如何做一个炫酷的墨水屏电子钟？

这周和大家介绍一个漂亮的墨水屏电子钟，兼具气象站功能（可以通过GPS自动设置），用4节AAA电池可以续航6个月左右，而且，为了保证安全和可靠性，它不需要任何网络连接。

特点包括：

• 自动设置（通过GPS）

• 当前温度。

• 当前的湿度。

• 显示过去25小时内压力的压力图。

• 日出和日落时间

• 当前的月相

• 在12小时或24小时模式之间选择。

• 在英文和公制单位之间选择。

这个项目有两个不同的版本，分别是 “简易”版本 和 “低功率”版本。

“简易”版本是基于Arduino Nano的。这个版本的目的是尽量减少成本、零件数量和制作的复杂性；缺点是你需要用一个USB 5V适配器来给时钟供电。

“低功率”版本使用一个32k的振荡器，以极小的功率保持精确的计时。这个振荡器让时钟可以用电池运行。

第1步："简易 "版零件清单

• Arduino Nano
• Waveshare 2.9 in EPaper模块
• Adafruit MS8607压力/湿度/温度传感器
• 任何带有9600 Baud TX的GPS模块
• 电路板（可以是一块原型板或一块用于CNC的铜板）
• 几个按钮开关（用来改变UTC时间偏移和显示偏好的）
• 制作外壳的材料（文末会有提供.3mf、.scad和.dxf文件)
• USB充电器和充电线

第2步："低功率 "版本

这些材料和上面的简易版本一样：

• Waveshare 2.9 in EPaper Module
• Adafruit MS8607压力/湿度/温度传感器
• 电路板
• 几个按钮开关
• 制作外壳的材料

此外，你还需要：

• Atmega328P DIP版（你也可以选择SMD封装版本，但在32K晶体上焊接会更难）
• 32768 Hz晶体（这个振荡器是设计中低功率的关键）
• Adafruit GPS模块（这个模块比 "简易 "版中的模块质量要高一些，因为它可以跟踪更多的卫星（以便更快地锁定），提供一个使能引脚（用于低功耗）和一个用于保持其内存活动的端口（用于快速重新锁定）。如果所有这些功能对你来说不值得增加成本，你可以通过添加你自己的使能FET，魔改一个更便宜的模块来完成这项工作。后面会解释怎么做）
• LED+电阻（光秃秃的Atmega328P没有办法告诉你它是否在工作，闪烁的灯可以提供一个1ms/秒的 "心跳"，几乎不耗电，但提供了有用的反馈）
• 几个10uF和100nF的电容来平滑电源电压
• 电池（我用的是4个AAA电池，但任何能可以获得5-7伏电压的电池都可以使用）
• （可选）一个用于通过ICSP对芯片进行编程的3x2针头（如果你可以拆下Atmega328P重新编程，那么你可以跳过这个连接器）
• （可选）一个用于UART调试的1x2针脚接头（只有在板子运行不稳定的情况下才需要这个）

第3步：Arduino Mini版本

前面说有两个版本，这个是一个额外的版本，之所以会有这么一个额外的版本，就是因为我们现在处于 "零件荒 "，像Atmega328P这样的芯片会长期缺货。

你可以用 "简单 "版本的固件运行这个版本，或者，如果你对自己的焊接技术有信心，你可以在微控制器上焊接一个32k的晶体（如上图所示），并使用32k版本的固件（更多细节见下节）。

上面的原理图是用一个 "便宜的GPS "解决方案来连接的，但是如果你用了别的（比如Adafruit）的设置来替换原理图中的GPS部分，你也可以使用别的（比如Adafruit的）GPS（如上一步的原理图所示）。

第4步：便宜的GPS（可选）

与竞争对手（12美元）相比，Adafruit的GPS装置很贵（30美元）。如果你认为增加的功能（在低功耗部件部分有描述）不 "值得"，你可以把任何能以9600波特传输NMEA字符串的GPS模块丢进去（大多数的GPS模块都可以）。

但现在有一个新的问题需要解决：这些单元中的大多数缺乏一个启用/禁用引脚，而GPS单元通常消耗30-100毫安的电力。我们可以用一个N-MOSFET（或类似的）黑掉一个禁用开关。上面的原理图显示了基本的想法。我们也可以在falstad^[1]中进行尝试。

这个电源开关电路是有取舍的。如果你有兴趣了解更多细节，请参见附录B。

第5步：低功率硬件修改

如果你正在制作 "简易 "版本，你不需要阅读这一部分。对于“低功率”版本，这些改装将大大改善电池寿命。

为了说明问题，我们将假设电源来自一组AAA电池，可以提供1000毫安时。让我们假设你使用的是32K的Adafruit版本，并且没有做任何修改。下面是一个电源分解的例子。

• "睡眠/关闭 " CPU、GPS、MS8607和EPaper：测量值为30-70uA（我们认为是50uA）。
• 屏幕更新：5毫安，每分钟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上拉电阻：500 uA

因此，我们有（50 + 166 + 6 + 100 + 500）= 822 uA的平均电流消耗，相当于约50天的功率。

如果去掉MS8607 LED和GPS上拉电阻，我们的用电量就会减少到222 uA，也就是大约187天的用电量，大大增加了使用时间。

1、首先，建议从MS8607上拆下LED（具体如上图所示）

2、Adafruit GPS上的上拉电阻是由Adafruit的设计人员添加的，使得EN引脚变成一个可选项。不过它也有一个缺点，就是当你把它拉到地（禁用GPS）时，大约有500uA的电流在上拉电阻中被消耗掉了。由于这个设计的使能引脚是主动驱动的，你可以去掉这个电阻（具体如上图所示）

3、专业的迷你修改。搜索引擎搜索 "Arduino mini低功耗 "了解详情，基本上，你会想去掉电压调节器和LED，来减少电源使用。我们改用MS8607的电压调节器（3.3V，空闲时损失35-55uA的功率）为pro mini供电。

4、在pro mini的照片中，我还去掉了晶体振荡器，为32K晶体的芯片做准备。只有在32K晶体版本的情况下才去掉这个晶体，而且只有在对pro mini的内熔丝进行重新编程后才去掉，后面会解释。

第6步：固件

在这个步骤中，我附上了nano和32k晶体版本的.hex文件（这两个版本都适用于pro-mini，如果你不确定使用哪个版本，就使用nano版本）。

如果想自己构建/修改源代码，可以访问GitHub：https://github.com/mattwach/epaper_clock

自己构建.hex固件文件（可选）

注意，这段代码没有使用Arduino库，因为产生的代码太大，无法在Atmega328P上安装（而且这是我的个人偏好）。它是用C语言编写的，使用了Arduino^[2]也使用的AVR基础库作为基础。如果你想编译代码，你需要安装（免费的）avr-gcc工具^[3]，克隆epaper项目^[4]的源码。然后进入firmware/^[5]目录并输入。

make

如果代码建立了，可以打开Makefile^[6]，看看这些选项。

# 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

如果你正在构建32k晶体固件，配置已经正确了。如果构建nano的版本，你需要注释32k那段，取消注释nano那段代码，然后再次make。

还有一个特殊的调试模式，通过硬件UART以9600波特的速度转储日志信息。你现在可以忽略，但要记住它，因为它以后可能会有用。

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

最后，你可以通过改变几个变量来决定GPS应该多长时间被激活。默认每天运行一次，但如果GPS需要很长时间锁定，它会减少运行频率，从而减少电池的消耗。请在src/gps.c^[7]中阅读所有相关内容。

这部分的文件可以在文末下载！

第7步：使用ICSP上传固件

本节是为那些上传代码到独立的Atmega328P芯片的小伙伴准备的，如果你要上传到Arduino Nano，请跳到下一个步骤。

你需要一个ISP（或ICSP）编程器。可以用一个备用的Aruino Uno/Nano自己做一个。可以在搜索引擎搜索"Arduino ISP Programmer" 请注意，这些指南中的很多内容都假定你的真正目的是安装一个引导程序，但对于我们来说，不需要引导程序，因为我们将直接用ICSP上传.hex文件。

断电检测

在我的Atmega328P上，断电检测设置为3.5V（貌似是旧版本），所以我用这个命令禁用断电检测。

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

你的可能不一样，这取决于你的“ISP programmer”（-c选项）。也有可能你不需要设置，只是以防万一。

第8步：使用Avrdude

我们可以使用一个叫avrdude的免费工具，来把它创建的十六进制文件上传到你的Uno/Nano/。我们也可以直接用命令行下载并使用avrdude。

• 用Arduino IDE在输出记录打开的情况下运行一个上传（点灯的demo或者其他的demo），然后复制它使用的命令。或者
• 阅读官方的avrdude文档^[8]或者
• 阅读参考网上使用avrdude的教程

这里是我在nano版本中使用的avrdude命令（通过make上传）。

供参考：

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

这个是我在ISP版本中使用的：

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

这边使用的是Linux。Mac和Windows也能正常工作，但像-P这样的选项会有所不同（即在Windows中可能是-PCOM1）。

同样，这部分的文件可以在文末下载！

第9步：32K晶振

如果你正在制作 "简易 "版本，请跳过这一步。如果你使用的是32k晶体固件，则需要安装晶体以使固件发挥作用。

首先（！） 你还需要配置ATMega328P的内部内熔丝，以使用内部的8Mhz晶体。

先做这一步很重要，因为32K晶体将取代任何现有晶体。如果你不改变这些内熔丝，芯片会变得没有反应，直到你重新连接一个8或16Mhz的振荡器。

据我所知，Arduino pro mini也需要ISP来改变内熔丝（但我可能是错的）。我查找了 "Arduino ISP"，来获得正确的引脚映射，以便将ISP连接器与面包板对接（如上图所示）。

在连接了我的ISP programmer后，可以用这个命令检查当前的内熔丝配置。

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

L:E2是我们想要的内部8mhz的设置。如果你的值不一样，可以用类似于这个的命令来更新它。

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

然后重新检查。

内熔丝设置完毕后，你就可以焊接晶体了。建议将晶体直接连接到微控制器引脚上，以减少杂散电容。太多的电容会使晶体需要更长的时间来开始振荡（或无法启动）。

第10步：（可选）第一个步骤

请参考步骤1、步骤2或步骤3中你所选择的设计原理图。

• 你可以在面包板上验证到目前为止的情况，只需将一个LED/Resistor从D5连接到地，然后上传固件。如果一切正常，LED将每秒短暂地闪烁一次；
• 接下来，你可以添加EPaper显示屏。显示器上的数据都不会是正确的，但它应该显示一些一些数据；
• 然后，添加PHT模块，并验证它是否工作；
• 最后是GPS模块。

如果测试正常，我们可以把所有东西转移到一个更“永久”的固定装置上。

第11步：线路板组装

你可以选择使用perf板，用CNC切割板子，或者把设计送到工厂去制造。

Kicad设计文件可以在schematic/目录^[9]中找到。有三种硬件可供选择（都是从后面显示的，因为这是你手工布线的方式）。

我用我的CNC机器制作ATMega328P版本。如果你没有用CNC切割过PCB而又感兴趣，可以尝试在搜索引擎上搜索 "3018 PCB"，你会发现很多关于这个主题的视频和文章。

间隙设置0.4毫米，但你可以更窄（可能不会更宽）。我使用Flatcam将Kicad的Gerber输出转换为G代码。

相关文件可以在文末下载到。

第12步：案例设计

你可以设计你想要的任何类型的外观，非常鼓励大家发挥创意!

这里分享一下我是怎么制作的（所有的设计文件都可以在文末下载到）。

我的设计使用了一个3D打印的支撑结构和两个CNC部件：一个顶盖和前面板。数控部件是用木头做的，因为我认为它比塑料看起来更漂亮。我在OpenSCAD中预先设计了整个东西。

我用0.2毫米的层高打印了主要结构。在我的3D打印机上，打印花了5个小时多一点。

我使用OpenSCAD的 "projection"^[10] 功能，为顶盖和前板创建了2D DXF文件。

我通常会使用一个名为 "Carbide Create"^[11]的免费程序，为数控机床制作G代码。但面板有一个45度的倒角，而Carbide Create是一个太基本的程序，不能很好地处理这个问题（至少我通过谷歌搜索他们网站上的论坛，得出了这个结论）。所以我尝试了一个不同的程序，叫做"CamBam"^[12]，它的效果非常好。（CamBam不是免费的，但可以免费使用40次）

第13步：附录A：时钟漂移校正（可选）

你的32k/CPU晶体不会是完美的。当GPS开启时，它将修正漂移。但是如果漂移不好或者你的GPS信号不好，你也可以在固件中应用一个校正。目前这需要构建代码。在main.c的顶部，有一些被注释掉的定义。

// 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

你可以取消对上面两个#define语句的加注，以启用校正。

只需取消对CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW的注释（你的时钟已经慢了的话）。

如果你的时钟太快了，就不要注释。唯一要做的是设置CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT...

数学方法

等了大约一天，然后看看时钟漂移了多少。例如，你可能要等23个小时。如果这时你看到时钟慢了10秒，那么你的修正将是。

(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

非数学的方法

只需尝试一个像5000这样的数字，并在你注意到时钟仍然过快或过慢时对其进行完善。还是太慢？试试2,500。太快了？试试10,000。保持记录，并反复完善到可接受的数值，就像你在某些时候可能玩过的猜数字游戏一样。

第14步：附录B：廉价的GPS电源控制（关于BS170 N-MOSFET）

重温一下第四步"便宜GPS " 里描述的电源控制电路，上面的电源切断电路被称为 "low side switch"。它的好处是比较容易理解，而且零件数量少。尽管如此，还是有一些设计上的问题。

• GPS的地线并不与GND相连，而是与MOSFET相连。这意味着从GPS到微控制器的UART信号会有MOSFET的压降加在上面（Vds），增加了噪声的敏感性，并可能造成的错误。
• 如果你的微控制器的输入被规定为3.3V的最大值，你就不会想使用这种设计（我选择的ATMega328P没有这个限制）。
• 3.3V（上面的EN引脚）对每个MOSFET来说都不是一个很强的开启电压。

但是，UART是一个数字信号，地线的差异并不大，所以也许它无论如何都会工作？我试过了，而且工作得很好......起初，但随着时间的推移，我逐渐发现它并不可靠。为了了解原因，我们参考一下我最初选择的BS170作为我的N-MOSFET的特性曲线^[13]。

在X轴的3.3V时，我们将坐在图上的3.0和4.0V线之间。因此，也许我们会得到100mA？也许足够？

万用表告诉我，GPS消耗40-60mA，但我认为这是一个平均值。根据GPS试图做什么，它只是需要比晶体管能够允许的更多的电流，因此GPS的地（MOSFET漏极）电压会上升。这既造成了UART错误，又降低了GPS装置的整体电压，而GPS装置有时仍然可以工作，有时则进入复位循环。

一个解决方案是使用一个 "high side"电源电路，在上面增加一个P-MOSFET来实现这个目标。见上面的原理图。这消除了单独接地的问题，并提供一个完整的5V（电池）栅极电压波动，这将使相关的P-MOSFET完全打开。

这里^[14]是falstad中的一个高边设计实例。

目前我已经订购了带有低端布线的PCB，所以我的次要解决方案是放弃BS170，而用FQP30N06L代替。这种较高电流的MOSFET（最大30A！）似乎严重过剩，而且确实如此，但其曲线看起来要好得多。在3.3V电压下，大约有10A的电流余量，比BS170改进了100倍，现在应该足够了；而且确实没有恢复不稳定。

参考资料