,确保在所有的器件在大小、高度方面均不会造成干涉之后,PCB板则一次打样成功,无需再次改版、打样。

见下图,实物与设计阶段所能预见到的3维图保持惊人的一致,这也许就是3D建模的优势:

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块接口设计:

  • 本次接口设计采用了类似IV-22荧光管模块的单排接口方式。
  • 输入排针与输出排母均采用标准2.54mm间距,可直接连接杜邦线等常用连接线。
  • 输入排针与输出排母的间距经过精确测量与3D模拟,确保模块与模块能够可靠级联。

在v1.0.1版本中,由于采用了双层电路板设计,不仅两层电路板之间需要用3Pin的端子连接,而且上下两层电路板均设有输入/输出接口,共12Pin输入和12Pin输出。
本次设计一共只采用了6Pin接口,单排设计方式,接口包括2Pin的电源接口,4Pin的数据接口。
具体接口定义如下:

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块电气参数:

  • 输入电压最低4.8v,最高5.5v,模块数量少的话可以直接采用USB供电,无需像v1.0.1版本一样另外需要12v电源。
  • 不仅输入电压降低,总功率也有所下降,单只模块只需要最大200mA电流。

具体电气特性如下表:

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块硬件连接:

  • 由于采用了低压5v供电,并且接口为简单的6Pin标准2.54mm间距端子,所以硬件连接非常简单。

如果采用Arduino驱动,仅需要将6Pin接口对应连接Arduino UNO的相应端口即可,例如:

  • Nixie Module SHCP -> UNO 13
  • Nixie Module STCP -> UNO 12
  • Nixie Module OE -> UNO 10
  • Nixie Module DIN -> UNO 11
  • Nixie Module GND -> UNO GND
  • Nixie Module DC5V -> UNO 5v

如果采用单片机驱动,仅需将6Pin接口对应连接单片机开发板的相应端口即可,例如:

  • Nixie Module SHCP -> P0.1
  • Nixie Module STCP -> P0.2
  • Nixie Module OE -> P0.3
  • Nixie Module DIN -> P0.4
  • Nixie Module GND -> GND
  • Nixie Module DC5V -> VCC

模块与模块之间只需要将排针与母座对齐插在一起即可完成级联,数据入口只有一个,无需每个模块都连接数据线进行驱动。

为了模块与模块级联成一个整体,我还准备了4联一组和6联一组的级联背板。
这样模块就可以被固定成一个整体如下图:

在辉光管模块级联之后,我们就可以通过连接到模块组最右侧的4条数据总线由Arduino或者单片机系统的程序对显示的数字、背景LED颜色、冒号显示方式进行独立控制:

  • 【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。

有了这些灵活的显示模式,我们便可利用这些辉光管显示模块来实现很多不同的应用,例如:电子时钟、计时器、计数器、计算器、频率计等等…..

QS30-1 v2.0.0 辉光管显示模块供电注意事项:

  • 在单独驱动一个辉光管显示模块时,可以直接采用USB供电或直接连接到Arduino UNO的5v电源接口。
  • 在多个模块级联时,由于杜邦线线径较细,存在一定电阻,在承载电流增大时会因分压而造成加载到辉光管显示模块上的电压降低,所以请选用专用的电源转接板连接大功率电源适配器来确保供电稳定可靠。
  • 如果辉光管显示的数字残缺、暗淡,或者LED能够亮起但辉光管无显示,表明供电不足。

看一下通过USB连接杜邦线驱动多个辉光管显示模块而造成压降导致供电不足的现象,如下图,有些辉光管无法显示字符,有些显示字符残缺且亮度不够:

如果要保证多个辉光管显示模块正常供电,建议使用专用的电源转接板,可使每一个辉光管模块都能正常工作。

单独使用和多个模块使用的供电连接方式如下图:

每个模块在显示不同的数字和亮起不同颜色的时候,工作电流不尽相同。
通常情况在驱动6个模块的时候请选用供电能力大于1A的5V电流适配器,并使用专用电源转接板来连接。
电源接口为标准的DC3.5-1.35直流接口,内正外负。

在测试的时候,我采用了一个标准的Arduino UNO,级联了6个模块,打开每一个模块的背景光,并且让6个模块显示了不同的数字,6个模块和Arduino UNO的总耗电电流是1.04A。
如果忽略UNO的微功耗,每个模块的供电电流大约为170mA

具体的测试状态请见下图:

这里还是要重复说明一下辉光管的一个软肋,这也是我们不希望看到的现象叫做Cathode poisoning(阴极中毒),它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。

所以在你的设计应用需要长时间显示的时候,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。

关于硬件辉光管模块的硬件描述和介绍就到这里啦,或许有介绍的不够详细的地方欢迎小伙伴们联系我!
下面就让我们一起欣赏各个角度的新款QS30-1辉光管显示模块的美图吧:

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。

该模块的Datasheet下载地址请移步:

QS30-1 Nixie Module UserManual_CH v2.0.0
Qs30-1 Nixie Module UserManual_EN v2.0.0

该模块完美支持Arduino UNO系统,只需要4个IO通讯端口即可实现数字、背景灯颜色、氖灯的完全控制。
v2.0.0的最新Arduino类库在aGuegu制作的v1.0.1版本的基础上升级而成,完全开源。特别感谢:aGuegu

Arduino Library for QS30-1 Nixie Module v2.0.0

v2.0.0与v1.0.1的类库使用方法相同,使用详情请参考:

阿古作坊: QS30-1 辉光管通用模块 Arduino 类库开发记

其他参考:

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
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