【DIY】耗时四个月.荧光电子管时钟封笔之作【Crystal Castle.水晶城堡】

[yanzeyuan]

曾经，被她们深深的毒倒...
亦曾经，为了找寻她们而踏遍网络的每个角落...
此时此刻，回首这近一年来一次次解毒一次次更深的陷入...
终于，就在刚刚，对于荧光电子管，我彻底的给了自己一剂解药。
从此，不再为荧光管那独特而迷人的蓝绿色而纠结，不再为如何赋予她们更多的含义而一次次陷入思维枯竭的死潭。
我的水晶城堡 Crystal Castle

















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没错，相信你的眼睛，你看到的世界上迄今为止能见到的最大的荧光电子管，IV-11，来自前苏联产。
她的身高55mm，直径23mm.....而且比起曾经让多少人纠结的国产YS18-3荧光管，她不知道要高贵多少...

通体洁白透亮、一致性好到让你无法区分它们、没有像YS18-3一样的歪瓜裂枣...
几十年过去，管脚依然光亮如新，没有任何锈迹、没有像YS18-3一样让人纠结的不敢用力去修正...
细腻的栅网，远观几乎意识不到它的存在，但近看却是如丝般交织、没有像YS18-3一样本不十分秀气的字符被粗犷的栅网遮掉了三分瑰丽...
更值得一体的是，粗壮的字符，均匀的荧光粉，把VFD独有的蓝绿色勾勒的无比唯美...

所以我要说：放弃YS18-3吧，不要再找了，IV-11才是荧光管中的Goddess...

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从PCB Golden Art到Wooden frame，每一个电子管时钟的创意都让我死掉若干批活跃的脑细胞...
这次Crystal Castle从开始思考其创意到制作完成一共耗时四个月...

外形创意、功能设计、电路图绘制、3D模型建立、PCB3D效果图、外壳加工制作、程序编写.....

为什么叫“水晶城堡”？



















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是的，相信你自己的眼睛，你看到的：
不是亚克力...
不是玻璃...
是水晶...没错，是水晶板打磨、抛光、钻孔得到的上下盖板；
外框是铝镁合金，整体成型，CNC数控加工中心一气呵成，然后抛光、表面氧化处理...
水晶与金属外框用无影胶完美粘合在一起（玻璃家具经常用到，无任何粘接痕迹）...

这一切的一切，只为了给IV-11配搭上和谐的裙摆...
而恰如我的3D效果图，它的确没有让我失望...

从装上SolidWorks到设计完成这个金属外框，两周时间...感觉SolidWorks真的就像大家说的非常容易上手。
现在在我的概念里，它并不是一个复杂的工具，而是实现我们想法的一个魔法师，能把我们仅仅停留在想象空间内的东西，实实在在的展示在我们的眼前......

原本想做成银色的金属拉丝感觉的铝合金外框，后来看到IV-11荧光管内部的栅网后面的金属板是淡淡的金色，所以为了协调，要求厂家给氧化成了淡淡的金色...

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还是先来看功能设计，这次的时钟功能和设计特点，也是迄今为止比较全的：

1、 6位前苏联产IV-11荧光电子管，显示日期（年月日）和时间（时分秒）；
2、 PCB板厚1.6，沉金工艺处理，全部采用弧形走线，泪滴焊盘，防止焊盘脱落；
3、 静态驱动，非动态扫描，有效延长荧光管寿命，无任何闪烁感，性能稳定可靠；
4、 红外线遥控控制所有功能，时钟本身无按键，简洁大方；
5、 GPS自动校时功能，支持手动启动GPS校时，可选外接GPS模组；
6、 内置GMT时区设置功能，并集成格林尼治时间自动换算当前时区日期时间的算法，断电记忆时区设置，无需担心准确度问题；
7、 三种荧光数字切换效果：Crossfade. Fadein and fadeout. Standard；
8、 关机后荧光管驱动部分全部断电，包括荧光管高压和灯丝电压；
9、 两组闹钟功能，可分别设置不同时间，可分别启用或关闭；
10、 室内室外温度显示功能，可选配室内或室外温度传感器；
11、 具备摄氏度/华氏度温度单位切换功能；
12、 支持断点保存温度单位设置，无需再切换温度单位；
13、 配备5v全球通用的电源适配器；
14、 水晶上下板+镁铝合金外壳，彰显高贵本色；
15、 采用高效率DC-DC升压和DC-DC降压模块，低功耗；
16、 内置锂电池，断电5年仍旧能够自动计时；
17、 RGB全彩背景光显示，可手动切换背景光显示模式，手动选择色彩，常亮或关闭背景光功能；
18、 支持公历日期显示和中国农历日期显示；
19、 具备YY.MM.DD日期格式和MM.DD.YY日期格式以及DD.MM.YY日期格式选择；
20、 支持断电保存日期格式设置，无需再切换格式；
21、 支持12小时及24小时时间格式；
22、 支持断电后自动记忆时间格式，无需再切换时间格式；
23、 支持“赤橙黄绿青蓝紫”代表周一至周日的色彩星期指示功能；
24、 呼吸背景灯的呼吸频率1-5秒可调；
25、 底部安装了透明硅胶脚垫，防止时钟轻易滑动；

本次设计的功能或许有很多没有详尽的列出，但是与原来的时钟想必，接纳了很多朋友在这段时间以来提出的宝贵建议。

比如：
有的朋友反映呼吸背景灯的呼吸频率过高，有紧张感，这次改为了手动调节呼吸频率，可以设置为1秒至5秒呼吸闪烁。
还比如：
有朋友说这个背景灯能不能固定在某一种颜色上，不让他呼吸闪烁，这次也搞定了。
再比如：
有的朋友反映日期格式缺少DD-MM-YY格式，这次也增加上了。
还有：
有的朋友反映进入设置的时候能否默认从小时开始设置，这次也更正了...

总之，一切都是为了Perfect......

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下面来看电路板吧：

电路原理图设计和PCB设计用得是AD10，其实这些软件无非是使用的习惯问题，不存在孰好孰坏，只要用习惯了顺手了，就是好软件。
在设计电路板之前，选用的每一种元器件，我都会拿到实物，然后根据我设计的特点要求，所有的元器件高度均不能超过8mm，然后根据这些器件的实际尺寸，绘制3D模型，建立3D元件库，这样，布板完成以后，看到的就是实际电路板焊好以后的样子。

所有的元器件封装全部重新绘制...
所有的3D器件模型均用SolidWorks绘制...
所有的元器件看到的3D效果图，与实物不会有太大差别...
所有的Tracking，全部都是弧形走线...
所有的焊盘，全部泪滴处理...

一切，只为追求完美...

下面是PCB电路板的照片...
以及我捕捉的3D效果图与对应的实物照片：

[yanzeyuan]

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这次设计全部采用直插器件，全部，所有的IC，所有的电阻、电容、电感等等...
而且所有的电阻全部采用1/4W精度±1%的金属膜电阻...

所以组装过程非常容易，只要别焊错器件，通电后无需任何调试。

只是在焊接的时候，还是要谨慎的按步骤来，老套路，先在电源上下手。
我觉得只要电源工作正常，一般不会发生杯具...

这次的设计采用的是5v直流电源供电，为MCU等逻辑电路提供标准工作电源。
另外就是IV-11荧光管使用的另外两组电压，一组高压26V（根据我的经验选取）和一组灯丝低压，1.5V。

升压26V部分，采用了DC-DC升压模块，当然，还是廉价好买的MC34063A来做。
由于IV-11的灯丝电流非常高，所以这里给六颗荧光管的灯丝供电采用了DC-DC降压模块，也是用MC34063A来做Step-Down Convertor...

首先先焊好升压部分的全部元器件：




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在PCB板上，我设计了TEST POINT...
很容易测量高压部分是否正常，如图：




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另外再焊好另一组DC-DC模块...
测量电压是否正常，如图：








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两组电源焊接完成以后，其他的器件不需要按顺序，全部焊在PCB板上就完成了。

在这里我还是简单介绍一下整个电路的设计特点：
1、主控MCU依然采用STC的12C56XXAD系列，这里用的是12C5628AD（其实最终代码只有17K，用12C5620AD即可）。
2、全部采用静态驱动，74HC595外加TD62783，比起动态扫描来说，无任何闪烁感，并且有效延长荧光管寿命。
3、电子管工作用的高压和灯丝电压，在关机的状态下全部关闭。
4、采用LP6803控制6个RGB LED做背景灯，这次设计为每个LED单独使用了限流电阻，避免由于LED参数不一致造成并连色差问题。
5、依然采用了红外线遥控的方式来对时钟进行全功能控制。
6、放弃使用PTC自恢复保险丝，改用快断行直插保险管，瞬间保护高压、反接造成的时钟损坏。
7、依然采用了外接温度传感器接口，避免电路板发热影响测温精度。
8、依然设计上了GPS校时用的GPS接口，实现GPS校时功能。

再来回顾一下组装好的电路板...
然后看一下电路板完美的装到外壳内的样子...

BTW，有了3D模型以后，不用怀疑插孔是否能完美对接，呵呵...































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再来仔细说说IV-11吧...
IV-11前面大概介绍过，还是那句话，当你见到IV-11的时候，你才会明白工艺的差别。
扔掉YS18-3吧，不是同一个级别的东西......

首先是IV-11的一致性非常非常的好，尤其是底部脚间距。
然后是管子内部，栅网非常非常细，不遮挡半点幽幽蓝光...
栅网后边，是一个整体的金属板，然后要显示的荧光粉在背后，金属板被割开成比划形状，想不规则都不行...
消气剂很均匀，都在顶上跟茶壶盖儿一样盖着，不像国产的YS18有的歪到管身上去了。
还有，顶上的玻璃尖尖都被按压成平头了，国产的都是玻璃尖尖，很容易磕碰破碎、漏气。不得不赞俄罗斯当年的生产工艺...

我不多介绍了，来看实物照片吧：





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来个对比吧：

下面图上一共4种常见的荧光电子管：

左边第一个是这次使用的IV-11；
右边三个分别是国产的：YS18-3、YS13-3、YS9-3.........

不用我多说了，YS18-3，也就是我国国产的最大尺寸的荧光侧显电子管，在IV-11面前，只能算是儿子倍儿的......

那个常被我称作牙签管的YS9，更是小...

这次IV-11底部为了垫高，依然是采用了亚克力激光切割的管座。
两层，共8mm高，正好将RGB LED包裹在中间，并且能很好的将彩色的背景光折射出来，彰显炫彩魅力......






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看一下我曾经设计过的两种荧光钟的电路板和这次的水晶城堡的PCB合影吧：

最下面是YS13-3的荧光管电子钟电路板；
中间是YS18-3的荧光管电子钟电路板；





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装上IV-11......
调直每一根......

其实不用仔细调，只要都装上专门制作的亚克力底座，然后插入PCB板，基本上都是直立的。

但是我一般安装的时候，都是先焊死最前面和最后面的两个脚，然后从侧面看一下是否都是直立，调直以后，再将侧面的一个管脚焊上，然后调直以后，三个点就把所有的管子固定死了。

这时候把所有多余管脚剪掉，将管子每个管脚焊劳.

与3D效果图来个对比，我要说的是：一切尽在掌握!!!!!!!!!!









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程序编写过程我就不赘述了...

下面一共20张给力的正常工作的电路板特写照.

SHOW TIME:

[yanzeyuan]

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每一样都是爱不释手，电路板OK了，IV-11也装上了，接下来是要隆重详解的水晶外壳......

说到做这个水晶上下板，煞是费了一番周折......

水晶玻璃不同于普通玻璃，普通玻璃在截面上看会是绿色，就算是超白玻璃，侧面看也会是有一点点淡淡的绿色。
但是玻璃的机械加工强度还是很高的，也就是说容易加工成各种尺寸和斜边等等。

但是人造水晶玻璃不同，不是很容易加工，容易破碎，但是，她的透明度很高，侧面看去截面看去都不会有其他颜色。
当然，加工成本很高，每钻一个孔，都要好久，而且钻孔完毕还要打磨、然后抛光...

我也是找加工厂定做的，反复加工了四次，才达到我的要求。
前几次要么是孔位不准、要么是长宽不对...
如果长宽不准确，就无法放入CNC加工中心做出来的镁铝合金的外框里...
如果孔位不对，那么就无法顺利的套在每一颗IV-11荧光管周围，如果用力，甚至直接会挤破荧光管...

在寻觅水晶加工厂的过程中，有这么一个插曲：
我最开始是在阿里巴巴找水晶制品加工厂，然后联系了一家位于深圳龙岗区的水晶加工厂。
在阿里旺旺上跟老板聊的还好，我跟老板说我明天要去厂里带着图纸跟他面谈一下，老板说欢迎。
然后我还多问了一句，确认他是加工厂，不是分销商，不然我去没有任何意义。结果老板还挺生气，说我不相信他...于是第二天我带着图纸和专门切割的用于测量尺寸是否符合要求的亚克力定位框踏上了从广州去深圳龙岗的路途...虽然全程高速，但是龙岗在深圳的东北角，平时开车一个小时多一点点就到福田，结果那天外加暴雨，两个半小时才到龙岗。到了龙岗以后我给老板打电话，结果我震惊了。他说：你真的来了，我以为你开玩笑呢....我...我现在没在工厂，我在惠州，晚会儿才能回去。我K，驱车来回300多公里，这事儿我会开玩笑？结果，我按照他说的，等到了4点钟，然后再打电话......打了将近有50个电话，这人就是不接，后来，直接硬挂机，就是不接电话.......
我知道我遇到什么了，遇到一个刚出道的骗子......很无奈......

不过，最后，不再计较付出了多少精力、付出了多少代价，总算完美的实现了我的想法...
DIY过程很骨感，结果很丰满......

水晶城堡 SHOW TIME:

[yanzeyuan]

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其实，要说的也就这么多......

更多的意境和感觉，只有通过眼睛来感受......

亦或许，你看到的只是水晶城堡的一个角落......

但愿这篇封笔之作能让我们一起再次重温荧光电子管带给我们的那种古典但又不失现代美的独特韵味...

我的【水晶城堡】:






































































DIY是一种享受，享受的是过程，更是结果......

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2011-07-23