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用单荧光数码管做一款“情有独钟”
发表日期:2011-07-06 16:22:28 来源:《无线电》杂志 作者:段卫军 【 】 浏览:23706次 评论:3

    一直对荧光数码管特别青睐,那种迷人的光辉让人久久不能忘怀,平常有机会看到中意的荧光数码管都会收藏一点。前些天整理我的仓库,找出一些YS30、YS18荧光数码管,本来想再找些凑数,做一些4位或者6位显示的荧光数码管时钟,可国内、国外在20世纪80年代末期就停止了这种数码管的生产。现在常见的基本上都是平板型的荧光显示器件了。现在能够找到的都是一些工厂的库存或各位电子爱好者手中的收藏了。既然这么珍贵,一次用6只荧光数码管做一个时钟那真是太奢侈了。于是想到用手上仅有的这些,做一个单管的通用时钟板,既可以安装“亭亭玉立”的YS18-3竖管,也可以安装“憨态可掬”的YS30-3立管。我给这个制作取名——“情有独钟”,呵呵,寄托了我对这些古老的荧光数码管的怀旧和痴迷之情!

认识YS30-3YS18-3荧光数码管

我们请这次制作的主角登场——YS30-3、YS18-3荧光数码管,大家先看看实物,有个感性认识。

这些年代久远的VFD因为都是玻璃管状,而玻璃管的吹制、装配基本靠手工完成,也就决定了找不到2只一模一样的管子,这也恰恰是它的珍贵之处。

 

YS18-3,顾名思义,竖管的直径是18mm,因为都是人工操作,管的高度在45~50mm,那2根长些的管脚是灯丝的引入脚。图上K代表灯丝管脚,G代表栅极,小写的a~i代表阳极笔段,见图2~图4。YS18-3的详细参数见表1。

表1

图2  YS18-3实物

图3  YS18-3外形图

图4  YS18-3电极接线图

                         

    YS30-3,圆形管的直径是30mm,显示面在管的顶端。图上K代表灯丝管脚,G代表栅极,小写的a~i代表阳极笔段。见图5~图7。YS30-3的详细参数见表2。

图5  YS30-3实物

图6  YS30-3外形图

图7  YS30-3电极接线图

表2

                        

YS18-3显示字符在竖管的侧面,YS30-3显示字符在圆管的顶端,各有特点,在设计电路时我考虑将这两种管子充分利用起来,这样我们可以根据自己的喜好以及手中现有的管子来进行相应的安装。

 

电路设计

    器件准备就绪,怎么样将他们点亮,按照自己的要求来显示呢?简单点说,就是在灯丝上加上适当的交流或直流电压,然后在栅极加上一个20~30V的直流电压或直流脉冲,再在需要显示的阳极笔段也施加20~30V的直流电压或直流脉冲,就可以点亮了相应的笔段了。

电路原理图见图8。

图8 电路原理图

 

   因为本制作不算太复杂,8个笔段控制部分占用8个I/O口;实时时钟占用3个I/O口;按键部分占用了3个I/O口,电源控制部分占用了1个I/O口。在资源够用的情况下选用了AVR Atiny26L单片机作为控制用的MCU,预留了编程接口,可以在线烧写程序。

1.电源供电部分

整个电路由5V直流供电,使用miniUSB接口,电流在100mA左右,这样可以直接使用电脑USB接口或者小型5V 的USB充电器供电。

2.灯丝供电部分

灯丝供电一般有交流供电和直流供电两种方式。之前的一些老产品,在管子数量达到几个的情况下,一般采用定制交流变压器来达到交流供电的目的。在这里考虑体积、成本,不太可能找厂家定制专用变压器,加上是单管,不存在管子多了,显示亮度不一致的问题,所以笔者最终采用了稳压直流对灯丝供电。

灯丝电压值的设定对保证显示品质及寿命有重要的影响。如果灯丝电压过高,电流或亮度并不随之增加,反而会因阴极温度上升,而加速钨丝芯线上氧化物的蒸发,同时也会污染荧光粉表面,使发光效率及亮度提早下降,而缩短馆子寿命。相反,如果灯丝电压过低,因阴极温度下降,便无法获得充分而稳定的热电子发射,致使显示品质劣化或灯丝电压变动而使亮度不稳定。而且,灯丝长时间在低的电压条件下使用,会引起可靠性下降,必须特别注意。因此,灯丝电压应设定在标准值±10%的范围内。在实际使用中,当不知道VFD管的灯丝电压参数时,可以通过稳压电源从低到高慢慢调整灯丝供电电压,使灯丝在黑暗的环境中看上去微红即可。

  经实际测试,我使用的南昌牌荧光管灯丝在使用1.2V直流供电时效果很好。而手头上还有一种不知名的荧光管,在1.5V直流供电时才合适。在这里,我使用了LM1117-1.2V直流稳压芯片给灯丝供电,考虑到可以方便地更换为LM1117-1.5V或者LM1117-1.8V芯片,通过串联的分压电阻R27选择合适的阻值,可以配合使用各种特殊的荧光数码管。

3.栅极、阳极高压部分

由于灯丝使用直流供电,相应的高压部分可以使用简单的DC-DC变换电路来实现,这里使用最常见的MC34063芯片。目前这个芯片被大量应用,原理我就不多说了。在我的电路里,高压V=1.25×(1+R17/(R18+RP1)),电压值在20~26V的范围可调。

4.实时时钟

虽然制作这个电子钟不是完全为了看时间,但时钟功能是最起码的部分。在这里,我使用了大家比较熟悉的DS1302实时时钟芯片,采用时钟晶体加上匹配电容,备份锂电池,来保证它的准确\可靠,并达到停电计时的目的。

5.高压驱动

前面已经描述过了,只要加上合适的灯丝电压,将栅极以及笔段阳极加上高压就可以点亮相应的部分。在这里,因为只有一个管子,我就直接将栅极接上高压,然后控制阳极的笔段就可以了。MCU不能直接驱动高压部分,电路中采用了NPN+PNP达林顿方式来实现驱动。

 

程序设计

    这个制作的外围电路已经敲定,接下来就是MCU程序部分了。因为只采用了一个荧光数码管做时钟显示,为了正确显示时间,显示方式就要变通一下了。比如显示HH:MM,就要分4次显示。我是这样规划的:先显示小时的十位,间隔0.5秒显示小时的个位,间隔0.5秒显示分钟的十位,间隔0.5秒显示分钟的个位,再间隔2秒进行下一个循环显示。

    电路上设计有3个按键,S1负责时间调整,S2负责关闭开启时钟,S3负责秒调整及归零。按下S3时,程序将秒钟归零,以便准确对时;按下S2时,程序控制VT17 场效应管,将切断灯丝和高压部分的供电,达到节能和延长灯管寿命的目的,在关闭状态下按S2,将启动时钟正常显示。在正常显示状态下,按下S1,时钟会停止在当时显示的那位,再次按下,就可以调整这位的数字,当2秒内没检测的按键按下,时钟恢复到正常显示状态。依照这种方法,就可以分别调整HH:MM的每一位了。

    一般8字型LED加上小数点是8段,使用“a、b、c、d、e、f、g、h”来表示,YS18-3和YS30-3都另外多了一段“i”,见图9。

图9 荧光数码管的段位

    在这个时钟设计里,小数点“h”没用上,而将“i”段用上,这样在显示数字“4”时,看上去会更加合适。比如我们要显示“4”, 只要控制将 “f、g、b、c、i”加上高压就OK了。根据这个原理,10个数字字模就是: 0x3F(0)、 0x06(1)、 0x5B(2)、0x4F(3)、0xE6(4)、0x6D(5)、0x7D(6)、0x07(7)、0x7F(8)、0x6F(9)。

    单片机的程序设计流程如图10所示。

图10 程序流程图

安装调试

这个制作完整的元件清单见表3。

 

表3

元件标号

封装

型号

数量

备注

VT1~VT8

SOT-23

2L

8

PNP  2N5401

VT9~VT16

SOT-23

G1

8

NPN  2N5551

VT17

SOT-23

JP

1

PMOS CPH3314

R1~R8

0805

10kΩ

8

 

R9~R16

0805

1kΩ

8

 

R17

0805

30kΩ

1

 

R18

0805

1.5kΩ

1

 

R19

0805

200Ω

1

 

R20、R30

0805

1Ω

2

 

R21、R22、R23

0805

4.7kΩ

3

 

R24、R25、R26、R28

0805

10kΩ

4

 

R27

1206

1Ω

1

 

R29

1206

5.1kΩ

1

 

RP1

 

500Ω

1

贴片可调

C1

 

220μF

1

16V 电解

C2、C4、C5、C8

0805

0.1μF

4

16V

C3、C6、C7

 

10μF

3

16V 电解

C11

 

10μF

1

50V 电解

C12

0805

680pF

1

 

C9、C10

0805

12pF

2

 

D1

 

SS14

1

肖特基二极管

F1

2512

200mA

1

自恢复保险

Y1

 

32768

1

时钟晶体

J2

 

 

1

miniUSB

U1

SOP20

ATINY26L

1

 

U2

SOP8

DS1302

1

 

U3

SOT223

LM1117

1

1.2V

U4

SOP8

MC34063

1

 

 

为了作为纪念收藏,我专门制作了PCB,采用黑色阻焊,视觉上感觉更好。拿到板子按照原理图,将元件对应一一安装。

图11 焊接完成的PCB

 

在安装过程中要注意几点:

1.使用防静电烙铁进行焊接,焊接时间尽量短;

2.对照上面荧光管资料,确保焊接正确;

3.荧光数码管是玻璃制品,安装和使用过程中尽量避免受到冲击和碰撞。

4.YS30焊接前一定要将管脚处理好,便于焊接,焊接过程尽量快;

5.焊接完后不得使用超声波清洗,否则可能引起灯丝断落和荧光粉剥落;

6.使用过程中不要用手触摸荧光管,静电会影响显示,严重时会造成短时不显示。

焊接完毕,清洗后通电,按图11所示检查电压是否正常。如正常,则制作基本大功告成!图11、图12是两种管子制作完成后的实际显示效果。

图 11 YS18-3的显示效果               

图12 YS30的显示效果

什么是VFD

    VFD是真空荧光显示屏的英文缩与(VACUUM FLUORESCENT DISPLAY)。最开始是在1967年由日本伊势电子株式会社以中村先生为首的研究小组发明的,是一种从真空电子管发展而来的显示器件。由发射电子的阴极(直热式,统称灯丝)、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极、栅网、玻盖构成。它利用电子撞击荧光粉,使荧光粉发光,是一种自身发光显示器件。由于它可以用于多色彩显示,亮度高,又可以用低电压来驱动,非常容易与集成电路配套,所以被广泛应用在家用电器、办公自动化设备、工业仪器仪表及汽车等各种领域中。(见图13)

图13

发展历程

    国内最早的VFD 是1973年由绍兴电子管厂生产的。经过近40年的发展,其性能不断提高,显示形式从单色圆柱管的数码管显示发展到平板型的多色矩阵图形显示。20世纪90年代初,日本试制成功薄膜栅型VFD,并实现商品化,较好地满足了高信息容量显示的需求,使VFD继续保持旺盛的生命力。

应用领域

    VFD目前广泛应用于家用电器(微波炉、洗衣机等)和音响/视频设备(影碟机、音响、录像机等)民用产品中,还广泛应用于汽车、收银机(包括计税收款机)、电子衡器、仪器仪表及公共显示装置上。VFD所具备的自发光、视角广、辉度亮的显示特性,及工作温度范围宽、寿命长、可靠性高等优点,使之在上述领域难以被其他显示器件所替代。只是,现在新型VFD朝着平板化、点阵化、驱动芯片内置等方向发展了,再也难得看到管状的VFD了。

发光原理

    VFD种类虽然繁多,但其基本构造与原理类似:玻璃盖和基板形成一个真空容器,在真空容器内以阴极CATHODE(灯丝FILAMENT)、栅极(GRID)及阳极(ANODE)为基本电极,还有一些其他的辅件(如消气剂等)。灯丝是在不妨碍显示的极细钨丝芯线上,涂覆上钡(Ba)、锶(Sr)、钙(Ca)的氧化物(三元碳酸盐),再以适当的张力安装在灯丝支架(固定端)与弹簧支架(可动端)之间,在两端加上规定的灯丝电压,使阴极温度达到600℃左右而放射热电子。栅极也是在不妨碍显示的原则下,将不锈钢等材料的薄板进行光刻蚀后,形成金属网格,在其上加上正电压,可加速并扩散自灯丝所放射出来的电子,将它导向阳极;相反地,如果加上负电压,则能阻拦游向阳极的电子,使阳极消光。阳极是指在形成大致显示图案的石墨等导体上,根据显示图案的形状印刷荧光粉,在其上加上正电压后,因前述栅极的作用而加速,扩散的电子将会互相冲击而激发荧光粉,使之发光。通过改变荧光粉种类,可以获得自红、橙色到蓝色的各种不同颜色。

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