项目来自：SMD 数码时钟 ： 9 Steps （with Pictures） - Instructables

GitHub 链接：https://github.com/njeff/nixie-clock

背景：

我最初想做一个带有 SMD 组件的项目，SMD元件的尺寸要小得多，这将使我能够制造更小的PCB，并为我未来的设计打开SMD元件的世界。几年前，我曾根据一个教程制作了一个单词时钟，并且认为再做一个时钟会很有趣。它还有一个好处，那就是建成后会稍微有用一些。辉光管看起来也非常漂亮。

一路上有很多坎坷，我学到了很多关于使用这些小型 SMD 组件和阅读数据手册的知识。

下面的动画展示时钟运行起来的样子：

第 1 步：收集材料

材料：

• 6x IN-14 数码管
• 2 个 IN-3 数码指示灯灯泡（一包 10 个）
• 1x ATMega328P微控制器
• 2x HV5622 高压移位寄存器
• 1x 78L05 5V 稳压器
• 1x DS3231实时时钟
• 1x CR2032 电池座和电池
• 2x 4.7K 电阻器
• 2x 120K 电阻器
• 6x 27K 电阻器
• 1x 10K 电阻
• 60x 机器加工的母头连接器
• 1x PCB（见下一步）
• 1x 高压电源
• 3x 直角按钮
• 1x 桶形插孔连接器
• 1x 12 V 桶形插孔电源
• 末端带母头的电线
• 4x 4-40 螺丝
• 4x 4-40 螺母
• 一些木头

工具：

• 烙铁
• 助焊剂
• 钳式断线器
• 尖嘴钳
• 异丙醇
• AVRISP 编程器
• 锯子
• 铣刀
• 电钻
• 可选：CNC铣床/激光切割机/ 3D打印机等

第 2 步：设计 PCB

电路使用ATmega328P作为核心，两个HV5622高压移位寄存器提供了必要的控制线，无需多路复用即可独立控制每个电子管的数字。DS3231实时时钟提供精确的时间，三个按钮允许用户进行配置。I2C线路上的上拉电阻器、数码管的限流电阻器和滤波电容器分别使用多种无源器件。

首先需要对整个电路的原理图进行布局，现在这样应该可以完成工作，因为信号只是数字信号，并不是高速信号。我建议重做此板的布局，尤其是关于高压部分，以确保其他电线之间有足够的间隙。

我将这块板设计为与高压升压转换器板的宽度相同，因此它最终可以很好地放入盒子中。

PCB存在一些问题，我在下一节中将介绍，但它们还不错。（如果没有快速原型制作能力，漫长的等待时间和原型之间的相对较高的成本会严重减慢开发速度。幸运的是，我的 PCB 可以通过简单的调整来修复。

我没有设计高压升压转换器（但我正在学习！），它将连接到主 PCB 并为其提供运行数码管所需的电压。一周后，我终于有了实物，可以开始组装时钟了。在下一步焊接过程中，我立即发现了PCB中的错误。

学到的教训：量两次，切一次。当你只有一次机会做对事情（并保持外观漂亮）时，要集中注意力。

第 3 步：焊接和设置高压助推器

注意 IC 的哪个角有 1 号引脚（用小圆圈表示），并将它们与我在丝网印刷上的数字“1”对齐。如果你以错误的方向焊接芯片，会很麻烦。DS3231有一个凹槽，可以对齐。首先焊接对角线上的引脚以确保对齐正确，然后再焊接其余的引脚。同时，我在PCB上犯的所有错误在这一步中突然变得非常明显。我已经标记了它所有的错误编号，这样你在组装板子时就能做出和我一样的修正。

首先要打开插座引脚行并提取实际的金属引脚。结果证明，它们非常适合作为Nixie管的插座，允许你在将来如果某个管子出现问题时更换它。我使用钳式断线器来将插针分开。

（1）、插针在孔中可能有点紧，你可能需要用一点力。

（2）、在KiCAD中已经存在的封装轮廓与实际元件的轮廓并不完全匹配。HV5622的引脚比一般的要长，我可以安全地修剪掉一部分引脚，而IC仍然可以适配在封装内。这不是一个好的做法，但这种临时的解决方案完成了工作。

（3）、 另一个问题是我没有考虑过数字分隔灯（小型 IN-3）将朝向哪个方向。我以为它们是全向光源，但就像数字管一样，它们有一个后部金属屏蔽。幸运的是，我能够简单地交换限流电阻和管子的位置来翻转管子的方向。同时，要特别注意小IN-3管的极性。在管子底部应该有一个小箭头，指向常规电流的流动方向（正到负）。

在这个过程中，助焊剂会让SMD焊接变得更加容易，并使焊料与金属形成良好的接头。如果您使用过多的焊料，建议使用吸锡带进行吸附。

10K电阻是ATMega328复位引脚的上拉电阻。RTC 的 4.7K 电阻是 I2C 总线上拉器。120K 电阻器限制小型 IN-3 灯泡的电流，其余 27K 电阻限制主数值 IN-14 辉光数码管的电流。

在测试所有电路之前，我们需要设置高压升压转换器。我们希望在尽可能低的电压下运行辉光管，同时仍然能够完全点亮每个数字。将 27K 电阻与数字并联，我进行了一些简单的测量，同时缓慢提高电压，直到每个数字都能完全亮起。最后，你需要将电压设置为 160 V 左右。我们稍后会进一步调整这个值。

注意：在处理高压时要格外小心

第 4 步：清理和连接所有其他组件

现在拿出你的老式数码管，还有小尖嘴钳，开始拉直所有的引脚。确保它们都指向下方并且彼此平行。将它们固定在 PCB 上的插座上，可以试装一下，以确保所有引脚的间距正确。完成后，请拔下所有管子。

要有耐心。我知道当那条腿无法进入插座时，这会令人沮丧，但请相信我。您不想因反复弯曲而导致引脚断裂。

当所有引脚都整齐平行后，尝试将它们修剪至相同长度，同时尽可能保留引脚的长度。

在所有的小组件都安装到PCB上之后，是时候清理所有助焊剂了。这是我最初没有考虑到的问题，最终助焊剂导致了一系列问题。我写了一些简单的代码来循环驱动辉光管，但没有任何效果。每个数字都保持打开状态，每隔一段时间，时钟就会循环几个数字，然后闪烁并重新打开所有数字。我被难住了。我有点沮丧，在修改了我的代码一个小时并在数据表中四处寻找之后，我以为我找到了问题所在。

HV5622的数据手册指出，推荐的逻辑电源电压应在 12 V 左右。我现在很沮丧，但很失望，因为我没有早点看到这一点。但事实上，在5V的电源下，电路也循环工作了一段时间，这给了我希望。

我注意到 PCB 上的助焊剂残留物，我认为助焊剂可能是导电的。谷歌搜索发现大多数类型的电子产品（我已经弄错了）不应该导电，但人们仍然会把它清理掉。数码管的 170 V 可能无济于事。我拿出一些棉签、一把没用过的牙刷和异丙醇，开始擦洗。

经过几轮测试和清洁，我摆脱了所有不需要的连接。当我只在"3"数字上切换时，不再看到"1, 2, 3, 和 4"数字亮起，这让我感到非常满足。

我感到很幸运，一切都解决了，而且高压没有导致某些东西释放出"神奇的魔法烟雾"。

尽量不要太频繁地测试，因为反复插拔会在测试过程中给辉光管的引脚带来额外的压力。你可能想先跳到下一步，稍后再回来让时钟运行程序，以便于更容易测试。

故事的寓意：使用正确的助焊剂，完整阅读数据表，并清洁PCB。

第 5 步：编程

随着硬件问题的解决，现在可以全力进行编程工作了。我在 AVR Studio 中使用 C 语言对时钟进行了编程。代码相当简单，可以分为三个模块。一个模块处理时钟的所有初始化，第二个模块管理所有按钮输入及其状态，最后一个模块跟踪时钟的状态。如果你想对代码进行更改，我创建了一个简单的函数，叫做writeOut，可以很容易地将你想要的任何内容输出到时钟的显示中。你只需要将一个六元素数组的各个值设置为相应的数字，然后将它们传递到该函数中。

使用AVR Studio编译代码，或者使用命令行中的avr-gcc，并通过连接到时钟中间的编程头的AVRISP上传代码。

我使用了 Timer 库和 DS3231 库来快速运行代码。

时钟目前有四个主要功能：时间（默认模式）、日期、温度和计时器。时间和日期功能，顾名思义，显示设置的时间和日期。温度模式使用 RTC 中的温度传感器以摄氏度为单位告诉温度，精确到四分之一度。定时器模式允许您启动和停止定时器（目前不是很准确，因为它仅使用 ATmega 的内部振荡器。在时间和计时器以外的任何模式下不活动 10 秒后，时钟会回到报时状态。

在时间模式下，时钟每分钟都会进行一次循环动画，以防止数码管中的阴极中毒。如果您使用定时器模式并完成它，请务必手动切换回时钟。

基本代码可在我的 GitHub 上找到：https://github.com/njeff/nixie-clock。

第 6 步：调试

代码在时钟上运行后，确保所有功能都正常工作。你可能需要调整高压升压器的电压，因为所有数码管的制造方式略有不同，并且有些数字可能不会完全点亮。

再次提醒，在处理高压时要小心。

第 7 步：建筑案例

这个时钟部分基本上已经完成了，但它看起来相当简陋。高压电源悬在一边有点奇怪。此外，你可能会听到开关升压转换器发出烦人的嗡嗡声。为了消除这种声音并让整个外观看起来更漂亮，我打算为整个装置制作一个漂亮的外壳。这就是为什么主PCB的宽度与电源相同。

你可以使用 CNC 铣床、激光切割机、3D 打印机、水刀或石头，或者通过手工制作外壳来赋予它更人性化的触感。我建造了一个 DIY 数控铣床，虽然它不是很坚固（但仍然比我的手好），并用它来制作我的时钟外壳的一部分。我知道不是每个人都有条件使用这样的设备，但你完全可以使用更常见的手工工具来制作一个漂亮的外壳。此外，我的 CNC 甚至无法切割完美的内部直角，而且设置时间相当长。更不用说CNC在简单的轮廓切割过程中会产生相对大量的灰尘和噪音。

我用了一块在附近木材店买的废木头。

一定要重新测量PCB的尺寸，因为它的实际尺寸可能与数字设计中的预期长度略有不同。最好是让板子的口袋比实际需要的稍大一些。

要制作外壳的盖子，测量一下管子在主PCB上方占据的空间，并在盖板材料上画一些参考线。你可以使用PCB文件中的尺寸，但请务必记住，管子大于其占地面积。

将电源 PCB 与外壳中的口袋对齐，并标记安装孔的位置。然后对齐主PCB并标出其安装孔的位置。钻孔，但不要一直穿过。

将主PCB固定在位，标记出按钮的位置。移除所有东西，然后钻出孔。

标记您希望桶式千斤顶出现的位置，并为其钻出一个孔。标记出你希望电源插孔出现的位置，并为它钻一个孔。尽情发挥你的创造力，设计出你喜欢的样式。

第 8 步：总装

手里拿着外壳和时钟，把它们敲在一起来完成最终产品。

我在开玩笑。先试装所有组件，确保主PCB的高度足够高，以便能够避开电源和电源插孔。

开始安装所有电子设备，从高压电源和电源插孔开始。用螺丝固定电源，并用胶水粘牢插孔。然后，用螺丝固定主板。

最后，将顶盖套在辉光管周围，并根据你想要的外观，用螺丝或胶水固定。我推荐使用螺丝，以便于拆卸。

第 9 步：结论

大功告成！在投入了所有的心血、汗水和泪水之后，你终于完成了。现在你拥有了一个完全功能齐全的辉光管时钟！

如果我再做一次这个项目，我肯定会修复PCB上的错误，并尝试将所有无源器件改成SMD。我手头已经有通孔元件，想用完它们。此外，我会将电源与电路的其余部分移动在同一块板上。这将给我一个学习模拟电源设计的机会，我可能需要更加注意布局。这也会使得整体设计更加整洁。