基于无线充电的辉光管智能时钟设计

基于无线充电的辉光管智能时钟设计

王莹莹韩薇曹文进

安徽师范大学物理与电子信息学院安徽芜湖241000

摘要：本文利用单芯片升压技术，结合专用时钟芯片DS3231，实现了辉光管的驱动发光与时间显示；同时使用无线充电实现了电源供给。这种方案的好处是克服了传统辉光管时钟电路相对复杂、功耗大的缺点，具有电路相对简单紧凑、性能稳定可靠的优点；制成的辉光管时钟在个性化市场具有吸引力。

关键词：辉光管MCU控制无线充电

一、引言

辉光管，亦称“冷阴极离子管”或“冷阴极充气管”，是一种利用气体辉光放电原理而工作的离子管，在电子电路中起指示、稳压等作用。辉光放电管在工作时，管内产生明显的辉光。辉光的颜色决定于管内所充气体的成分，如氖显红色，氩显浅紫色，汞显淡蓝色，氦显粉红色等。因为这种彩色显示特性，使得辉光管在个性化光源市场具有吸引力。

曾经的辉光管时钟使用BCD解码器和高压三极管等来产生时钟，使用变压器产生驱动高压，不仅效率低、发热大，而且体积很大，不方便携带。DS3231是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟电路，可以对年月日时分秒进行计时，具有闰年补偿功能；DS3231是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

无线充电是采用电磁感应方式实现电能传输，充电器与用电器之间以电磁耦合供电，无需导线连接，是现代供电技术的潮流和趋势。

本文采用时钟芯片DS3231与MCU相结合的技术，结合无线充电设计了一款具有无线充电功能的辉光管智能时钟，克服了传统辉光管时钟电路相对复杂、功耗大的缺点，具有无线连接、电路相对简单紧凑、性能稳定可靠的优点。

二、系统结构

1.无线DC-DC升压模块。直流180V为辉光管所需要的工作电压，而电源模块使用的为直流12V，所以要具备12V至180V的DC-DC升压模块。DC-DC电路至少要考虑以下几点：（1)外部输入电源电压的范围、输出电流的大小。（2)DC-DC输出的电压、电流、系统功率最大值。因此我们选择MC34063A及外围元器件构成DC-DC，能够提供高效率的升压转换，同时发热少。无线充电模块使用专用充电座为辉光管提供12V电压，供DC-DC使用。

2.时钟与控制电路。DS3231是低成本高精度I2C实时时钟（RTC），具有集成的温补晶振（TCXO）。该器件包含电池输入端，断开主电源时仍可保持精确的计时；而集成晶振提高了器件的长期精确度。RTC保存秒、分、时、星期、日期、月和年信息，少于31天的月份将自动调整月末的日期；同时包含闰年的修正。时钟的工作格式可以是24小时或带AM/PM指示的12小时格式。系统提供两个可设置的日历闹钟和一个可设置的方波输出；地址与数据通过I2C双向总线串行传输。精密的经过温度补偿的电压基准和比较器电路用来监视VCC状态，检测电源故障，提供复位输出，并在必要时自动切换到备份电源。

DS3231与MCU通过SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)三个管脚连接；在MCU的控制下，DS3231产生相应的时钟信号。

三、程序设计

作为时钟我们需要让每个辉光管显示0到9。为了控制这些辉光管，我们选择两片常见的移位寄存器74HC595串联，构成16位移位寄存器；然后对显示模块进行配置，依照显示状态把每一个显示状态都预定义成一个16bit的常量。然后按照之前的设计，将各个模块分别配置好。首先配置好显示模块，然后配置显示的模式，将2bit的数据（若干个模块所需要的），由74HC595移位寄存器通讯函数发送给显示模块。Proteus和Keil软件仿真通过后，进行电路的组装与调试。最终的显示效果如图1所示。

图1.辉光管时钟显示效果

小结：本项目采用无线充电技术传输电能，而高效率DC—DC升压电路实现了12V到180V的升压驱动；DS3231时钟芯片在MCU的控制下实现了自动计时。系统电路紧凑、发热少，显示效果达到了预期。

参考文献

[1]王兆安电力电子技术.机械工业出版社。

[2]张毅刚单片机原理及接口技术.人民邮电出版社，2011，5。

[3]谢龙汉Proteus电子电路设计与仿真.电子工业出版社，2012，01。

[4]郭勇《ProtelDXP2004SP2印制电路板设计教程》.机械工业出版社，2012，3。

[5]李全利《单片机原理及应用技术》.北京高等教育出版社，2004，11。

[6]杨庆新《无线电能传输技术及其应用》.机械工业出版社，2014，08。