基于ESP8266的復古輝光時鐘的設計與制作

邱樺霖

（貴陽學院 電子與通信工程學院，貴州貴陽，550002）

0 引言

隨著單片機的價格不斷降低，單片機變得十分普及，功能越來越強大，運行也越來越穩定，它具有體積小，面向控制，高性價比等優點。當今世界，單片機已經無處不在，本次設計采用ESP8266作為時鐘的主控，它的價格低廉，集成了常用的WiFi功能，且能夠提供穩定高效的連接，當網絡通暢時可以與調配好的服務器進行通信，當失去網絡連接時，可以搭配DS1302模塊可以繼續走時，當網絡恢復時便能自動校時。在開發時，使用Arduino的IDE便可對其進行編程，代碼轉化效率高，便于后期的開發升級。在顯示方面，該電子時鐘采用了發明于上世紀50年代的輝光管，亦稱“冷陰極離子管”或“冷陰極充氣管”，是一種利用氣體輝光放電原理而工作的離子管，在電子電路中指示、穩壓等作用。由于它在21世紀的今天具有一定的收藏和觀賞價值。所以本設計將歷史的輝光管與現代的單片機進行融合，制作獨一無的，歷史與現代融合產物——輝光鐘。

1 總體設計方案

■1.1 系統總體框架與設計

本次輝光鐘的設計所采用的ESP8266主控是一款擁有高性能的無線芯片，它擁有超低功耗的32位微型MCU,同時具有16位縮減模式，主頻支持80MHz和160MHz,支持RTOS,集成了WiFi MAC/BB/RF/PA/LNA，板載天線。最主要的是ESP8266可以實現遠程控制、OTA升級等。這大大降低了開發成本，縮短了開發周期。作為與ESP8266同樣重要的時鐘芯片，本次所采用的是DS1302，它是由美國的DALLAS公司開發的時鐘電路，其優點為高性能、低功耗、并自帶RAM的時鐘電路，不僅可以對基本時間進行計時，還能夠進行閏年補償，可以自動對少于31天的月份日期進行調整。DS1302在與ESP8266的連接上也十分的方便，除去供電接口外，只需三條線便能進行串行通信。ESP8266與DS1302構成了本次設計中主要的控制部分即“產生時間”。在“發送時間”的設計中，由于ESP8266端口有限，所以筆者選用了74HC595芯片來進行“節約端口”，74HC595是單片機系統中常用的芯片，它是一個8位串行輸入、并行輸出的位移緩存器，能夠將串行信號轉化為并行信號，并具有一定的驅動能力，可以去除掉三極管等放大電路（后文會介紹詳細功能）。在驅動顯示方面，由于輝光管的驅動特殊性，筆者在查閱大量資料后，發現常用到的輝光管BCD譯碼驅動芯片有SN74141和K155ID1，本次設計中所采用的是K155ID1。K155ID1在功能上與常見的BCD譯碼芯片幾乎沒有區別，唯一的一點是因為輝光管的驅動需要170~180V的高壓，維持點亮的電壓約為120V，K155ID1的輸出耐壓為60V左右，所以完全滿足高壓經過電阻和輝光管串聯之后的電路。以上就是本次設計的總體布局，后文會對每個模塊進行詳細的功能介紹。系統總體設計方案框圖如圖1所示。

圖1 系統方框圖

■1.2 輝光時鐘的主要用途

該電子時鐘以ESP8266為主控，利用WiFi進行自動對時，無需手動調節，在失去網絡連接時，可利用DS1302模塊進行精準的走時，ESP8266讀取DS1302的時間，進行顯時。

2 硬件與軟件的設計

■ 2.1 硬件設計

2.1.1 主控模塊

根據ESP8266的系統(SoC)設計，其內部包含了處理器芯片等組件，處理器大約有16條GPIO線路，其中一些GPIO規定默認用于與其他內部組件進行通信，比如與內部閃存的通信等。在實際應用中大約還有11個GPIO引腳可按常規GPIO進行使用，在這11個針腳中，又有2個針腳預留給串口RX和TX。因此，最后只剩下9個通用I/O引腳，即D0到D8。在本次設計中由于使用了74HC595，所以在發送時間數據時，只使用了D2、D3、D4引腳。D5、D6、D7引腳用于連接DS1302模塊。其余引腳為供電引腳。所使用的引腳如表1所示。

表1

2.1.2 DS1302 模塊

DS1302有一塊備用電池以預防斷電情況發生，VCC接在ESP8266的3V3端口，當ESP8266突然斷電時,DS1302也能繼續走時。ESP8266的D5、D6、D7分別與 DS1302的 CLK、DATA、RST連接。 其中CLK 用來產生 DS1302 的讀寫信號，DATA用來和單片機進行數據傳輸。如圖2所示的DS1302模塊接線圖。

圖2 控制部分原理圖

2.1.3 74HC595 芯片

由于ESP8266端口有限無法傳輸時鐘所使用的時、分、信息。故采用74HC595來解決這一問題。前文相信讀者已經稍微了解到74HC595，它是一個8位串行輸入、平行輸出的位移緩存器：平行輸出為三態輸出。在SCK的上升沿，單行數據由SDL輸入到內部的8位位移緩存器，并由Q7'輸出，而平行輸出則是在LCK的上升沿將在8位位移緩存器的數據存入到8位平行輸出緩存器。當串行數據輸入端OE的控制信號為低使能時，平行輸出端的輸出值等于平行輸出緩存器所存儲的值。而當OE為高電位，也就是輸出關閉時，平行輸出端會維持在高阻抗狀態。就本次設計中所用到的功能，簡明的說：Q0~Q7負責發送時鐘所需要顯示的時、分信息。DS級聯下一塊74HC595并將移位命令傳輸至下一片，SH_CP 高電平觸發控制移位動作，ST_CP高電平觸發并行輸出，OE低電平輸出有效。74HC595的主要優點是具有數據存儲寄存器，在移位的過程中，輸出端的數據可以保持不變。這在串行速度慢的場合很有用處，數碼管沒有閃爍感。74HC595真值表、引腳功能表如表2和表3所示。

表2 74HC595真值表

表3 74HC595引腳功能表

2.1.4 K155ID1 芯片

一片74HC595可控制兩片K155ID1，分別顯示小時和分鐘。K155ID1芯片為輝光管的驅動芯片同時也是一個簡單的BCD譯碼芯片也被稱為二—十進制譯碼器，通過4位二進制輸入，可輸出0~9的十進制數字，用于輝光管的顯示。K155ID1真值表、引腳功能表如表4和表5所示。

表4 K155ID1真值表

表5 K155ID1 引腳功能表

2.1.5 IN12A 輝光管

輝光管也叫陰冷極輝光放電指示管，誕生于50年代左右，由一家名為海頓兄弟實驗室的小型真空管制造商制造出來，并在1955年被美國寶來公司收購之后開始推向市場。美國寶來公司將這種陰冷極輝光放電指示管命名為NIXIE，雖然后來這種陰冷極輝光放電指示管有很多種名稱出現，業界一般統稱為陰冷極氖讀數管，但是大多數還是以美國寶來公司的NIXIE這個名字作統稱，因此后來大部分都是用Nixie tube這個詞來表示。本次設計采用的是IN12A輝光管，如圖3、圖4所示，其開啟電壓為170V，電流為1mA。其管腳和顯示原理圖如圖5、圖6所示，將HIV端接入170V，再將各個管腳對應接入K155ID1的輸出端上即可。

圖3 輝光管 側視圖

圖4 輝光管正視圖

圖6 輝光管顯示原理圖

■ 2.2 軟件設計

本次設計采用Arduino IDE編譯，由于Arduino中有非常方便的開發環境，方便后期的調試升級，大大增加了程序的可維護性和可靠性 在本設計中，使用了NTP協議來獲取時間，在獲取時間后，程序將獲得的時間發送給DS1302，在ESP8266斷電后依然能夠穩定走時，方便在下次啟動時獲得時間。在發送時間時，由于使用了74HC595移位寄存器所以在進行時間信息的傳送時首先要給74HC595的ST_CP口上加低電平，來讓芯片準備接收數據；通過shiftOut()函數將信息傳輸，然后給予ST_CP口高電平結束這一過程。由于考慮到輝光管存在陰極中毒的特殊性，所以在每一次數字變化時，ESP8266把輝光管全部的數字迅速點亮一遍，以防陰極中毒，這樣大大的增加了輝光管的使用壽命。在時鐘的網絡方面，筆者使用了WiFi Manager庫文件，時鐘的每一次啟動，都會自動連接上次已經連接過的WiFi，如果連接失敗，首先讀取DS1302時間并開放自身熱點，讓用戶自行連接并配置。主程序流程圖如圖7 所示。

圖7 程序流程圖

3 總結

本次設計把現實中常見的LED數碼管電子時鐘的顯示改為輝光管。時鐘采用ESP8266為主控，DS1302為時鐘芯片，兩片74HC595和四片K155ID1芯片來驅動輝光管顯示時、分。該時鐘實現了WiFi自動對時和輝光管防陰極中毒，并實現了歷史與現代的完美融合，這大大提高了輝光管在21世紀的知名度，在輝光管的微光中透著工業時代的輝煌，它的光亮在向人們講述一個時代的歷史。

圖8 實物圖（1）

圖9 實物圖（2）