DIY 辉光管时钟

发表于 2020-01-12 分类于技术 Disqus：本文字数： 1.5k 阅读时长 ≈ 5 分钟

前言

辉光数码管是一种利用气体辉光放电显示数字的电子元件。玻璃管中包括一个金属丝网制成的阳极和多个阴极，阴极做成数字形状，加高压后管内气体发光，即可显示出数字。下图是苏联生产的 IN-14 辉光管，为节省成本，它显示的「2」和「5」用的是同样的模具，只是颠倒过来了。

图片来自：https://en.wikipedia.org/wiki/Nixie_tube#/media/File:ИH-14_(IN-14)_Nixie_Tubes_Displaying_"25".jpg

辉光管的缺点也很明显，它的使用寿命很有限，并且需要高压才能点亮，因而逐渐被淘汰。今天辉光管仍有小规模的生产，但辉光管的意义更多的是以复古风格体现出对早期科技文化的怀旧，而不是实用价值。在许多小说、游戏和影视作品中，辉光管都作为蒸汽朋克（Steampunk）风格的代表出现。动漫《命运石之门》中的「世界线变动率探测仪」便是这样一例。这在原剧中出现了多次，有网友将其复刻了出来：

在游戏《传送门 2》中，同样出现了类似辉光管的显示装置。不过它的尺寸比较大，已经接近霓虹灯了。霓虹灯的发光原理与辉光管类似，都是依靠气体放电。非常有趣的是，辉光管往往与蒸汽朋克联系在一起，而霓虹灯则是赛博朋克的必备元素。

利用辉光数码管和单片机，即可制作出蒸汽朋克感的智能家居。主控采用 Arduino 或者 ESP32，借助于它们强大的功能，可以简洁而优雅地控制辉光管显示时间、温度等数字信息。通过进一步地开发配套的手机应用，即可通过 Wi-Fi 和蓝牙方便地展示任何自定义内容。

可行性

为了妥善地控制各个辉光管的显示，并且避免占用太多单片机的输出引脚，需要使用 BCD 码译码器。与此辉光管适配的元件为 74141 和 K155ID1（苏联产）。进一步考虑到单片机的输出引脚仍然不够多，需要使用移位寄存器，如 74HC595N，实现串行信号输入，并行信号输出，来达到「拓展」单片机输出的作用。具体内容见文章 Arduino 拓展输出接口。

笔者在测试时使用的是 Arduino Mega2560：

这一方案的可行性在面包板上得到了验证。为单片机编写的代码并不复杂，并且实现了数字的交叉渐变。核心就是两个函数：

void nixieDisplay(int index, int num) {
  digitalWrite(pins[index][0], num >> 0 & 0b01 ? HIGH : LOW); // A
  digitalWrite(pins[index][1], num >> 1 & 0b01 ? HIGH : LOW); // B
  digitalWrite(pins[index][2], num >> 2 & 0b01 ? HIGH : LOW); // C
  digitalWrite(pins[index][3], num >> 3 & 0b01 ? HIGH : LOW); // D
}

void crossFade(unsigned int* state, unsigned int* newstate) {
  for (int timer = 0; timer <= STEPS; timer++) {
    for (int index = 0; index < 6; index++) {
      nixieDisplay(index, state[index]);
    }
    delay(STEPS - timer);
    for (int index = 0; index < 6; index++) {
      nixieDisplay(index, newstate[index]);
    }
    delay(timer);
  }
  for (int index = 0; index < 6; index++) {
    state[index] = newstate[index];
  }
}

nixieDisplay 负责控制译码器，进而控制不同辉光管的显示；crossFade 则通过 PWM 实现渐变效果。

此外，对于最基础的时钟功能，需要一个支持断电后继续走时的时钟芯片。经过调查，笔者决定采用 DS1302（后改为更可靠的 DS3231），只需一块纽扣电池，即可在数年内精确地走时。并且，这些时钟芯片都有大量的配套开源代码，可以方便地与单片机交互。同步时间则可以通过串口连接、Wi-Fi 或 GPS 等方式。

综上所述，本项目的技术路线如下图所示：

对于最有难度的部分：印刷电路板，笔者使用了 Autodesk Eagle 进行设计。渲染效果图如下：

驱动辉光管需要 170V 左右的高压，因此电路部分还需要包含一个升压电路。由于没有设计经验，笔者在这里偷懒了：直接在某宝上找了一个店家，购买了 6 个辉光管和配套的升压电路。
每个辉光管的阳极上都串接了一个限流电阻，笔者使用的阻值为 20 千欧。不同升压电路和辉光管性能不同，建议在面包板上用不同阻值的限流电阻测试一下，确认无误再焊接。