二十四小时的感动(古典版II) 自制QS18-12辉光管电子时钟【严泽远作品】

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前几天刚刚完成QS30-1管的辉光钟,有不少朋友在向我讨教如何制作。说实话,就个人而言,我更喜欢QS18-12辉光管。

QS30意思就是直径30mm,QS18当然管子直径只有18mm,虽然个头小,但QS18-12辉光管是立式的,而且看起来感觉更古典。老规矩,先秀一下做好的NIXIE tube Clock with QS18-12(拍照的时候依然使用了一些客厅的小道具,哈哈),然后再附上设计制作过程。大部分过程在QS30-1辉光管电子时钟的制作贴里介绍的很详尽了,这里就把根QS30-1设计和制作过程不同的地方说一说。
SHOWTIME:


一、本次DIY的QS18-12辉光数码管电子钟功能及特点(跟QS30-1管做得辉光钟操作方法完全一致,依然全部采用红外遥控,只是少了星期显示功能)
1、采用DC12V供电,最大耗电电流280mA。
2、使用6只QS18-12辉光数码管,能同时显示年月日或同时显示时分秒。
3、采用4颗直径3mm的氖灯,能指示时钟冒号。
4、采用红外遥控器进行所有功能操作(开/关时钟、显示农历、公历、室内温度、调整日期时间等等)。
5、每颗辉光管底部有一颗贴片高亮白光LED做背景灯,在关机的时候背景灯能够每秒钟交替明暗一次(注意是明暗过渡,不是亮和灭,采用了PWM制作的LED调光,在晚上效果很炫),也可以在开机的时候通过遥控器打开或关闭背景灯功能。
6、采用无源蜂鸣器来对每一次遥控操作进行声音提示,不同的操作功能和结果会有不同的响声。
7、能够根据公历时间自动计算出农历日期,在设置时只需要设置好公历日期即可。
8、为了延长辉光管的寿命(毕竟电子管的寿命相对LED短很多),可以用遥控器关闭辉光时钟,但每到整点时刻,辉光钟能自动启动显示10秒钟时间,启动时会有整点报时。
9、采用18B20作为温度传感器,能够显示室内温度。
10、全部电路布局在一块双面电路板上,电路板经过精心设计,线条细腻,与辉光管相映成辉,所有GND网络线条均镀金处理,电路板厚2mm。
11、内部采用DC-DC升压电路,提供180v的直流高压供辉光管使用,体积小,效率高。
12、采用C8051F023作为主控MCU,所有程序采用C语言编写。
13、采用74HC145做译码控制辉光管显示相应数字。
14、采用DS1302时钟芯片,配合西铁城高精度晶体谐振器(32.768kHz,精度±5ppm)。
15、MCU及时钟芯片等所使用的5v电源也采用DC-DC电路降压,效率高,发热量小。

二、设计之前了解到的QS18-12辉光数码管参数特性及相应的必要试验
QS18-12辉光数码管跟QS30-1的工作原理相同,这里也不再赘述,根据我的设计思路,还是习惯先作必要的测试实验。
先来SHOW一下拿到的QS18-12管子,这些管子的年龄依然比我还要大,而且比QS30-1管子还要早几年:

新光的管子,说实话还真不知道是在哪儿产的。不过75年我国能有能力生产这个管子的地方也不多。
上工作台,还是老样子,用洞洞板搭出来一个升压电路,看看能否点亮QS18-12,然后测试相应的参数,选择合适的限流电阻等等。同样是使用MC34063+IRF840做的升压电路,在QS30-1辉光钟上已经成功应用了。
虽然体积比QS30-1小,但是字可不比它小,因为这个QS18-12个子高,SHOW一下测试时点亮的效果吧:

近距离的看一下QS18-12,显示的数字比较细腻,而且数字尺寸比QS30-1的大一些。

三、电路原理图设计及PCB板设计
上面这个实验验证了QS18-12辉光管的工作条件与QS30-1一样,在这之后就可以放心设计其他部分电路了。不过这次打算换个玩法,不打算选用C8051F310作为主MCU了,打算换个C8051F023玩玩。译码器这次不选用串口的了,选个并口的74LS145用用试试。数字电路这东西想要达到目的有很多选择,多用几种方案也能多积累点经验,不过这些IC以前用的太多了,各有各得优点,但都能满足驱动辉光管译码的目的。这东西要自己给自己创造锻炼的机会,呵呵。
这些电路也几乎不用做实验了,不多说,上电路图,与QS30-1不同的地方就是译码部分和MCU部分:

设计PCB的时候,我还是花了不少时间在元器件的布局上,依然采用全部SMT贴片工艺,并且将所有的元器件布局在一块电路板上,双面板,不过这次的PCB尺寸比QS30-1的尺寸小一些,是176mm x 50mm。
上层依然不放置任何元器件,保持整洁的效果,线条也是围绕每一个辉光管做环形迷宫,哈哈。
总之工艺跟QS30-1的辉光钟相同,SHOW一下效果:



四、硬件电路的焊接与调试过程

PCB板跟QS30-1一起做的,而且采用同样的沉金工艺处理,看一下PCB板的效果:






准备操刀焊接,上次焊完QS30-1,家伙事儿都没收拾,还是老样子,热热身,开始焊。

依然是老规矩,先把高压升压部分电路焊接完成。电路跟QS30-1用得是一样的,一颗MC34063,一颗MOS管SPP9435,还有个330uH的贴片电感和MOS管IRF840。只是电路板布板不同。
反复的检查…………还是反复的检查………..
通电,升压电路正常工作。

这就是焊接好高压部分的电路板:

继续焊接5v DC-DC部分电路,焊接完毕以后同样是检查再检查………….
通电,一次性通过。

这是5V DC-DC部分的电路焊接好的样子:

下面开始焊MCU了,因为这次是64个脚的TQFP封装了,比C8051F310的间距小很多,所以焊接难度比310大一些。不过用刀头还是能很轻松搞定,目前我的记录保持在33秒左右。
第一步还是把焊盘的一个角上沾上锡,然后拿镊子夹着芯片,对准焊盘,把一两个角给焊上。
第二步就拿焊锡丝使劲儿的上锡,不用管粘不粘连。
第三步就是用刀头沾上松香一下两下就能把所有的锡挂下来,而且保证焊接牢靠。
看一下过程照片:

花了一会儿功夫,把所有的元件全部焊上。
电容30颗、电阻43颗、三极管70颗……………..

SHOW一下:



中间的两个冒号,用了两个3MM直径的氖灯,跟QS30-1上面用得一样,在上篇帖子里做过详细介绍。
然后还是用5MM直径的小试管给套上,呵呵,这个小试管跟QS18-12也很搭配。
SHOW一下:



六、编写译码电路驱动程序
这次使用的译码电路是74LS145,也是是很常用的器件,并口通讯,非常简单,我就不再赘述。
驱动起辉光管后的效果:

七、编写DS1302时钟芯片读写程序
八、编写18B20温度传感器读写程序
九、测试红外线遥控器发射和接受,编写红外遥控器解码程序
、使用红外线遥控器实现相应功能
       这些程序在QS30-1的制作贴上都做过详细介绍,程序移植过来花了5分钟时间,包括红外线遥控器的操作功能全部一模一样,只是在制作过程中发现了一个严重的问题:
        我被这古老的辉光管资料严重误导,如下:

还好,只是管脚定义弄错了,原本不用的小数点其实是显示数字’4’用的。结果没办法,只能每个辉光管上飞一根线。就跟上面图一样。
跟QS30-1的创意相同,我在每个辉光管屁股底下放一个高亮度的白光LED,但是这次没法放贴片的了,只能用直插的上。先把LED管脚弯一下,就跟下图一样,然后焊在辉光管底部的大孔中部,发光要对准辉光管,呵呵。

十一、大功告成,为辉光钟上一个底板,就用镀金的PCB板做外壳。

整体硬件、软件全部完成。
跟QS30-1完全不同的风格。
还是为了不磨损金层,用了尼龙的螺柱跟螺丝,继续奢侈的用一块沉金的PCB板做底座,终于站立起来,呵呵!

十二、总结,上图,收工。

        因为有了上次做QS30-1辉光钟的程序,所以这台QS18-12辉光钟用了两天就全部完成。风格类似,整个电路板硬件部分全部集中在一块双面PCB板上,而且只用一面布局元器件,整体从上面看起来非常整洁。
        沉金的线条还是那么金黄色,而且很难被氧化,这些镀金线条围绕衬托在辉光管的周围依然很匹配。 在打造这个辉光钟的过程中,从硬件到软件都体现了古典与现代结合的特色。         这里面用到的元器件前后跨越30多年,现在把它们组合在一起做成了一个记录时间流逝的时钟,也算用它们去铭记历史,见证发展。
        下面还有我做的三个时钟的合影(QS30-1辉光钟,QS18-12辉光钟,LED点阵时钟)
        不多说了,上图,收工。

























最后再SHOW一下我的机库,哈哈!两架450 3D电直。


DIY是一种享受,享受的是过程,更是结果……

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作者:严泽远
QQ:6626209
2010-11-25


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