如何做一個炫酷的墨水屏電子鐘？

這周和大家介紹一個漂亮的墨水屏電子鐘，兼具氣象站功能（可以通過GPS自動設置），用4節(jié)AAA電池可以續(xù)航6個月左右，而且，為了保證安全和可靠性，它不需要任何網(wǎng)絡連接。

特點包括：

• 自動設置（通過GPS）

• 當前溫度。

• 當前的濕度。

• 顯示過去25小時內(nèi)壓力的壓力圖。

• 日出和日落時間

• 當前的月相

• 在12小時或24小時模式之間選擇。

• 在英文和公制單位之間選擇。

這個項目有兩個不同的版本，分別是 “簡易”版本 和 “低功率”版本。

“簡易”版本是基于Arduino Nano的。這個版本的目的是盡量減少成本、零件數(shù)量和制作的復雜性；缺點是你需要用一個USB 5V適配器來給時鐘供電。

“低功率”版本使用一個32k的振蕩器，以極小的功率保持精確的計時。這個振蕩器讓時鐘可以用電池運行。

第1步："簡易 "版零件清單

• Arduino Nano
• Waveshare 2.9 in EPaper模塊
• Adafruit MS8607壓力/濕度/溫度傳感器
• 任何帶有9600 Baud TX的GPS模塊
• 電路板（可以是一塊原型板或一塊用于CNC的銅板）
• 幾個按鈕開關（用來改變UTC時間偏移和顯示偏好的）
• 制作外殼的材料（文末會有提供.3mf、.scad和.dxf文件)
• USB充電器和充電線

第2步："低功率 "版本

這些材料和上面的簡易版本一樣：

• Waveshare 2.9 in EPaper Module
• Adafruit MS8607壓力/濕度/溫度傳感器
• 電路板
• 幾個按鈕開關
• 制作外殼的材料

此外，你還需要：

• Atmega328P DIP版（你也可以選擇SMD封裝版本，但在32K晶體上焊接會更難）
• 32768 Hz晶體（這個振蕩器是設計中低功率的關鍵）
• Adafruit GPS模塊（這個模塊比 "簡易 "版中的模塊質(zhì)量要高一些，因為它可以跟蹤更多的衛(wèi)星（以便更快地鎖定），提供一個使能引腳（用于低功耗）和一個用于保持其內(nèi)存活動的端口（用于快速重新鎖定）。如果所有這些功能對你來說不值得增加成本，你可以通過添加你自己的使能FET，魔改一個更便宜的模塊來完成這項工作。后面會解釋怎么做）
• LED+電阻（光禿禿的Atmega328P沒有辦法告訴你它是否在工作，閃爍的燈可以提供一個1ms/秒的 "心跳"，幾乎不耗電，但提供了有用的反饋）
• 幾個10uF和100nF的電容來平滑電源電壓
• 電池（我用的是4個AAA電池，但任何能可以獲得5-7伏電壓的電池都可以使用）
• （可選）一個用于通過ICSP對芯片進行編程的3x2針頭（如果你可以拆下Atmega328P重新編程，那么你可以跳過這個連接器）
• （可選）一個用于UART調(diào)試的1x2針腳接頭（只有在板子運行不穩(wěn)定的情況下才需要這個）

第3步：Arduino Mini版本

前面說有兩個版本，這個是一個額外的版本，之所以會有這么一個額外的版本，就是因為我們現(xiàn)在處于 "零件荒 "，像Atmega328P這樣的芯片會長期缺貨。

你可以用 "簡單 "版本的固件運行這個版本，或者，如果你對自己的焊接技術有信心，你可以在微控制器上焊接一個32k的晶體（如上圖所示），并使用32k版本的固件（更多細節(jié)見下節(jié)）。

上面的原理圖是用一個 "便宜的GPS "解決方案來連接的，但是如果你用了別的（比如Adafruit）的設置來替換原理圖中的GPS部分，你也可以使用別的（比如Adafruit的）GPS（如上一步的原理圖所示）。

第4步：便宜的GPS（可選）

與競爭對手（12美元）相比，Adafruit的GPS裝置很貴（30美元）。如果你認為增加的功能（在低功耗部件部分有描述）不 "值得"，你可以把任何能以9600波特傳輸NMEA字符串的GPS模塊丟進去（大多數(shù)的GPS模塊都可以）。

但現(xiàn)在有一個新的問題需要解決：這些單元中的大多數(shù)缺乏一個啟用/禁用引腳，而GPS單元通常消耗30-100毫安的電力。我們可以用一個N-MOSFET（或類似的）黑掉一個禁用開關。上面的原理圖顯示了基本的想法。我們也可以在falstad^[1]中進行嘗試。

這個電源開關電路是有取舍的。如果你有興趣了解更多細節(jié)，請參見附錄B。

第5步：低功率硬件修改

如果你正在制作 "簡易 "版本，你不需要閱讀這一部分。對于“低功率”版本，這些改裝將大大改善電池壽命。

為了說明問題，我們將假設電源來自一組AAA電池，可以提供1000毫安時。讓我們假設你使用的是32K的Adafruit版本，并且沒有做任何修改。下面是一個電源分解的例子。

• "睡眠/關閉 " CPU、GPS、MS8607和EPaper：測量值為30-70uA（我們認為是50uA）。
• 屏幕更新：5毫安，每分鐘2秒一次：5 * 2 / 60 = 166 uA
• GPS更新：每天一次，每次50毫安，每次10秒。50 * 10 / 86400 = 6 uA
• MS8607 LED：100 uA
• Adafruit GPS上拉電阻：500 uA

因此，我們有（50 + 166 + 6 + 100 + 500）= 822 uA的平均電流消耗，相當于約50天的功率。

如果去掉MS8607 LED和GPS上拉電阻，我們的用電量就會減少到222 uA，也就是大約187天的用電量，大大增加了使用時間。

1、首先，建議從MS8607上拆下LED（具體如上圖所示）

2、Adafruit GPS上的上拉電阻是由Adafruit的設計人員添加的，使得EN引腳變成一個可選項。不過它也有一個缺點，就是當你把它拉到地（禁用GPS）時，大約有500uA的電流在上拉電阻中被消耗掉了。由于這個設計的使能引腳是主動驅(qū)動的，你可以去掉這個電阻（具體如上圖所示）

3、專業(yè)的迷你修改。搜索引擎搜索 "Arduino mini低功耗 "了解詳情，基本上，你會想去掉電壓調(diào)節(jié)器和LED，來減少電源使用。我們改用MS8607的電壓調(diào)節(jié)器（3.3V，空閑時損失35-55uA的功率）為pro mini供電。

4、在pro mini的照片中，我還去掉了晶體振蕩器，為32K晶體的芯片做準備。只有在32K晶體版本的情況下才去掉這個晶體，而且只有在對pro mini的內(nèi)熔絲進行重新編程后才去掉，后面會解釋。

第6步：固件

在這個步驟中，我附上了nano和32k晶體版本的.hex文件（這兩個版本都適用于pro-mini，如果你不確定使用哪個版本，就使用nano版本）。

如果想自己構建/修改源代碼，可以訪問GitHub：https://github.com/mattwach/epaper_clock

自己構建.hex固件文件（可選）

注意，這段代碼沒有使用Arduino庫，因為產(chǎn)生的代碼太大，無法在Atmega328P上安裝（而且這是我的個人偏好）。它是用C語言編寫的，使用了Arduino^[2]也使用的AVR基礎庫作為基礎。如果你想編譯代碼，你需要安裝（免費的）avr-gcc工具^[3]，克隆epaper項目^[4]的源碼。然后進入firmware/^[5]目錄并輸入。

make

如果代碼建立了，可以打開Makefile^[6]，看看這些選項。

# This is the Low-power stand alone chip configuration.
CLOCK_MODE ?= USE_32K_CRYSTAL
UART_MODE ?= HARDWARE_UART
F_CPU ?= 8000000

# This is the easy-to-build firmware that is based on an Ardino Nano
#CLOCK_MODE ?= USE_CPU_CRYSTAL
#UART_MODE ?= SOFTWARE_UART
#F_CPU ?= 16000000

如果你正在構建32k晶體固件，配置已經(jīng)正確了。如果構建nano的版本，你需要注釋32k那段，取消注釋nano那段代碼，然后再次make。

還有一個特殊的調(diào)試模式，通過硬件UART以9600波特的速度轉(zhuǎn)儲日志信息。你現(xiàn)在可以忽略，但要記住它，因為它以后可能會有用。

# Uncomment to activate debug via the UART TX (9600 baud)
#DEBUG_CFLAG := -DDEBUG

最后，你可以通過改變幾個變量來決定GPS應該多長時間被激活。默認每天運行一次，但如果GPS需要很長時間鎖定，它會減少運行頻率，從而減少電池的消耗。請在src/gps.c^[7]中閱讀所有相關內(nèi)容。

這部分的文件可以在文末下載！

第7步：使用ICSP上傳固件

本節(jié)是為那些上傳代碼到獨立的Atmega328P芯片的小伙伴準備的，如果你要上傳到Arduino Nano，請?zhí)较乱粋€步驟。

你需要一個ISP（或ICSP）編程器。可以用一個備用的Aruino Uno/Nano自己做一個。可以在搜索引擎搜索"Arduino ISP Programmer" 請注意，這些指南中的很多內(nèi)容都假定你的真正目的是安裝一個引導程序，但對于我們來說，不需要引導程序，因為我們將直接用ICSP上傳.hex文件。

斷電檢測

在我的Atmega328P上，斷電檢測設置為3.5V（貌似是舊版本），所以我用這個命令禁用斷電檢測。

/usr/bin/avrdude -patmega328p -cusbasp -Uefuse:w:0xFF:m

你的可能不一樣，這取決于你的“ISP programmer”（-c選項）。也有可能你不需要設置，只是以防萬一。

第8步：使用Avrdude

我們可以使用一個叫avrdude的免費工具，來把它創(chuàng)建的十六進制文件上傳到你的Uno/Nano/。我們也可以直接用命令行下載并使用avrdude。

• 用Arduino IDE在輸出記錄打開的情況下運行一個上傳（點燈的demo或者其他的demo），然后復制它使用的命令。或者
• 閱讀官方的avrdude文檔^[8]或者
• 閱讀參考網(wǎng)上使用avrdude的教程

這里是我在nano版本中使用的avrdude命令（通過make上傳）。

供參考：

/usr/bin/avrdude \
  -v \
  -patmega328p \
  -carduino \
  -P/dev/ttyUSB0 \
  -b57600 \
  -D \
  -Uflash:w:epaper_firmware_using_arduino_nano.hex:i 

這個是我在ISP版本中使用的：

/usr/bin/avrdude \
  -v \
  -patmega328p \
  -cusbasp \
  -Uflash:w:epaper_firmware_using_32k_crystal.hex:i 

這邊使用的是Linux。Mac和Windows也能正常工作，但像-P這樣的選項會有所不同（即在Windows中可能是-PCOM1）。

同樣，這部分的文件可以在文末下載！

第9步：32K晶振

如果你正在制作 "簡易 "版本，請?zhí)^這一步。如果你使用的是32k晶體固件，則需要安裝晶體以使固件發(fā)揮作用。

首先（！） 你還需要配置ATMega328P的內(nèi)部內(nèi)熔絲，以使用內(nèi)部的8Mhz晶體。

先做這一步很重要，因為32K晶體將取代任何現(xiàn)有晶體。如果你不改變這些內(nèi)熔絲，芯片會變得沒有反應，直到你重新連接一個8或16Mhz的振蕩器。

據(jù)我所知，Arduino pro mini也需要ISP來改變內(nèi)熔絲（但我可能是錯的）。我查找了 "Arduino ISP"，來獲得正確的引腳映射，以便將ISP連接器與面包板對接（如上圖所示）。

在連接了我的ISP programmer后，可以用這個命令檢查當前的內(nèi)熔絲配置。

$ avrdude -patmega328p -cusbasp
...
avrdude: safemode: Fuses OK (E:FF, H:DE, L:E2)

L:E2是我們想要的內(nèi)部8mhz的設置。如果你的值不一樣，可以用類似于這個的命令來更新它。

/usr/bin/avrdude -patmega328p -cusbasp -Ulfuse:w:0xE2:m

然后重新檢查。

內(nèi)熔絲設置完畢后，你就可以焊接晶體了。建議將晶體直接連接到微控制器引腳上，以減少雜散電容。太多的電容會使晶體需要更長的時間來開始振蕩（或無法啟動）。

第10步：（可選）第一個步驟

請參考步驟1、步驟2或步驟3中你所選擇的設計原理圖。

• 你可以在面包板上驗證到目前為止的情況，只需將一個LED/Resistor從D5連接到地，然后上傳固件。如果一切正常，LED將每秒短暫地閃爍一次；
• 接下來，你可以添加EPaper顯示屏。顯示器上的數(shù)據(jù)都不會是正確的，但它應該顯示一些一些數(shù)據(jù)；
• 然后，添加PHT模塊，并驗證它是否工作；
• 最后是GPS模塊。

如果測試正常，我們可以把所有東西轉(zhuǎn)移到一個更“永久”的固定裝置上。

第11步：線路板組裝

你可以選擇使用perf板，用CNC切割板子，或者把設計送到工廠去制造。

Kicad設計文件可以在schematic/目錄^[9]中找到。有三種硬件可供選擇（都是從后面顯示的，因為這是你手工布線的方式）。

我用我的CNC機器制作ATMega328P版本。如果你沒有用CNC切割過PCB而又感興趣，可以嘗試在搜索引擎上搜索 "3018 PCB"，你會發(fā)現(xiàn)很多關于這個主題的視頻和文章。

間隙設置0.4毫米，但你可以更窄（可能不會更寬）。我使用Flatcam將Kicad的Gerber輸出轉(zhuǎn)換為G代碼。

相關文件可以在文末下載到。

第12步：案例設計

你可以設計你想要的任何類型的外觀，非常鼓勵大家發(fā)揮創(chuàng)意!

這里分享一下我是怎么制作的（所有的設計文件都可以在文末下載到）。

我的設計使用了一個3D打印的支撐結構和兩個CNC部件：一個頂蓋和前面板。數(shù)控部件是用木頭做的，因為我認為它比塑料看起來更漂亮。我在OpenSCAD中預先設計了整個東西。

我用0.2毫米的層高打印了主要結構。在我的3D打印機上，打印花了5個小時多一點。

我使用OpenSCAD的 "projection"^[10] 功能，為頂蓋和前板創(chuàng)建了2D DXF文件。

我通常會使用一個名為 "Carbide Create"^[11]的免費程序，為數(shù)控機床制作G代碼。但面板有一個45度的倒角，而Carbide Create是一個太基本的程序，不能很好地處理這個問題（至少我通過谷歌搜索他們網(wǎng)站上的論壇，得出了這個結論）。所以我嘗試了一個不同的程序，叫做"CamBam"^[12]，它的效果非常好。（CamBam不是免費的，但可以免費使用40次）

第13步：附錄A：時鐘漂移校正（可選）

你的32k/CPU晶體不會是完美的。當GPS開啟時，它將修正漂移。但是如果漂移不好或者你的GPS信號不好，你也可以在固件中應用一個校正。目前這需要構建代碼。在main.c的頂部，有一些被注釋掉的定義。

// Clock drift correction
// If your clock runs too fast or too slow, then you can enable these
//#define CORRECT_CLOCK_DRIFT
// number of seconds that a second should be added or removed
//#define CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT 1800
// define this if the clock is too slow, otherwise leave it commented out
//#define CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW

你可以取消對上面兩個#define語句的加注，以啟用校正。

只需取消對CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW的注釋（你的時鐘已經(jīng)慢了的話）。

如果你的時鐘太快了，就不要注釋。唯一要做的是設置CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT...

數(shù)學方法

等了大約一天，然后看看時鐘漂移了多少。例如，你可能要等23個小時。如果這時你看到時鐘慢了10秒，那么你的修正將是。

(3600 * 23) / 10 = 8280秒，每次修正。

#define CORRECT_CLOCK_DRIFT
#define CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT 8280
#define CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW

非數(shù)學的方法

只需嘗試一個像5000這樣的數(shù)字，并在你注意到時鐘仍然過快或過慢時對其進行完善。還是太慢？試試2,500。太快了？試試10,000。保持記錄，并反復完善到可接受的數(shù)值，就像你在某些時候可能玩過的猜數(shù)字游戲一樣。

第14步：附錄B：廉價的GPS電源控制（關于BS170 N-MOSFET）

重溫一下第四步"便宜GPS " 里描述的電源控制電路，上面的電源切斷電路被稱為 "low side switch"。它的好處是比較容易理解，而且零件數(shù)量少。盡管如此，還是有一些設計上的問題。

• GPS的地線并不與GND相連，而是與MOSFET相連。這意味著從GPS到微控制器的UART信號會有MOSFET的壓降加在上面（Vds），增加了噪聲的敏感性，并可能造成的錯誤。
• 如果你的微控制器的輸入被規(guī)定為3.3V的最大值，你就不會想使用這種設計（我選擇的ATMega328P沒有這個限制）。
• 3.3V（上面的EN引腳）對每個MOSFET來說都不是一個很強的開啟電壓。

但是，UART是一個數(shù)字信號，地線的差異并不大，所以也許它無論如何都會工作？我試過了，而且工作得很好......起初，但隨著時間的推移，我逐漸發(fā)現(xiàn)它并不可靠。為了了解原因，我們參考一下我最初選擇的BS170作為我的N-MOSFET的特性曲線^[13]。

在X軸的3.3V時，我們將坐在圖上的3.0和4.0V線之間。因此，也許我們會得到100mA？也許足夠？

萬用表告訴我，GPS消耗40-60mA，但我認為這是一個平均值。根據(jù)GPS試圖做什么，它只是需要比晶體管能夠允許的更多的電流，因此GPS的地（MOSFET漏極）電壓會上升。這既造成了UART錯誤，又降低了GPS裝置的整體電壓，而GPS裝置有時仍然可以工作，有時則進入復位循環(huán)。

一個解決方案是使用一個 "high side"電源電路，在上面增加一個P-MOSFET來實現(xiàn)這個目標。見上面的原理圖。這消除了單獨接地的問題，并提供一個完整的5V（電池）柵極電壓波動，這將使相關的P-MOSFET完全打開。

這里^[14]是falstad中的一個高邊設計實例。

目前我已經(jīng)訂購了帶有低端布線的PCB，所以我的次要解決方案是放棄BS170，而用FQP30N06L代替。這種較高電流的MOSFET（最大30A！）似乎嚴重過剩，而且確實如此，但其曲線看起來要好得多。在3.3V電壓下，大約有10A的電流余量，比BS170改進了100倍，現(xiàn)在應該足夠了；而且確實沒有恢復不穩(wěn)定。

參考資料