Часы на ИВ-18. Cобираем шаг за шагом

*Ссылка на первоисточник из моего блога на MySku

Здравствуйте! Решил опубликовать этот материал под девизом DIY, т.е. сделай это сам. Очень надеюсь, что подобных постов станет больше, как и авторов, пишущих на данную тематику. Сейчас их не очень много, возможно, не формат на данном ресурсе, но как говорится "если очень хочется - то можно", надеюсь, коллеги по цеху меня поддержат.

Сразу покажу то, что получилось на текущий момент.

Что умеют часы:

• Отображать как попеременно, так и статично: время, дату, день месяца, название месяца, год, показывать температуру воздуха.
• Имеют регулировку яркости.
• Возможность задать формат вывода даты и времени.
• Встроен таймер.

Данные часы собирал для сына, да и сам очень увлекся этим направлением. Поскольку это для меня хобби, собирал не быстро, а с чувством, с толком, с расстановкой. Все началось с поиска индикатора ИВ-18, такой нашелся на Ebay. На мое удивление продавец оказался из Нижнего Тагила, доставка у него была по всему миру. После оплаты он мне вернул стоимость международной доставки $5, т.к. я из РФ. Через 3 недели посылка была у меня в руках. На всякий случай заказал 2 индикатора, так как переживал, что в дороге могут разбиться, с учетом доставки Почтой России.
В качестве упаковки — обычный конверт с пупырками, индикаторы находились в пластиковых трубках с дополнительной оберткой внутри. Такая форма упаковки оказалась вполне надежной.

Индикатор поближе.

Техническая справка про индикатор.
Индикатор цифровой многоразрядный вакуумный люминесцентный (ВЛИ) предназначен для отображения информации в виде цифр от 0 до 9 и десятичного знака в каждом из 8 цифровых разрядов, и вспомогательной информации на одном служебном разряде.
ВЛИ представляет собой электровакуумный триод прямого накала с множеством покрытых люминофором анодов. Параметры лампы подобраны таким образом, чтобы она могла работать при низких анодных напряжениях — от 27 до 50 В.
Катод представляет собой катод прямого накала из вольфрама с добавлением 2 % тория для облегчения эмиссии при сравнительно небольшой температуре.
В индикаторе две параллельно соединённых нити накала диаметром меньше человеческого волоса. Для их натяжения применены небольшие плоские пружины. Напряжение накала составляет от 4,3 до 5,5 В.
Сетки ВЛИ — плоские. Количество сеток равно количеству знакомест индикатора. Назначение сеток — двоякое: во-первых, они уменьшают напряжение, достаточное для того, чтобы индикатор светился ярко, а во-вторых, обеспечивают возможность коммутации разрядов при динамической индикации.
Аноды покрыты люминофором с небольшой энергией возбуждения, составляющей всего несколько электрон-вольт. Именно этот факт и позволяет лампе работать при низком анодном напряжении.

Технические параметры.

• Цвет свечения: Зеленый
• Номинальная яркость индикатора одного цифрового разряда – 900 кд/м2, служебного разряда – 200 кд/м2.
• Напряжение накала: 4,3–5,5 В
• Ток накала: 85 ± 10 мА
• Напряжение анода–сегмента импульсное: 50 В
• Наибольшее напряжение анодов–сегментов: 70 В
• Наибольший ток анода-сегмента: 1,3 мА
• Ток анодов–сегментов импульсный суммарный ИВ–18: 40 мА
• Напряжение сетки импульсное: 50 В
• Наибольшее напряжение сетки импульсное: 70 В
• Минимальная наработка: 10 000 ч
• Яркость индикатора, изменяющаяся в течение минимальной наработки, не менее: 100 кд/м2

Габаритные размеры.

Распиновка ИВ-18 (тип-2).

1– Катод, проводящий слой внутренней поверхности баллона;
2– dp1...dp8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
3 – d1...d8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
4 – c1...c8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
5 – e1...e8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
6 – Не подключать (свободный);
7 – Не подключать (свободный);
8– Не подключать (свободный);
9 – g1...g8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
10 – b1...b8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
11 – f1...f8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
12 – a1...a8 – аноды-сегменты с 1го по 8й разряд;
13 – Катод;
14 – Сетка 9го разряда;
15 – Сетка 1го разряда;
16 – Сетка 3го разряда;
17 – Сетка 5го разряда;
18 – Сетка 8го разряда;
19 – Сетка 7го разряда;
20 – Сетка 6го разряда;
21 – Сетка 4го разряда;
22 – Сетка 2го разряда.

Сведения о назначении выводов справедливы только для индикатора тип-2. Существует и тип-1, а как понять, какой «тип» индикатора окажется у вас?! Все просто! Исходя из описания, выводы 6, 7, 8 никуда не подключены, т.е. висят в воздухе в самом баллоне! Это очень хорошо видно.

Схема часов электрическая.

Продублирую схему на DropBox в максимальном разрешении. Там же будет и файл с прошивкой.

Далее я подробно расскажу, как работает схема.
1. Микроконтроллер.

За работу схемы отвечает микроконтроллер Atmega328P-PU в DIP корпусе, он управляет драйвером индикатора и блоком анодного напряжения, получает данные от «часовой» микросхемы, а также к нему подключен энкодер для управления часами. Будьте внимательны, при использовании в корпусе TQFP распиновка будет другой. При желании можно Atmega328P-PU заменить на Atmega168PA, памяти хватит, но я взял с запасом для будущих прошивок (на текущий момент она составляет 11,8 Кб). Также вместо «голой» атмеги можно приметить Arduino, в этом случае надо смотреть пин маппинг (какой цифровой вход/выход соответствует выводу на мк). В данной схеме включение контроллера типовое, он работает на частоте 16 МГц от внешнего кварцевого резонатора. Соответственно фьюзы равны:
Low Fuse 0xFF, High Fuse 0xDE, Extended Fuse 0x05. Reset подтянут к плюсу питания через резистор. После правильной установки фьюзов прошивку загружал через колодку ICSP (SCK, MOSI, MISO, RESET, GND, Vcc).

2. Питание.

Входное напряжение 9В поступает на линейный стабилизатор L7805 и понижается до 5В. Это напряжение необходимо для питания «цифровой логики», оно поступает на микроконтроллер и драйвер MAX6921. Т.к. наш мк работает на частоте 16 МГц, то рекомендованное напряжение (исходя из даташит) 5В. Схема включения стабилизатора типовая, вместо L7805 можно применить любой другой, хоть КР142ЕН5.

В схеме также необходимо питание 3,3 В, для этого я применил стабилизатор AS1117. Этим напряжением питаются «часовая» микросхема DS3231 и накал для индикатора. Схема включения — исходя из даташит стабилизатора.
Тут хочу обратить ваше внимание на пару моментов:

1. Из описания ИВ-18 следует, что напряжение накала от 4,7 до 5,5 В, и во многих схемах подают 5 В, например, как в Ice Tube Clock. На самом деле видимое свечение наступает уже при 2,7 В, поэтому 3,3 В считаю оптимальным. При настройке часов на максимальную яркость уровень свечения очень приличный. Подозреваю, что питая индикатор этим напряжением, вы значительно продлите срок его службы.
2. Для равномерного свечения на накал подают либо переменное напряжение, либо источник прямоугольного сигнала. В общем-то работа показала, что при питании «постоянкой» эффекта неравномерности нет (я не увидел), поэтому заморачиваться не стал.
   

Для получения анодного напряжения использована схема простейшего step up преобразователя, которая состоит из дросселя L1, полевого транзистора IRL510S, диода Шоттки 10BQ100 и конденсатора С8. Попробую объяснить, как это работает, для этого представим схему в виде:
Первый этап

Второй этап

Работа преобразователя проходит в два этапа. Представим себе, что транзистор VT1 выступает в роли ключа S1. На первом этапе транзистор открыт (ключ замкнут), ток от источника проходит через дроссель L, в сердечнике которого энергия накапливается в виде магнитного поля. На втором этапе транзистор закрыт (ключ разомкнут), запасенная энергия в катушке начинает высвобождаться, и ток стремится поддерживаться на том же уровне, что и был в момент размыкания ключа. В результате напряжение в катушке резко подскакивает, проходит через диод VD и накапливается в конденсаторе С. Затем ключ снова замыкается, и катушка снова начинает получать энергию, в то время как нагрузка «питается» от конденсатора С, а диод VD не дает току уйти обратно в источник питания. Этапы повторяются друг за другом, не давая конденсатору «опустошиться».
Транзистор управляется прямоугольными импульсами с регулированием от ШИМ микроконтроллера, тем самым можно менять время заряда конденсатора С. Чем больше время заряда, тем выше напряжение на нагрузке. В интернете есть калькулятор для расчета выходного напряжения в зависимости от частоты ШИМ, индуктивности и емкости.

Резисторы R3 и R4 представляют собой делитель, напряжение с которого поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) микроконтроллера. Это необходимо для контроля напряжения на анодах (допускается не более 70 В) и регулировки яркости. Информация об анодном напряжении выводится на индикатор в одном из режимов работы. Например, при 30 В напряжение на делителе будет около 0,3 В. Почему именно такое отношение делителя, спросите вы?! Тут все дело в принципе работы АЦП, который заключается в постоянном сравнении поступившего напряжения с «эталонным» источником опорного напряжения (ИОН), при этом входное напряжение на АЦП не может быть больше ИОН. В качестве источника опорного напряжения могут выступать: напряжение питания микроконтроллера, напряжение, поданное на пин Aref или внутренний. В данной схеме применяется внутренний ИОН, который равен 1,1 В. Вот с ним и будет происходить сравнение напряжения, полученного с делителя.

3. Часовая микросхема.

В качестве часов реального времени используется микросхема DS3231 фирмы Dallas Semiconductor. Это высокоточные часы реального времени (RTC) со встроенными I2C интерфейсом, термокомпенсированным кварцевым генератором (TCXO) и кварцевым резонатором в одном корпусе. По сравнению с традиционными решениями на базе кварцевых резонаторов, DS3231 имеет до пяти раз большую точность хронометрирования в диапазоне температур от -40 С до +85 С. Подключение типовое, осуществляется по шине I2C, которая подтянута резисторами к плюсу питания. Данная микросхема имеет встроенный датчик температуры, информацию с которого будем брать для комнатного термометра. Батарея CR2032 служит источником резервного питания, чтобы часы не сбрасывались при отключении.

4. Энкодер.

В этой схеме применяется инкрементный энкодер для настройки часов и выбора режима работы. Желательно использовать со встроенной тактовой кнопкой. Принцип работы заключается в том, что энкодер выдает импульсы («тики») при повороте ручки. Наша задача посредством микроконтроллера вылавливать эти «тики». В данном случае происходит кратковременное замыкание на землю. Для подавления дребезга контактов используются внутренние подтягивающие резисторы мк, а также конденсаторы 0,1 мкФ. Также обратите внимание, что подключение энкодера сделано на выводы мк внешнего прерывания (INT), это важно.

5. Индикатор и драйвер.
Индикатор ИВ-18 представляет собой радиолампу — триод с катодом прямого накала, управляющими сетками (работающих от «плюса» питания) и кучей анодов с люминесцентным покрытием. Над каждой группой анодных сегментов (a, b, c, d, e, f, g) находится отдельная сетка.
Принцип индикации цифры одного из разрядов таков: электрическое поле управляющей сетки ускоряет электроны, которые, пролетая через редкую сетку, достигают тех анодов-сегментов, на которые подано анодное напряжение. Электроны, попадая на люминофор, вызывают его свечение.
Для вывода цифры одного разряда достаточно подать напряжение на соответствующие аноды-сегменты и сетку. Это будет статичная индикация. Чтобы зажечь все цифры в каждом разряде, необходимо использовать динамическую индикацию, т.к. аноды-сегменты во всех одноименных разрядах соединены между собой и имеют общие выводы. Сетка для каждого разряда имеет свой отдельный вывод.
Управлять анодами-сегментами и сетками можно сборкой из транзисторных ключей, а можно специальной микросхемой-драйвером MAX6921AWI.

Микросхема является высоковольтным сдвиговым регистром, которая имеет 20 выходов с допустимым напряжением 76 В и током до 45 мА. Ввод данных осуществляется через последовательный интерфейс. CLK — вход тактирования, DIN — последовательный ввод данных, LOAD — загрузка данных, BLANK — выключение выходов, DOUT — предназначен для каскадного соединения таких же микросхем. BLANK подтягиваем к земле, т.е. драйвер будет постоянно включен.
Принцип работы MAX6921 схож с работой сдвигового регистра 74HC595. Когда на тактовом входе CLK появляется логическая единица, регистр считывает бит со входа данных Din и записывает его в самый младший разряд. При поступлении на тактовый вход следующего импульса, всё повторяется, только бит, записанный ранее, сдвигается на один разряд (начиная с OUT19 до OUT0), а его место занимает вновь пришедший бит. Когда все 20 бит заполнились и приходит двадцать первый тактовый импульс, то регистр снова начинает заполняться с младшего разряда и всё повторяется вновь. Чтобы данные появились на выходах OUT0…OUT19, нужно подать логическую единицу на вход LOAD.
Есть один нюанс с микросхемой MAX6921AWI, существует аналогичная MAX6921AUI — у неё совершенно другая цоколевка!!!

Приведу таблицу соответствия выводов драйвера и индикатора, так проще и понятней собирать, чем отслеживать электрические связи на схеме.

На этом все друзья, рассказал и показал все подробно. Надеюсь не сильно утомил теорией, и прошу прощения, если где-то не слишком компетентно описал. Готов ответить на все вопросы в комментариях.

Часы работаю прекрасно, но нет предела совершенству, и есть над чем поработать.
Хочу добавить:

• Подключить пищалку для будильника.
• Оптимизировать цепи питания, сейчас питание от 9В, но все можно перевести и на 5В.
• Развести и заказать печатную плату, придумать корпус.
• Энкодер я бы заменил на кнопки.
• Подключить внешний (уличный) термодатчик.
• Подключить часы к интернету.

Спасибо за внимание, с уважением @samodelkin.

"Статья написана для "Биржи тем" по заказу: @kovatelj, @kavalsky, @zoss, @mp42b, @ksantoprotein, @samodelkin"

* Ссылка на первоисточник из моего блога на MySku.