前苏联IV-18荧光数码管时钟开发(ИВ-18)

1. 前言

之前在网上看到辉光管的视频，感觉对前苏联工艺很感兴趣，很喜欢那种复古风，查了很多资料，发现那玩意儿好像咱也玩不起，一个大管子好几百，还要高压电路，忒麻烦了。后来又了解到前苏联的荧光数码管，虽没有那么强的复古风，但是看到那透明的基板，比头发丝还细的栅极网，还是不得不感叹那个时候居然有这么好的工艺。
　　当然对于我来说还是亲民的价格，一根管子不到100，自带8段数字显示，一根管子就能直接当时钟，驱动电压更低，集成DC-DC即可满足驱动需求，大大减小电路体积。
　　当然网上也有大神做出来的成品，但是几百块的价格实在让人难以接受，于是在查阅许多资料后，我决心用低成本方案自制一个出来，因此整篇文章都透露出贫穷的气息 。
　　
　　这里放几张从网上找来的图片：(绝不是我懒得拍)

2. 电路设计

2.1 主控部分

主控部分采用STM32C8T6，很常用的单片机，价格便宜，外设丰富，引脚多。主控部分就是最最最简单的单片机最小系统，由于太简单，就不贴图了。

2.2 电源部分

系统由MicroUSB输入5V供电，供电电路由2个部分组成，一是5V转3.3V为单片机供电，芯片采用ASM1117这种常见的LDO，图就不贴了。
　　另一部分是荧光管供电，电压需控制在40-60V左右，芯片采用XL6007E1，是一款国产DCDC芯片，最高输出电压可达60V，不需要外扩MOS管，SO-8封装满足使用需求。升压电路如下图所示：
　　
　　标准的boost结构，输出电压只需通过调节R7和R8的比值即可，EN引脚接入单片机可以方便控制电压是否输出。5V输入端加入TVS管，防止接错电压烧坏板子，单向TVS管还自带防反接功能，可谓一举两得。

2.3 外设部分

外设部分由时钟、蜂鸣器、温度、红外、光敏、按键，六个部分组成。
　　时钟芯片采用DS3231MZ，内置温度补偿，晶振误差为5ppm，较为优秀，同样SO-8的封装，只需要很少的外围电路即可驱动，电路如下：
　　
　　芯片采用I2C通信，同时具备32.768KHZ输出和秒脉冲输出，将时钟输出接到单片机的晶振输入上，秒脉冲输出接到GPIO上，方便单片机控制。
　　其余部分简单介绍一下：
　　闹钟使用无源蜂鸣器，准备采用单片机PWM控制音调。
　　温度检测使用18B20作为备选，时钟芯片内部有温度模块，但是分辨率只有0.25℃，理论上18B20要准一点。
　　环境光检测采用贴片PTSM D021，0805封装，非常小，准度也高，可以尝试通过检测环境光来调节荧光管亮度。
　　TSOP32240为红外接收管，作为备用，兴许可以用遥控器控制时钟，但似乎没什么必要，总之还是留了接口。

2.4 显示部分

核心部分来了
　　荧光管驱动采用HV5812，专用于驱动荧光管，最高驱动电压为80V，总共20路输出，时序为SPI时序。电路如下：
　　
　　内部框图如下：
　　DATA OUT引脚用于级联，这里只有一个管子，所以不用接，BLANK引脚可以控制是否输出高压，可以通过PWM控制这个引脚，实现荧光管的亮度控制。
　　HV5812的手册对芯片的操作写得很粗糙，所以查阅手册时建议查MAX6921，这个手册写的很详细，两款芯片引脚完全兼容，但是HV5812更便宜，所以这里采用HV5812。
　　
　　IV18与HV5812的连接如下：
　　注意这不是标准连接方法，只是为了方便布线
　　
　　1脚和13脚为管子的灯丝引脚，网上都说用5V供电，但我看用5V供电时灯丝都发红了，但其实采用3.3V供电甚至2.5V供电都可以正常显示，个人认为电压低一点好，可以延长寿命。灯丝同样采用三极管驱动，LTGHT端接入单片机定时器输出引脚，方便以后用PWM调节灯丝电压。

2.5 PCB设计

2.5.1 封装制作

根据网上查阅的资料，荧光管总计22个引脚，呈环形分布，直径大约10mm，如何将这22个焊盘均匀分布成一个圆呢？这里有个AD使用小技巧。
　　①先画一个合适大小的焊盘，标号设为1，复制这个焊盘。
　　②选择：编辑→特殊粘贴→粘贴阵列
　　
　　③阵列类型选择圆形，条款计数是焊盘数量的意思，这里有22个引脚，勾选旋转项目到适合，因为我这里是椭圆焊盘，这个选项可以让焊盘指向圆心，间距是其实是角度，每个焊盘中心与圆心的夹角，360°÷22个焊盘=16.363°，这个要根据实际情况计算。
　　
　　设置完成后点确定，鼠标变成十字，点第一下是确定圆心位置，点第二下是确定1脚位置，一个环形分布的焊盘就画好了。
　　

2.5.2 电路绘制

首先确定外形，外观方面我参考网上的大神，大致为方形，留出三个角用于上铜柱，整体结构使用PCB支撑，不需要制作外壳（省成本）。
　　
　　①设计外观：
　　
　　②摆放元器件
　　
　　③加一点点调整
　　
　　再放上自己喜欢的图案就OK啦，一块荧光管的驱动板就画好了。

2.5.3 投板+采购

这里给嘉立创打一个免费广告，双层板10*10mm以内，5张只要5块钱，还能选颜色，元器件同样是在立创商城购买，种类又多又齐，价格也比较公道。唯一的缺点是PCB板和器件不能一起发货，要给2次运费，加上荧光管的运费等，这个钟的成本里运费占了很大一部分。
　　

2.6 焊接

将原件摆正，用电烙铁焊上即可，焊完后要用洗板水清洗，不然焊点全是助焊剂，很影响，美观。
　　

2.7 装配

由于没有外壳，我采用铝柱将两块板子固定起来，整个时钟由电路板自身支撑，整个时钟6个螺丝即可搞定。

盖板图案

3. 软件设计

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3.1 初始化

初始化步骤大致分为三步：

GPIO_Configuration();		//GPIO初始化
I2C_Configuration();		//时钟芯片初始化
TIM2_Configuration(); 		//定时器初始化
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宏定义：

#define BLANK		PAout(3)	//显示使能，1不显示，0显示
#define CLK			PAout(4) 	//时钟输入
#define LOAD		PAout(5)	//数据加载
#define DIN			PAout(6)	//数据输入，20位
#define LIGHT		PAout(7)	//灯丝
#define BEEP		PAout(8)	//蜂鸣器
#define SQW			PBin(0)		//秒脉冲
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宏定义的方法可以参考原子哥的位带操作库，优点是代码简洁，操作速度快。
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　　SPI和I²C均采用IO模拟方式，I²C的操作方式比较复杂，网上也有很多例程，这里不再赘述，我也基本是照着例程来的。
　　SPI的操作略有不同，由于HV5812的数据是20位的，而STM32F1的硬件SPI并没有20位数据选项，所以需要对网上的例程稍微改一改。
　　改动就是把i<8改为了i<20，再把TxData & 0x80改成TxData & 0x80000。

//	模拟SPI-写8位数据
//	SPI Mode 0: CPOL=0, CPHA=0, MSB
//	时钟为低，数据上升沿发送
//	高位在前
///
void SPI_WriteByte(uint32_t TxData)
{
	uint8_t i;
	LOAD=0;
	for(i=0;i<20;i++)
	{
		if(TxData & 0x80000)
		{DIN=1;}
		else 
		{DIN=0;}
		
		delay_nop(3);
		CLK=1;
		TxData <<= 1;
		
		delay_nop(3);
		CLK=0;
	}
	
	LOAD=1;
	delay_nop(3);
// 	
	LOAD=0;
	delay_nop(3);
}

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3.2 字符显示

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　　根据前面的电路图可得知，段码对应的数据位置如下：

　　因此要显示数字1，则需要将B和C所在的数据位置置1，因此数字1的16进制为：0x24。
　　SPI的数据是20位的，根据电路图可知，低八位存放的是段码数据，剩下的高位存放的是位码数据，高位先全部置1，写入0xFFF24进行测试：

SPI_WriteByte(0xFFF24);
1

就可以看到所有数码管都被点亮了，字符显示已经成功一半了。

　　要想实现显示不同数字，还需要使用动态刷新才行。将位码表和段码表分别保存在2个数组内。将要显示的数字用另一个数组存放，每一位存放一个数字，当要改变显示的数字时，直接改变存放数字的数组即可。由于段码和位码是在一个数据里同时输出的，因此需要在输出前进行组合。
　　动态刷新时，每个字符显示的时间不能太长，否则会出现频闪，也不能太短，否则会使亮度降低，且消耗大量的CPU资源。因此需要合理设置delay_nop的时间。
　　动态显示程序如下：原理很简单，就是高速依次点亮每一个数字，由于视觉的暂留效应，因此看到的是一串数字而不是单个的数字。

u8 DIS_TMP[10]={19,19,0,25,25,14,31,19};			//要显示的数据：hello
/*
 *产品可能存在差异，每个显示管的亮度不一定一样
 *可以分别设置不同的显示延时
 *从而确保亮度一致
 */
void Display(u8* disp) 		//要显示的数，数组形式
{
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[0]|SEG_CODE[disp[0]]);		//DIG_CODE为位码表
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[1]|SEG_CODE[disp[1]]);		//SEG_CODE为段码表
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[2]|SEG_CODE[disp[2]]);
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[3]|SEG_CODE[disp[3]]);
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[4]|SEG_CODE[disp[4]]);
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[5]|SEG_CODE[disp[5]]);
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[6]|SEG_CODE[disp[6]]);
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[7]|SEG_CODE[disp[7]]);
	delay_nop(dsp_nop);
	SPI_WriteByte(DIG_CODE[8]|SEG_CODE[disp[8]]);			
	delay_nop(dsp_nop);
}
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不断在主循环中调用 Display(DIS_TMP);这个函数，就能显示出不同的字符了，效果如下：

一个简单的HELLO WORLD就写好了。

3.3 时钟芯片读写

DS3231MZ的读写是基于I²C的，查阅手册可知，芯片的地址为：0XD0。将芯片地址加入宏定义：

#define SlaveAddress 0xD0 		//从机地址（写）
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继续查阅手册可以得知，时间的寄存器位置，将寄存器位置保存在数组中，方便调用：

u8 RTC_Addr[8]={0x06,0x05,0x04,0x02,0x01,0x00,0x11,0x12}; 	//寄存器地址
			//  年,  月,  日,  时,  分,  秒, 温度H,温度L   
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将读取的时间存入显示变量，需要注意的是，时间保存的方式为BCD码，需要转换为HEX才能正常使用。

	for(i=0;i<6;i++)			//读时间寄存器
	{
		RTC_TIME[i]=Single_ReadI2C(RTC_Addr[i]);
	}
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将转换好的数据按位转换，存入DIS_TMP 。

DIS_TMP[0]=RTC_TIME[5]%10;
DIS_TMP[1]=(RTC_TIME[5]/10)%10;
DIS_TMP[2]=16;	//横杠
DIS_TMP[3]=RTC_TIME[4]%10;
DIS_TMP[4]=(RTC_TIME[4]/10)%10;
DIS_TMP[5]=16;	//横杠
DIS_TMP[6]=RTC_TIME[3]%10;
DIS_TMP[7]=(RTC_TIME[3]/10)%10;
DIS_TMP[8]=19;
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之前的程序中，主循环一直在调用Display(DIS_TMP);，在主循环中加入刚才的时间读取和数据转换函数，即可显示时间。效果如下：

3.4 温度

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3.5 秒表

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3.6 闹钟

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溜了，剩下的后面再写