基于CH32V003F4P9芯片制作的迷你多功能时钟（二）
本帖最后由 天问51单片机 于 2023-6-25 17:28 编辑四、 软件设计整体程序框架如下图的程序流程图所示，主要包含按键处理模块，设置显示模式处理模块、日常显示模式处理模块、闹钟处理模块。
4.1 数码管的动态扫描显示
数码管动态扫描原理，我们在硬件设计章节里已经分析过，我们程序上先设置好需要显示数字的段码，这里还加了一个NONE类型，就是什么都不显示的黑屏状态，这个后续会用到。 / 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F NONE
const uint16_t seg_code={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x00};同时设一个四字节的显示缓存，分别对应数码管的四个8字，后续我们只需要往显示缓存里送数据，数码管就能显示对应的数字，这里我们初始化时，让他默认显示四个8字作为开机动画，可以作为检测数码管或者电路是否有问题的一个自检程序。uint8_t disp_buff={seg_code,seg_code,seg_code,seg_code};
接下来，我们让数码管的4个位选轮流导通，每位导通时，把显示缓存对应位的段码点亮，对应的操作为直接给PC端口的输出寄存器赋值就可以了，这里我们在每次操作之前先清零，这样能消除残影，程序结构上采用了switch case结构，用curindex变量来切换状态。 void Seg_Disp(){
switch (curindex) {
case 0:
GPIOC->OUTDR=0;
digitalWrite(PD0, 1);
digitalWrite(PD1, 0);
digitalWrite(PD2, 0);
digitalWrite(PD3, 0);
GPIOC->OUTDR=disp_buff;
curindex = 1;
break;
case 1:
GPIOC->OUTDR=0;
digitalWrite(PD0, 0);
digitalWrite(PD1, 1);
digitalWrite(PD2, 0);
digitalWrite(PD3, 0);
GPIOC->OUTDR=disp_buff;
curindex = 2;
break;
case 2:
GPIOC->OUTDR=0;
digitalWrite(PD0, 0);
digitalWrite(PD1, 0);
digitalWrite(PD2, 1);
digitalWrite(PD3, 0);
GPIOC->OUTDR=disp_buff;
curindex = 3;
break;
case 3:
GPIOC->OUTDR=0;
digitalWrite(PD0, 0);
digitalWrite(PD1, 0);
digitalWrite(PD2, 0);
digitalWrite(PD3, 1);
GPIOC->OUTDR=disp_buff;
curindex = 0;
break;
default:
break;
}
}
显示的扫描程序，我们要让它定时执行，就能完成数码管的正常显示，这里我们配置定时器2为1毫秒的定时周期。 TIM_attachInterrupt(TIM2, 1000, TIM_attachInterrupt_2);
void TIM_attachInterrupt_2() {
Seg_Disp();
}
这样我们完成了显示部分底层驱动，后续我们只需要往显示缓存送数据，数码管就显示对应的数据。
4.2 RTC时钟模块的设置和读取
PCF8563时钟芯片采用I2C通讯，I2C地址读地址为0xA3，写地址为0xA2。通过芯片手册，我们可以看到如下寄存器说明： 其中表4为控制相关设置寄存器，表5为时间数据寄存器，其中存储格式为BCD码，所以我们在操作时需要做相应的格式转换处理。这里我们把RTC部分的驱动代码做成了一个专门的类库，里面具体实现可以在源代码里查看，现在我们只需要关心如下几个函数：我们通过PCF8563类申明一个pcf8563对象，设置PD7为SDA引脚，PD4为SCL引脚。 PCF8563 pcf8563(PD7,PD4);
通过setDateTime()函数来设置年、月、日、星期、时、分、秒。 void setDateTime(uint16_t year, uint8_t month, uint8_t day, uint8_t weekday,
uint8_t hour,uint8_t minute, uint8_t sec);
通过getDateTime()函数一次性获取年、月、日、星期、时、分、秒数据到内部缓存里， void getDateTime();
再通过对应的函数来获取对应时间数据。 uint8_t getMinute(); //获取分钟
uint8_t getHour(); //获取小时
uint8_t getDay();//获取日期
uint8_t getMonth(); //获取月
uint16_t getYear(); //获取年
有关闹钟的函数，通过setAlarm()来设置时间，如果输入参数为99，则无效。 void setAlarm(uint8_t min, uint8_t hour, uint8_t day, uint8_t weekday);
通过alarmActive()来查询闹钟时间是否到达。 bool alarmActive(); // true if alarm is active (going off)
判断到闹钟时间到了后，通过clearAlarm()来清除报警状态。 void clearAlarm(); /* clear alarm flag and interrupt */
4.3 按键的长短按扫描程序
我们前面学过用延迟的办法来做按键消抖处理，但是在复杂的系统里，程序里的延迟函数会阻塞程序运行，如果在这个过程中有其他需要及时处理的事件，实时性上就有问题。所以我们在复杂系统里，按键消抖常用定时器来处理，同时还可以做到长按、短按等功能。整个按键扫描程序流程图如下：
前面我们的Seg_Disp()数码管扫描函数放在了周期为1ms的定时器2的回调函数里，而我们的按键扫描函数需要10ms周期，这种情况下，我们一般不会再去单独设置一个10ms的定时器来处理，因为单片机中的定时器资源十分有限且宝贵。我们可以通过程序来让一个定时器产生一个时间基准，这里我们用一个my_1ms变量来作为时间计数器，然后通过取余运算就可以实现自定义周期执行指定任务。
void TIM_attachInterrupt_2()
{
my_1ms++;
if(my_1ms % 10 == 0) //每10ms运行一次
{
Key_Scan();
}
Seg_Disp();
}
根据需求定义短按时间范围为10ms到1000ms之间, 长按时间为大于1000ms。按键扫描周期为10ms，刚好跳过抖动；使用状态机方式，扫描单个按键，状态机使用switch case语句实现状态之间的跳转，lock变量用于判断是否是第一次进行按键确认状态，长按键事件到时执行，短按键事件释放后才执行。主要代码如下：void Key_Scan(void)
{
static uint8_t TimeCnt = 0;
static uint8_t lock = 0;
switch (KeyState)
{
//按键未按下状态，此时判断Key的值
case KEY_CHECK:
if(!Key)
{
KeyState =KEY_COMFIRM;//如果按键Key值为0，说明按键开始按下，进入下一个状态
}
TimeCnt = 0; //计数复位
lock = 0;
break;
case KEY_COMFIRM:
if(!Key) //查看当前Key是否还是0，再次确认是否按下
{
if(!lock) lock = 1;
TimeCnt++;
/*按键时长判断*/
if(TimeCnt > 100) // 长按 1 s
{
g_KeyActionFlag = LONG_KEY;
TimeCnt = 0;
lock = 0; //重新检查
KeyState =KEY_RELEASE; // 需要进入按键释放状态
}
}
else
{
if(1==lock) // 不是第一次进入，释放按键才执行
{
g_KeyActionFlag = SHORT_KEY; // 短按
KeyState =KEY_RELEASE; // 需要进入按键释放状态
}
else // 当前Key值为1，确认为抖动，则返回上一个状态
{
KeyState =KEY_CHECK; // 返回上一个状态
}
}
break;
caseKEY_RELEASE:
if(Key) //当前Key值为1，说明按键已经释放，返回开始状态
{
KeyState =KEY_CHECK;
}
break;
default: break;
}
}
4.4 日常显示模式的设计
日常显示模式下，我们需要的效果是年、月日、时分三个界面轮流显示，我们通过宏定义定义三个界面的显示时长，这里我们让时分界面显示的稍微长一点，因为时间是一直在变的，用户关注的多。
#define DISP_YEAR_TIME_OUT 2000//年显示2秒
#define DISP_DATE_TIME_OUT 2000//日期显示2秒
#define DISP_TIME_TIME_OUT 5000//时间显示5秒
让数码管显示对应的数据，我们前面已经说过，只需要往显示缓存disp_buff里送对应的数据就可以了，这里时间数据通过getDateTime()函数来读取，在通过取余和除法运算获取对应位上的数字就可以。接下来要实现轮流显示，最简单的就是延迟，但前面我们说过，延迟要阻塞任务处理，按键扫描我们用定时器来处理，这里我们用millis()函数来实现，millis()会返回系统上电以来的运行时间，单位为毫秒，这个其实和我们的my_1ms变量是同样的原理。相应还有一个micros()函数，也是返回运行时间，不过单位为微秒。我们可以通过如下这种程序结构来实现，当延时时间到达后处理对应的任务，而不阻塞系统。disp_time_cnt = millis();
if((millis() - disp_time_cnt)>DISP_TIME_TIME_OUT)
{
//fun()
}
这里我们使用switch case结构实现三个界面的轮流跳转。完整代码如下：
void Normal_Disp_Proc()
{
switch (disp_state)
{
case TIME_TO_DISP_YEAR:
if((millis() - disp_time_cnt)>DISP_TIME_TIME_OUT)
{
pcf8563.getDateTime();
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getYear()) / 1000)];
disp_buff = seg_code[(((pcf8563.getYear()) % 1000) / 100)];
disp_buff = seg_code[(((pcf8563.getYear()) % 100) / 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getYear()) % 10)];
disp_year_cnt = millis();
disp_state = TIME_TO_DISP_DATE;
}
break;
case TIME_TO_DISP_DATE:
if((millis() - disp_year_cnt)>DISP_YEAR_TIME_OUT)
{
pcf8563.getDateTime();
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getMonth()) / 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getMonth()) % 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getDay()) / 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getDay()) % 10)];
disp_date_cnt = millis();
disp_state = TIME_TO_DISP_TIME;
}
break;
case TIME_TO_DISP_TIME:
if((millis() - disp_date_cnt)>DISP_DATE_TIME_OUT)
{
pcf8563.getDateTime();
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getHour()) / 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getHour()) % 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getMinute()) / 10)];
disp_buff = seg_code[((pcf8563.getMinute()) % 10)];
disp_time_cnt = millis();
disp_state = TIME_TO_DISP_YEAR;
}
break;
default:
break;
}
}
4.5 设置显示模式的设计
设置时间时，我们需要让数码管闪烁显示，和正常显示区别开来，要实现闪烁，也就是先正常显示相应的数据，等待一段时间后熄灭，再等待一段时间后再显示。数码管熄灭，我们可以让显示缓存disp_buff的对应数据位seg_code就可以。要实现闪烁，这里我们也不能用延迟，我们可以用一个闪烁标志位blink_flag来实现。在定时器2的中断回调函数里，每隔500ms，blink_flag会切换状态，实现0，1来回切换。代码如下：
void TIM_attachInterrupt_2()
{
my_1ms = my_1ms + 1;
if(my_1ms % 10 == 0)//每10ms运行一次
{
Key_Scan();
}
if(my_1ms % 500 == 0){
blink_flag = (blink_flag^1);
}
Seg_Disp();
}
设置界面里有设置年、月、日、时、分、闹钟时、闹钟分，7种模式，所以我们这里用一个mode变量来表示，其中mode=0表示为日常显示模式。主要程序如下所示，完整程序可以查看源代码。
switch (mode)
{
case 1:
if(blink_flag)
{
disp_buff = seg_code[((setyear) / 1000)];
disp_buff = seg_code[((setyear % 1000) / 100)];
disp_buff = seg_code[((setyear % 100) / 10)];
disp_buff = seg_code[((setyear) % 10)];
}
else
{
disp_buff = seg_code;
disp_buff = seg_code;
disp_buff = seg_code;
disp_buff = seg_code;
}
break;
4.6 按键应用层功能的设计
按键部分，我们定义长按为进入时间设置界面，每次长按，切换到下一个设置显示模式下，短按为调整时间，每次短按，数值递增，到达最大值后，返回到最小值继续开始递增。所以如果检测到长按，就是切换mode模式状态变量，退出设置模式时，保存相关的时间到RTC里，代码如下：
case LONG_KEY:
mode++;
if(mode>7)
{
mode = 0;
//保存设置时间，设置RTC
pcf8563.setDateTime(setyear, setmonth, setday, 0,sethour, setminute, 0); //设置日期和时间
//24:60为闹钟不启用
pcf8563.setAlarm(setalarmminute,setalarmhour,99,99);
}
g_KeyActionFlag = NULL_KEY;
break;
短按就是要先判断当前在哪个模式下，然后设置对应的设置时间变量数值，设置的时候要注意时间的范围限定，尤其是月份和日期的范围。如下是部分代码，完整代码请查看源代码。
case SHORT_KEY:
switch (mode) {
case 1:
setyear++;
if(setyear > 2033)
{
setyear = 2023;
}
break;
case 2:
setmonth++;
if(setmonth > 12)
{
setmonth = 1;
}
break;
case 3:
setday++;
if((setmonth == 1)||(setmonth == 3)||(setmonth == 5)||(setmonth == 7)||(setmonth == 8)||(setmonth == 10)||(setmonth == 12))
{
if(setday > 31)
{
setday = 1;
}
}
else if(setmonth == 2)
{
if(setyear % 4)
{
if(setday > 28)
{
setday = 1;
}
}
else //闰年
{
if(setday > 29)
{
setday = 1;
}
}
}
else
{
if(setday > 30)
{
setday = 1;
}
}
break;
4.7 按键提示音和闹铃声的设计
按键提示音，可以用PWM控制无源蜂鸣器发出短暂的声音，自己可以通过修改PWM频率实现不同的音调。我们把这部分函数放到按键事件里，就可以实现按键提示音，代码如下：
void Beep()
{
PWM_Init(TIM1_CH2, PA1, 5000, 20);
delay(50);
PWM_Duty_Updata(TIM1_CH2, 0);
}
闹铃声音，可以自己根据歌曲的乐谱生成对应的音调和节拍数据，然后通过PWM来实现蜂鸣器播放歌曲。
const uint16_t song[]={330,294,330,441,330,294,330,495,330,294,330,525,495,393,330,294,330,441,330,294,330,495,393,294,248,330,294,330,441,330,294,330,495,330,294,330,525,495,393,294,330,221,294,330,221,196,221,262,248};
const uint16_t durt[]={250,250,250,250,250,250,250,250,250,250,250,250,500,500, 250,250,250,250,250,250,250,250, 500,500,1000, 250,250,250,250,250,250,250,250, 250,250,250,250,500,500, 250,250,500,250,250,250,250,500,500,1000, 250,250,250,250,250,250,250,125,125, 750,250,1000, 250,250,250,250,250,250,500,500,1500, 250,250,250,250,250,250,250,125,125, 750,250,1000, 250,250,500,250,250,250,250,1500,250,250,750,250,500,250,250, 750,250,500,250,250,500,250,250,250,250,500,500,1000, 250,250,875,125,500,250,250,500,500,1000, 250,250,500,250,250,250,250,1500,250,250,750,250,500,250,250, 500,250,250,500,250,250,500,250,250,250,250,250,250,1500, 250,250,750,250,500,250,250, 500,250,250,1000,250,250,500,250,250,250,250,2000};
另外，我们还要实现闹铃响了以后，需要用户按下按钮，才能停止播放，不然闹铃一直在播放，所以在整个播放闹铃歌曲时，要一直判断按键是否被按下。代码如下：
void Alarm_Beep(){
if(pcf8563.alarmActive()){
pcf8563.clearAlarm();
while (digitalRead(PA2)) {
pinMode(PA1, GPIO_Mode_AF_PP);
for (int i = (0); i < (sizeof(song)/sizeof(song)); i = i + 1) {
PWM_Frequency_Updata(TIM1_CH2, song[(i)], 20);
delay(durt[(i)]);
if(digitalRead(PA2) == 0){
break;
}
}
}
}
}
五、 结构设计
5.1 设计思路整体采用最简约的设计风格，背后只留出按键孔和声音孔，侧面留出USB接口，把电池和模块整个包进去，这里只有按键柄长度和电池厚度需要权衡选择。
5.2 三维建模采用Solidworks根据尺寸要求设计整个外壳，有能力还可以同时建整个电路模块和电池的三维模型，可以做整体的装配体来确认各个部件尺寸上是否有干涉。
5.3 打印测试三维模型设计完后，导出STL格式的3D打印文件，用3D打印机配套的切片软件加载模型，调整好打印角度，设置相关打印参数后，可以在软件中模拟打印，确认打印设置有没有问题，没问题后实际打印测试。
六、 项目优化
在功能上，还可以加入倒计时功能，闹铃类型选择，如果有多余引脚还可以加入电池电量监测和提醒功能。另外，数码管目前显示时整机工作电流为16mA，熄灭的时候整机工作电流为7mA，我们的锂电池容量为200mAh，也就是迷你时钟一直显示的工作时长差不多为12小时，这样续航时间上还是不满意，要延长续航时间可以从两方面来入手。第一种，加大电池容量，但整体的体积也变大。第二种，降低整机系统功耗，目前主要一直显示时间导致系统耗电大，后期可以通过软件加入息屏功能，然后进入低功耗模式，唤醒可以通过按键来唤醒。如果有多余引脚还可以通过震动或者声音来唤醒。
好长细了
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