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OpenVFD:6位数字IV-11 VFD管时钟

2017/12/28
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介绍OpenVFD - 色彩鲜艳的VFD时钟,灯光效果使时钟跳舞,发光或变成彩虹。

我来和大家分享我自己制作梦幻时钟的结果。电脑可控,五颜六色照明的6位数时钟利用老式的苏联IV-11真空管。在Arduino C代码中完全编程,OpenVFD实现了完整的Arduino Uno USB连接平台,使其兼容,便于大家理解,分解,扩展和改进!

第一步:介绍:概念

那么什么是VFD?

认识一位老朋友的VFD,一个非常特殊的真空管在60年代开发的。它们以清晰明快的独特亮度呈现出清新的未来派色彩,并将其应用于计算器,音响,车速表,收银机等各个领域。至于OpenVFD时钟,我使用的是旧的俄罗斯所谓的“ IV-11 ”管。当时,他们被链接在一起,组成了大型计算器的显示器。许多这些管子都是生产出来的,即使在今天也很容易获得。

OpenVFD背后的哲学是什么?

我想用最漂亮的颜色重新创建VFD时钟,看看多彩的时间。一个IV-11时钟与不妥协的亮度管,通过独立可控小LED灯empathized。每一种颜色都被一种极简的精确切割的丙烯酸玻璃覆盖,当它们到达丙烯酸表面或管子的玻璃时,每种颜色都被扩散,反射和分散。当音乐跳舞时,他们创造出充满活力的情绪,安静的环境光线或完美的派对时刻!

第二步:简介:一个小BOM

简介:一个小BOM的图片

构建时钟所需的部分将很大程度上取决于您如何构建它。只是玩耍,建立一个带状网格的原型钟表,甚至可以准备生产的产品。如果您希望使用此Instructable交互式构建您的时钟,那么这里有一个小小的BOM,可以让您感受到您所需要的东西:

这两个模块都可以被一个专为驱动6x IV-11管而设计的OpenVFD EcoPower模块所取代!

第三步:基础知识:了解IV-11

基础知识图片:了解IV-11

这一切都始于这个老俄罗斯IV-11管。我们如何点亮灯管?更具体地说,我们需要什么样的电压来关闭一个分段?那么打开一个细分市场呢?什么是管的引脚布局?让我们通过查看上面的引脚图来回答这些问题。引脚1和11属于加热器(阴极)。两个引脚都可以接地(0V),另一个接收大约1.5伏的阴极电压。后者的电压需要一直在发光。引脚2是网格引脚。给这个引脚30V(阳极电压)启用显示所有其他引脚(引脚3到引脚10)是称为“a”到“g”的段的正极引脚。30V将开启该段,0V将关闭。这真的很简单。本数据表中的史前绘图将管作为示意图。如果你熟悉管道,你一定会注意到IV-11只是一个奇特的三极管。事实上,这就是所有的VFD管和显示器。那么有人用VFD显示器制造出一个电子管放大器是不是很疯狂?

第四步:基本原理:生成正确的电压电平

基础知识的图片:产生正确的电压水平

现在我们已经发现了什么样的电压水平,我们的VFD管需要正常工作,现在是时候确保我们从基本电源电压产生他们,比如5V。(5V是电子爱好者最常用的电压)。这个想法:降压和升压转换器!

只有两种奇特的方式来描述电路中的较低电压,反之亦然。我们可以使用其中之一,因为我们必须从升压转换器获得所谓的降压和30V的1.65V 。我们将要使用的芯片取决于一个重要的问题:我们的管阵列将得到多少电流?浏览一下数据表,就可以了解管道当前的部分在最大负载下的耗电量。我们来做一些简单的数学。我们有六个管。每个管子有8个阳极,一个栅格和一个加热器。一个好的猜测是:

  • 阴极电压电流要求(最坏情况):

6 *阴极电流= 6 * 110mA = 660mA

  • 阳极电压电流要求(最坏情况):

6 *(6 *工作阳极电流+电网电流)= 6 *(6 * 5.0mA + 17.0mA)= 228mA

这将是大约7瓦阳极和大约1瓦的阴极总功耗。这是一些体面的消散,也是为什么我们不会折磨线性监管机构的下台路径。要进行测试,请将XL6009升压,降压LM2596模块,并设置电位器,使其达到正确的电压水平。

对于我的第一个 PCB设计,我已经使用LM2576-ADJ降压,而LM2577-ADJ升压只是因为它们在我的本地商店有售。如果您想知道两个电路图有什么差别 - 它们会显示基于数据表中某些给定方程式(LM2576,LM2577)的计算结果。你可以做得更好,得到一个 OpenVFD EcoPower模块 专为驱动6x IV-11管而设计 - 但基本上任何满足这些要求的IC都可以正常工作。

得到正确的电压水平?现在,您可以将试管放在面包板上,然后打开和关闭旋转部分。你能告诉哪个引脚属于哪个段,哪个引脚的小数点是?试图显示所有的数字0至9,甚至可能是一些字母?

第五步:基本原理:获得控制 - 一种离散的方法

基础知识图片:获得控制 - 一种独立的方法

既然您现在知道您的VFD如何通过向阳极施加正确的电压来显示字符,那么现在是时候做更多了。所以VFD背后的控制思想不会是一个人,或者是你雇用的一个精锐的人,他们真正快速地解除和重新分段电压,而是以一种高度精确的方式切换微控制器。但是有一个小问题使我们无法直接将管段连接到微控制器:

在典型的微控制器(TTL)0和5V之间切换,而5V的装置的逻辑“1”或“ HIGH ”和0V的逻辑“0”或“ LOW ”。还记得30V时我们需要30V和15mA以上吗?我提到了电流,因为微控制器只能切换非常有限的电流(典型值:20 mA @ 5V)。有时候,这足以切换绿色LED而不是VFD部分。所以我们必须拿出给出所需的30V至我们的VFD段,当我们使用“电路HIGH ”告诉段,当我们去“就和0V转向段LOW ”。

离散的方法:但是,我们究竟如何切换只有5V的部分?我相信,我想到的最初的电路简单直观。它建立在NPN-PNP双极型晶体管对上,NPN接收0-5V输入,并在PNP上开关30V。看看它怎么运作:假设我们想要关闭一个管段。所以我们将0V应用于控制输入。基极电压为0V,所以NPN晶体管关闭,对不对?这意味着没有电流可以通过R2的路径,并且PNP晶体管被R3上拉至30V(VDD)。正因为如此,我们知道我们的PNP也不会开启,而且我们的分段已关闭,因为它没有任何电流。现在我们来看看为什么“CONTROL” 上的 5V 会打开这个段。使用正电压时,Q1将导通。这使得R2和R3成为一个分压器,Q2的基极肯定会接收到一个小于30V的电压。因此,Q2也会开启,将30V切换到管的阳极。该部分现在点亮!再加上端口扩展移位寄存器(稍后我将讨论),可以在上图中看到带有48个NPN-PNP对的管控制原型板。我已经向你展示了这个电路,因为我相信每个人都至少有一些BC547 和BC557 在撒谎。所以,如果你有一些,不要犹豫,现在使用这些控制电路在面包板上!

第六步:基本原则:获得控制 - 综合解决方案

基础知识:获得控制的图片 - 综合解决方案

如果你对焊接有点熟悉,你知道焊接70多个SMD晶体管根本就没什么好玩的。所以我们必须修改我们的分立电路,朝更高的集成度迈进。同时,我很高兴地告诉你,我们正在接近OpenVFD的最终管电路。

背后的想法是,我们试图得到一个非常相似的NPN-PNP对。为什么?因为我们仍然需要将30V切换到段。发现UDN2981 8x TTL,所谓的高端开关是一个不错的选择。

如果是在面包板上,也可以随意发送TTL电平输入到刚刚获得的UDN2981(TD62783将完成相同的操作)。但要小心,不要短缺任何输出。这会立即烧毁内部晶体管,因为它们根本没有保护。

第七步:基础知识:连接微控制器

基础知识:连接微控制器的图片

图中所示的是最终原理图中的OpenVFD的完整管电路。

我所做的只是在步骤4中复制和粘贴电路六次,因为我们需要六根电子管。现在是时候揭示74HC595的功能了。先前提到和看到,74HC595是一个移位寄存器。我们使用它,因为微控制器只提供非常有限的I / O引脚数量。移位寄存器可以让你用三个引脚连接更多的东西:我们所有的数据都通过一个串行引脚进入移位寄存器,控制我们以前遇到的高端开关来打开和关闭管段。

现在,如果你的管电路是安装好的话,准备好你的微控制器!我们将首次对六个VFD管进行控制。如果你想使用Arduino板,就像我一样,连接

74HC595的时钟引脚(引脚11),SCK 引脚到Arduino Uno的引脚D2

74HC595(引脚12)的锁存引脚,RCK 引脚D3

和74HC595的串行数据引脚(第一个移位寄存器的引脚14),SER到Uno的引脚D4

用我为测试写的一小段代码玩一些乐趣。这只是一个简单而愚蠢的计数器,从零开始计数到999,999。最顶级的Fritzing图片显示了第一款74HC595应该如何连接。除了引脚9(串行输出)外,所有的输出引脚都将连接到UDN2981,而引脚9必须连接到下一个74HC595的串行输入引脚。

vfdCounter.inovfdCounter.ino下载,详情见附件。

第八步:添加功能:实时时钟 - DS1307与DS3231

添加功能的图片:实时时钟 -  DS1307与DS3231

我们还需要什么VFD时钟?噢,是时钟了。所以最后我们添加一个提供时钟功能的电路。我们所谓的RTC(ř EAL 吨 IME Ç锁定)备份用电池,使得时钟可以勾选上即使OpenVFD断开本身。这是有道理的,对吗?因为我们不想在下次打开的时候失去时间。我们选择DS1307和DS3231模块:

DS1307是一个负担得起RTC溶液,控制简单,但具有取决于使用的晶体权衡精度-其通常相当不准确的温度变化引起的。我有一天DS1307一分钟或更长时间的情况。这根本不适用于商业产品。幸运的是,DS1307模块很容易(几乎)被DS3231模块取代。DS3231是一款具有TCXO(温度补偿晶体振荡器)的RTC,可确保每年不到一分钟的误差。毕竟,你想要哪一个取决于你想要的准确程度。它们都经过测试,可以兼容于OpenVFD原理图和固件软件)的引脚和源代码。我们将DS1307 / DS3231模块的I2C接口连接到Arduino的I2C引脚(SDA - > SDA,SCL - > SCL)。

第九步:添加功能:点亮时钟

添加功能的图片:点亮时钟

现在让我们来添加OpenVFD时钟最令人难忘的特性:点亮管子的LED,创造我们都喜欢的效果和情绪。它开始于找到合适的,可靠和明亮的RGB LED。为什么是RGB?这里有美丽的色彩是如何工作的:我们结合三色RGB,以获得新的颜色。举个例子,紫色就是蓝色和红色混合在一起。符合WS2812B数字LED。这个LED就像一个移位寄存器,通过一个单一的数据引脚来传输数据。是什么让WS2812B真正可爱的是,完全相同的LED在NeoPixel由Adafruit发现。即使OpenVFD固件不依赖于任何Adafruit库(但是在这个精彩的Instructable中完成的工作),Adafruit仍然在这个LED上提供了辉煌的文档,可以帮助他们工作。看看连接图。OpenVFD连接了六个WS2812B,分别点亮六个管。

就像传统的Arduino-Hello-World使用Pin 13进行“闪烁”程序一样,我们的LED串联在引脚13上!不要担心,如果他们是SMD和不那么面包板友好。像这样的Adafruit突破板将解决这个问题。或自己创建一个突破板!

第十步:添加功能:一切都融合在一起

添加功能的图片:其他所有东西并放在一起

当OpenVFD没有连接到PC时,使用四个触觉开关来设置时间,玩颜色并做更多的事情。固件OpenVFD使他们对长按和长按有反应。

一个麦克风模块(MAX9812),使您的VFD时钟舞你喜欢的音乐。它测量空气压力变化的声音,并发送相应的电信号,然后由微控制器进行评估。温度测量由LM35传感器完成,将温度转换为电压。我们的微控制器将其转化为我们都了解的温度值。当RTC使用DS3231进行精确的准确测量时,由于导线的热传导,LM35和DS18B20都不能在PCB上的OpenVFD版本上正常工作。

我们完成了完整的VFD时钟电路设计。您可以下载并查看下面的完整原型电路图。如果您现在已经在面包板或原型板上得到它,我们完全准备好OpenVFD固件上传到您的微控制器。下面你会发现它的最新版本的OpenVFD固件。编译时,确保库RTClib,Wire和digitalWriteFast已经准备就绪。这些是OpenVFD的唯一依赖。这里解释一下关于固件如何工作的一切。

OpenVFD_FW16.inoOpenVFD_FW16.ino下载

pSch_1.pdfpSch_1.pdf下载

详情见附件。

第十一步:建立OpenVFD:电路板和装配

对于最终的原型,我设计了一个印刷电路板(PCB),用于固定和连接组件。设计是如此简单。它包含一个机箱安装螺丝孔,功能按钮和插头安装在时钟的背面。装配从具有最低部分轮廓的电路部分开始。在最后一步中,六个IV-11管被添加到OpenVFD,我们完成了。我决定不发布PCB文件,因为它不适合家庭蚀刻(数百个过孔和薄痕迹)。

第十二步:建立OpenVFD:丙烯酸案例

丙烯酸壳体OpenVFD的图片

OpenVFD是关于光和激情。为了扩大这一点,时钟的设计使其透明外壳由丙烯酸制成。目标是绝对简单的最大颜色体验。

对于您自己的时钟,只需使用激光切割机自行测量并创建一个案例。我很幸运能和柏林的FabLab一起生活,疯狂创意的人们聚在一起。他们得到了所有正确的工具。否则,我很确定有很多在线服务提供激光切割。

第十三步:建立OpenVFD:让它闪耀!

建设OpenVFD的照片:让它闪耀!

当安装丙烯酸外壳,一切都完成了,是时候点亮时钟!寻找一些时钟的独家地点。玻璃表面看起来非常理想把它展示给你的朋友。庆祝你是多么令人惊讶!

第十四步:VFD集体荧光

VFD集体的荧光图片

如果我的Instructable已经启发你建立自己的VFD时钟,或者你想自己有一个完整的,我很兴奋地介绍VFD的集体荧光你。FLUORESCENCE是基于OpenVFD软件和平台的商业产品,使用第二版电路板。

Schematics.pdfSchematics.pdf下载

详情见附件。

第15步:附录:OpenVFD软件

附录:OpenVFD软件的图片

附录中的星星:OpenVFD控制器(myOpenVFD)和固件。使用myOpenVFD,一个简单的Windows应用程序,通过USB发送数据到时钟,你将能够

通过与计算机时钟同步来设置OpenVFD时间。在OpenVFD中为LED设置单独的颜色或选择预定义的模式,发送一些有趣的随机信息到时钟显示。

检查OpenVFD固件版本,检查更新更新或写入新的固件到OpenVFD。OpenVFD固件是模块化的软件,控制和协调如何工作的时钟。写在Arduino C它发送时钟或任何数据信息管,设置不同的LED亮度水平,检索传感器数据(温度,声音),并与实时时钟同步。

  • OpenVFD6位数字IV-11 VFD管时钟下载资料.zip
    描述:所有下载资料

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