基于CH32V003F4P9芯片制作的迷你多功能时钟（二）

发表于 2023-5-15 09:12

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[17]={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。

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uint8_t disp_buff[4]={seg_code[8],seg_code[8],seg_code[8],seg_code[8]};

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。

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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[0];



    curindex = 1;



    break;



   case 1:



    GPIOC->OUTDR=0;



    digitalWrite(PD0, 0);



    digitalWrite(PD1, 1);



    digitalWrite(PD2, 0);



    digitalWrite(PD3, 0);



    GPIOC->OUTDR=disp_buff[1];



    curindex = 2;



    break;



   case 2:



    GPIOC->OUTDR=0;



    digitalWrite(PD0, 0);



    digitalWrite(PD1, 0);



    digitalWrite(PD2, 1);



    digitalWrite(PD3, 0);   



    GPIOC->OUTDR=disp_buff[2];



    curindex = 3;



    break;



   case 3:



    GPIOC->OUTDR=0;



    digitalWrite(PD0, 0);



    digitalWrite(PD1, 0);



    digitalWrite(PD2, 0);



    digitalWrite(PD3, 1);



    GPIOC->OUTDR=disp_buff[3];



    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。

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TIM_attachInterrupt(TIM2, 1000, TIM_attachInterrupt_2);

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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。

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PCF8563 pcf8563(PD7,PD4);

通过setDateTime()函数来设置年、月、日、星期、时、分、秒。

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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，

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void getDateTime();

再通过对应的函数来获取对应时间数据。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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：

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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;  



        case  KEY_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。

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#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[4]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。

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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：

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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[0] = seg_code[((pcf8563.getYear()) / 1000)];



      disp_buff[1] = seg_code[(((pcf8563.getYear()) % 1000) / 100)];



      disp_buff[2] = seg_code[(((pcf8563.getYear()) % 100) / 10)];



      disp_buff[3] = 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[0] = seg_code[((pcf8563.getMonth()) / 10)];



      disp_buff[1] = seg_code[((pcf8563.getMonth()) % 10)];



      disp_buff[2] = seg_code[((pcf8563.getDay()) / 10)];



      disp_buff[3] = 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[0] = seg_code[((pcf8563.getHour()) / 10)];



      disp_buff[1] = seg_code[((pcf8563.getHour()) % 10)];



      disp_buff[2] = seg_code[((pcf8563.getMinute()) / 10)];



      disp_buff[3] = 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[4]的对应数据位seg_code[16]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：

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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。

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switch (mode)



  {



  case 1:



      if(blink_flag)



      {



        disp_buff[0] = seg_code[((setyear) / 1000)];



        disp_buff[1] = seg_code[((setyear % 1000) / 100)];



        disp_buff[2] = seg_code[((setyear % 100) / 10)];



        disp_buff[3] = seg_code[((setyear) % 10)];



      }



      else



      {



        disp_buff[0] = seg_code[16];



        disp_buff[1] = seg_code[16];



        disp_buff[2] = seg_code[16];



        disp_buff[3] = seg_code[16];



      }



  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：

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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。

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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：

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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。

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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：

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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[0])); 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。

发表于 2024-10-26 20:33

好长细了

[RISC-V MCU 应用开发] 基于CH32V003F4P9芯片制作的迷你多功能时钟（二）

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