51单片机时钟和stm32时钟区别(ESPx网络点阵时钟入坑指南)

本内容来源于@什么值得买APP|作者:starcly

创作立场声明:1.PO主不是专业人士,只有一点点计算机基础,一些技术操作可能有误,毕竟张大妈藏龙卧虎,有班门弄斧之嫌望,请不吝指正;2.文中涉及的软硬件有参考网上多篇帖子,但不是纯粹抄袭,衷心感谢原作者;3.我愿全部开源与大家分享,但不允许有人将其用于盈利或者非法用途。原创不易,转发注明,切勿洗稿。

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ESPx_CLOCK

每天能利用的只有神兽午睡的时间,通过一点点学习,一点点填坑,做了这个“基于ESP8266的网络点阵时钟”。现在回头整理相关资料,尽可能详细地与大家分享,望轻喷。 资料后附,服务三无,先上效果:

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先来个张大妈

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时间

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日期

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温度

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环境光线感应

PART_0_神坑警告

在此奉劝蠢蠢欲动的手残星人,DIY有风险,入坑需谨慎!风险大于等于以下几点:

  1. 把你带进坑,我跑了;
  2. 花时间,花钱,费发际线,啥都做不出来;
  3. 需要使用工具,可能会造成意外的人身伤害,如:工具割伤,烙铁烫伤,焊料中毒等;
  4. 错误的设计、操作可能会带来其他意想不到的后果。

PART_1_思路和设计

没被劝退的都是条汉子。

一、 思路

我坚信,思路指引方向,我在做这个小玩意儿过程中,一直都是坚持以下几点原则的:

  1. 容易:易于获取材料,易于制作,易于成功;
  2. 廉价:尽量不搞高大上,材料选择尽量便宜的,手头有的一些元件尽量利用起来;
  3. 实用:做了最终能用、好用。

二、 方案

看了一天,确定了最基本的需求:即能通过SNTP进行网络校时,显示在屏幕上,其他一些附带功能就算送吧,需求勾勒出大概的框图如下:

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功能框图

整个系统输入电源、按钮信息、光线亮度信息和WiFi,输出信息到屏幕上和蜂鸣器上。

实际上,由于ESP8266和点阵屏的特性,这个系统并不仅可以用于显示时间,还能通过WiFi取得想要的各类信息,并显示出来,如:天气?股票点数?比特币价格?CPU温度监控?更进一步可以通过ESP8266芯片和服务器进行交互,把数据传送到其他终端上。这些都只要通过修改程序就可以做到。

真,开放题。

三、 设计

接着细化一下,下面列出的是我经过3次尝试最终确定的方案,前面两次的坑我已经用脑子里的水填上了:

  1. 主控制器:用ESP8266模组,价格便宜,性能强悍,直接搞定主控和WiFi两个问题。现在除了官方给的固件,还能跑Arduino、Lua和MicroPython等框架,我们这次就用Arduino框架;唯一不足就是引脚太少了,但这个不影响我们的项目;
  2. RTC时钟:DS3231芯片,精度高、内置晶振、简单好用,除了贵就是棒;
  3. 显示:直接采用成品MAX7219 8*8点阵模块,我也考虑过自己做,但是PCB布局很困难,最终还是要两层结构,那倒不如买成品,省去了很大一堆烦恼;
  4. 电源:MICRO USB 5V输入,板上稳压到3.3V;
  5. 其他:蜂鸣器、光感、按钮等配套设备。

三代PCB设计同堂,从上往下分别是1、2、3,打码的地方是嘉立创的客户编码,看到一点点进步了没?

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三代PCB同堂

我前面趟的坑可以总结出以下几点经验:

  1. ESP8266模组同时用作主控和WiFi芯片是OK的,DS3231模组太大大大,要用芯片自己搭建;
  2. 成品显示模块是OK的,就是固定孔位有点麻烦,点两次都不太准。另外显示模块直接用5V供电,可以亮一点;
  3. 因为用了点阵模块和ESP8266,所以整机功耗不低,单节锂电池(尝试过18650,还是容量型)续航捉鸡,意义不大;
  4. 有些LDO(低压差线性稳压)是骗子,压差根本不低;
  5. 配套设备要注意型号尺寸问题,我为此还买了把卡尺量元件大小。

最终我设计的时钟是这样的一个结构,由于是后期整理的,我直接上成品图来示意。

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整体结构1

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整体结构2,分两层

打了箭头的都好理解,就红框部分是空着的,原因有二:一是制造PCB的工厂有优惠,10cm以内才能享受,我现在控制到了9.6cm;二是如果要装进壳子,这里可以放一个锂电池充放电模块。

PART_2_准备工作

赴坑前,必要的材料如下,材料丰俭由人,工具自己用着顺手就好:

一、 物料和耗材

物料和耗材主要就是一些电子元件,绝大部分来自X宝,电子元件单价非常便宜,最好还是在一家店买齐,要不运费不划算:

1.ESP-12F模组,其实就是安信可公司(或其他公司)拿乐鑫公司的ESP8266芯片,进行二次封装的产品,安信可的会稍贵一点,我买的是DOIT的。关键字:ESP-12F。

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DOIT ESP-12F

不是我手抖,便宜货的工艺就这样,看见那毛刺了没……

2.DS3231芯片,美信公司的高精度时钟芯片,自带温度补偿,准!关键字:DS3231。

3.MAX7219 LED 8*8点阵屏幕模块,大家都差不多,但是要注意孔位。关键字:MAX7219 点阵。

4.SPX3819 LDO稳压芯片,低压差线性稳压芯片(LDO),压差低,可以用电池供电。关键字:SPX3819。

5.MICRO USB母座,就是一个USB插座。关键字:MICRO USB母。

6.CR2032电池和电池座,纽扣电池。关键字:CR2032、CR2032电池座。

7.拨动开关,这个其实不是必须的,毕竟钟不太关,有的话烧程序时候方便点。关键字:12D07拨动开关。

8.轻触开关,微动开关。关键字:微动开关、轻触开关 三脚。

9.12085无源蜂鸣器,无源蜂鸣器可以根据PWM频率发出不同的声音。关键字:无源蜂鸣器。

10.GL5539光敏电阻,会随着光线强弱变化,改变电阻阻值,用来检测环境亮度。关键字:光敏电阻。

11.0805贴片电容、0805贴片电阻、SS14二极管,小小的电容电阻,这个大小还能手工焊接,再小真的难,具体值看原理图。关键字:贴片电阻、贴片电容、0805、SS14。

12.排针、排母,用来做插接件。关键字:排针、排母。

13.M3铜柱、螺丝、螺母,五金连接件。关键字:铜柱、螺丝、螺母。

14.焊锡及助焊剂,很便宜的耗材,但好一点的焊锡和助焊剂会让整个焊接过程好办很多,含铅焊锡熔点低好用但污染大,无铅的环保但熔点高难用。关键字:焊锡丝、助焊剂。

15.洗板水,焊接好之后把板子洗干净的有机溶剂,我用了无水酒精。关键字:洗板水。

二、 软硬件工具

需要用到的工具List:

1.电脑,系统随意,但要确保有USB转TTL模块的驱动;

2.USB转TTL模块,用于烧录程序;

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CP2102模块

3.电烙铁,焊接工具,我用的是传说中的“鲍鱼白光”;

4.镊子,焊接辅助工具,毕竟贴片电阻太小了,镊子帮我们夹住元件;

5.旧牙刷,用来洗焊接好的板子,刷刷刷。

需要用到的软件其实就三个:

1.EDA工具使用立创EDA。

这个是国产的、基于HTML的、简单易用的EDA工具,自带了非常全面和开放的封装库,对小白非!常!友!好!【鬼话警告】。

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立创EDA

由于是基于Web的,不用安装,只要浏览器打开,注册账号就行。但是有一点问题:画布放大到很大时候,拖动会卡,反正我的Surface Pro 6(i5-8350U)是跑不动的,因为我的古董台式机可以跑(i3-530),所以感觉更像是优化问题。

2.编程使用PlatformIO。

照理说Arduino IDE作用一样,但是我不喜欢……

【吐槽张大妈编辑器,插不进链接还甩锅给网络】,请自行搜索VSCode。

VSCode是PlatformIO的运行环境;PlatformIO可以在VSCode的插件模块直接安装,好用!推荐!

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PIO

我的电脑已经安装了,“安装”就变成了 “卸载”,正常情况下点击“安装”就行,非常简单。因为这个插件基于Python,所以安装时会自动安装Python,略慢。

3.其他还需要USB转TTL模块的驱动。

这个取决于模块的芯片,推荐CP2102和CH340,其他差的差贵的贵。Windows10环境下,插上系统自动安装驱动,不愁。

PART_3_构建血肉——硬件

毫无疑问,看到这里的都已经是勇士了……

一、 PCB

首先你需要一张PCB。整个过程大概就是:画原理图——画/选择元件封装——原理图转PCB——布线——导出Gerber文件——做成PCB。实际上没多难,就是鼠标拖一些元件,给他们连上线,这个确实是最简单的EDA工具了,系统也给了很详细的操作手册。

因为是他们自己家的,比X宝便宜点。

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回过来~PCB的原理如下,我大概解释一下:

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原理图

  1. 电源是Micro USB接口接入的5V,可以使用手机充电器、充电宝供电,并联一个排针,用于外接供电,如装进壳子里用电池供电。电源经过开关,接入SPX3819 LDO稳压到3.3V,由于SPX3819压差足够低,电池供电也没啥大问题,这里需要配套一些电容,具体电路可以参考SPX3819DataSheet给的典型应用电路。
  2. 主控用的是ESP8266,需要一些外围电路,如:上拉下拉电阻,这个可以参考安信可官方网站给出的DataSheet。
  3. DS3231模块的外围电路非常简单,只需一个备用电源,我在这里用了一颗CR2032,通过电池座焊在PCB上。
  4. 光敏电阻通过下面的限流电阻,接入ADC用于感知外界光线亮度变化。
  5. 蜂鸣器这里使用的是无源蜂鸣器,相对有源蜂鸣器通电就响会麻烦一点,用了一个S8550三极管做开关,为了让声音不那么大,我还是给他接了3.3V电压驱动,喜欢声音洪亮的接5V即可。
  6. 轻触开关接的是GPIO0,这个IO同时是ESP8266的烧录模式入口,这样这个开关就可以同时起到运行时切换,启动时按住烧录两种功能。
  7. 剩下三个是排针排母接口,TTL用于烧录,LED MATRIX引出SPI接口匹配MAX7219点阵屏,OUT是我没用到的GPIO16接口,我把他单独引出,还加了GND和VCC,用于扩展一些外设,目前并没用到。

把前面的原理图转换成PCB,调整位置和封装,经过布线,就可以画出PCB来,这个PCB是经过前面两次失败的经验总结起来的成果,凝聚了我海量无知的泪水:

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PCB

一通操作后,可以让系统导出一个Gerber文件,所谓Gerber文件就是把电路板的信息,按层打包在一个压缩包里,通过一些软件,可以更加直观地看到PCB的模样。

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导出一个Gerber

有了Gerber文件,我们可以制造成PCB了。

2020年了,现在是讲究产业链的时代,我不建议在家自己腐蚀PCB,因为自己做一不环保,废水难以处理;二工艺太差,工业生产的品质和工艺是吊打手工操作的。

我的PCB是在嘉立创做的,因为他们家有一个非常强劲的活动:用他们的电脑版下单助手下单,PCB尺寸在10cm*10cm以内,普通工艺,5张板只要5元!还顺丰包邮!

妙啊~

也正是因为这个原因,你可以看到我做的PCB没有跟点阵屏幕一样长,因为我要控制在10cm*10cm以内。【再次吐槽张大妈编辑器,为什么我word贴进来就变成了250px???】

当然也可以在他们的网站下单,同样要求,20块包邮。疫情期间5元特价活动暂停过一段时间,我的PCB就是那会儿20块做的,你要是查一下以前做个PCB多少钱的话,会觉得20块并不贵。

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在PC下单助手里上传Gerber文件

把前面的Gerber文件,在系统里面上传,然后设置一些工艺参数,填上地址,付款,就跟网上买东西一样方便,然后就休息一两天,等快递吧。

二、 焊接组装

由于我打样时工厂才刚刚复工,耐心等待……

顺丰小哥终于把PCB给我送来了:

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优秀的包装

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真空包装,还有干燥剂

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PCB

放在平时就是5块钱包邮的,这包装,这工艺,还是良心吧。拿出来先比划一下,孔位OK【请无视纸巾】:

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比划一下

接着电烙铁操作起来,焊好,我少焊了两个电容,那个型号一时半会儿没找到,先空着了,基本不影响使用。焊好用酒精、牙刷洗刷刷:

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焊好、洗好了

正常操作里面洗板水更加好用,我没有,但是有无水酒精,一样可以洗板子,注意是无水酒精,医用酒精酒精含量只有75%,含水!不能用!

另外强调一下,焊锡和助焊剂的烟雾和洗板水的挥发性成分都有毒,请在通风的地方操作。细心的可能看出来背景有点不一样,上图那是我的鼠标垫,然后焊的时候不小心烙铁那么一抖,一个洞……所以看好你们的小手……

Part_4_注入灵魂——程序

壮士!先干了这碗!

OK~前面已经提到了,我们的时钟程序是基于Arduino开发的,ESP8266本身官方并没有支持Arduino,它的Arduino框架是第三方提供的。

一、 编写和抄袭程序

申明一下:我这里的代码有抄各种开源项目的~

先用我们的开发工具——PlatformIO,新建一个项目:

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PIO新建

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PIO新建

点击Finish之后,PlatformIO会自动安装对应的板子、框架,并帮你搭建好Arduino程序的基本框架。

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需要修改的2个文件

只需要把main.cpp和platformio.ini这两个文件照抄我提供的程序,更懒一点的话可以复制文件替换掉。因为我的项目文件夹里面有其他子项目的代码,我又没有完全整理好,所以我就不用Git之类的办法开源给大家了。特别说明下,我这程序比较简单,就是做了时钟功能,闹钟硬件已经有,软件没启用。

这里一个问题:由于一些奇奇怪怪的网络问题, , u8g2这个库大家是很难直接从PlatformIO下载和安装好的。没关系,给他手工操作一波,把库文件下载解压,u8g2lib文件夹放到lib文件夹里面就行了。这里注意层级,不要多层文件夹嵌套,具体操作README里面已经写得很清楚了。

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u8g2lib

好了,程序抄完了,点一下下面那个钩,编译代码,一般情况下会滚一段时间的代码,最后没报错就是一切OK~

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编译成功

二、 烧录

把USB转TTL模块和时钟PCB接好:

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接线注意

GND好理解,接地;注意TXD和RXD是交叉连接的,交叉!交叉!交叉!我为了方便,把TTL引脚焊到了背后,这样在插着屏幕时候也能比较容易插拔线:

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TTL我焊在背后了

接好线后准备动作:

  1. 给板子插上电源,关闭开关;
  2. 把USB转TTL模块插上USB接口;
  3. 左手按住板子上的轻触开关,右手点一下上传。

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上传固件

这时候系统就开始检测板子的连接情况了,注意观察终端的输出,看到Connecting........_____.....时候,就是系统在等待连接了,这时候打开板子的开关(就是上电):

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好了,开始烧代码了,进度会刷新百分比。看到[SUCCESS]就烧录完成了。这里提示一下,有可能没到100他就失败了,多半是因为TTL信号完整性的问题,我也碰到过几次,我猜测有两个原因,一是我的板子设计或者焊接有问题;二是usb转TTL模块本身或者杜邦线质量问题。多次尝试吧,没问题的。

拔掉各种线,关掉板子电源开关。

然后开机就可以使用了,第一次使用会按程序进入校时:

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出现这个时候就是在等待配网

然后用手机进行配网:

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选择这个SSID

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这个

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选择你要连接的WiFi,下面输入密码

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这就好了

搞定。

Part_5_其他

一、 缺憾和改进

留下的缺憾还是有好几个:

1.没有外壳。

其实做外壳的办法有好多种,最方便的还是3D打印,有的话打印一个外壳还是不错的。

2.还是需要外接供电。

这个我预留了接口,目前这个造型下,软包锂电池和21700锂电池都是不错的选项,一起把它做进外壳里面,但是需要外置充放电模块。

3.PCB还是画错了一笔。

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线太粗了

这条导线我画的太粗了,把USB的两个脚连起来了——应该是不小心手抖。因为我们USB不传数据,所以不影响使用,但在某些特殊的数据线下面,可能会无法供电。我分享的PCB已经修复这个问题。

4.程序还是随便写写的,闹钟硬件已经有,软件没启用。

还好,我还有个写代码的朋友【写代码的也有朋友?】,他在我的程序上面修修补补,做了闹钟、农历、滚动之类的各种功能。

毕竟他还没女朋友……就不催他合并代码了吧。

二、 分享资料

因为我的项目里面还有其他子项目的资料,我又懒得理,所以我就抽取了有关联的,还是通过百度网盘吧:(请点击扩展链接前往相关页面获取)

提取码: k8yw

如果资源有问题,请反映给我,谢谢~

我哪天想到了的话,我会把代码更新下的~

三、 新坑

疫情期间其实主要精力在搞这个,基于ESP32的平衡车……

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原型已经可以站起来了

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然后自己打板子

还在调试,现在复工了,坑有空再填。

以上,祝大家身体健康,玩得开心~

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