多功能智能時(shí)鐘的設計

　　謝志平（廣東省技師學(xué)院，廣東 惠州 516100）
　　摘? 要：充分利用32位單片機內部強大資源，開(kāi)發(fā)了一種將電子時(shí)鐘、倒計時(shí)器、簡(jiǎn)易心率、天氣預報、體溫檢測裝置與藍牙音響系統結合的電子設備。采用了高精度時(shí)鐘芯片DS3231，能做到時(shí)間精準；采用了ESP8266Wi-Fi模塊進(jìn)行授時(shí)和天氣預報功能；采用了專(zhuān)用血氧傳感器芯片MAX30102，體積小，功耗低，能方便檢測血氧與心率；利用無(wú)線(xiàn)串口HC-12模塊實(shí)現了遠距離無(wú)線(xiàn)遙控功能。經(jīng)實(shí)際測試，達到了預期的各項功能。
　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C；高精度；Wi-Fi模塊；無(wú)線(xiàn)遙控

　　1 關(guān)鍵核心技術(shù)

　　1.1 單片機部分

　　單片機為STM32主流型號，是一種高性能、低成本、低功耗的嵌入式單片機。整個(gè)系統分為主機和遙控器：主機采用LED全彩屏顯示，遙控器采用OLED顯示屏^[2]。LED顯示屏可以采用市場(chǎng)上主流的P3、P2.5小間距高清LED顯示屏，利用STM32單片機CPU速度優(yōu)勢，采用動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)，既節約電能，又能達到高清顯示的目的。 整個(gè)系統結構如圖1所示。

　　1.2 時(shí)鐘芯片

　　時(shí)鐘芯片采用了DS3231，該芯片是低成本、高精度I²C實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC），具有集成的溫補晶振（TCXO）和晶體，在沒(méi)有Wi-Fi授時(shí)時(shí)，正常溫度工作范圍內精度為±2×10^-6，走時(shí)非常精準，優(yōu)于普通鐘表，農歷的算法和星期算法100年內零誤差。
　　1.3 Wi-Fi授時(shí)與天氣數據采集

　　Wi-Fi模塊采用ESP8266。接收天氣時(shí)間用arduino程序編寫(xiě)，arduino程序的示例做得好，容易快速上手，通 過(guò)ESP8266讀天氣及時(shí)間程序就是用arduino程序里的示例修改的。在其基礎上增加字符串處理，把收到的網(wǎng)站數據重新整理成比較簡(jiǎn)單的字符串。由于是個(gè)人應用，所以參數需根據實(shí)際情況進(jìn)行修改。如：在ESP8266例程里相應的位置將實(shí)際使用的Wi-Fi名改為test ，密碼為123456789。模塊就能自動(dòng)連接到這個(gè)test了。
　　WiFi.mode(WIFI_STA);

　　WiFiMulti.addAP(“test”, “123456789”);

　　如果要查詢(xún)指定地區的天氣，利用免費開(kāi)放的天氣查詢(xún)網(wǎng)站，在例程里相應的位置直接修改當地的地址。如要查詢(xún)惠州地區的天氣，則：http.begin(“http://www.webxml.com.cn/WebServices/WeatherWS.asmx/getWeather?theUserID=&theCityCode=惠州”)。
　　1.4 血氧飽和度與心率采集

　　身體細胞需要氧氣來(lái)進(jìn)行有氧呼吸。呼吸是細胞獲得有用能量的關(guān)鍵方法之一。血氧飽和度是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量占全部可結合的血紅蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環(huán)的重要生理參數。
　　血氧傳感器采用Maxim公司的MAX30102^[4]，是一種專(zhuān)為可穿戴設備設計開(kāi)發(fā)的血氧飽和度和心率監測傳感器，它是集光源、接收和濾波及數字化為一體。芯片功耗極低，采用了1.8 V內核供電，采用I2C標準通信，可用軟件關(guān)斷芯片，待機電流低至0.7 μA。芯片內集成的光源為660 nm的紅光和880 nm的紅外光，接收端為高靈敏度的光敏三極管，接收到的信號進(jìn)行放大后可進(jìn)行模擬濾波和數字濾波，然后將測得的數據存放到內部存儲器中，供外部控制器讀取。電路見(jiàn)圖2。

　　內部LED通信是通過(guò)一個(gè)標準的I2C兼容接口，該模塊可以通過(guò)軟件在零待機電流的情況下關(guān)閉，使電源導軌始終處于通電狀態(tài)。
　　脈沖血氧儀需要兩種不同的波長(cháng)來(lái)執行測量。MAX30102集成了紅色和紅外 LED 驅動(dòng)器，可調制血氧飽和度(SPO2)和心率(HR)測量的 LED 脈沖。LED 電流可在適當的電源電壓下從0~50 mA進(jìn)行編程。LED 脈沖寬度可編程為69~411 μs，使算法能夠根據使用情況優(yōu)化血氧飽和度(SPO2)和心率(HR)的精度和功耗。圖3為實(shí)物圖。

　　數據的讀取方法：設置一個(gè)串行通信_周期任務(wù)函數，當 USB 緩沖區中存在數據時(shí)，此函數會(huì )分析數據，并在是有效的命令時(shí)執行。
　　串行通信_周期任務(wù)函數不斷檢查g_recv_size 標志。當此標志的值不是0時(shí)，這意味著(zhù)在USB 緩沖區上從單片機接收了一些數據。此信息將復制到主應用程序 InBuffer，并且接收的數據數量將復制到 InSize。之后， g_recv_size 設置為 0，指示數據已讀取。當 InSize 的值不是 0 時(shí)，數據已收到，并且檢查它是否與通信協(xié)議數據兼容。數據讀取流程圖如圖4。

　　1.5 無(wú)線(xiàn)遙控

　　為能手動(dòng)遠程控制，考慮距離和抗干擾能力，遙控器采用了HC-12無(wú)線(xiàn)串口通信模塊，該模塊工作在433.4~473 MHz，可以設置多個(gè)頻道，步進(jìn)為400 kHz。模塊最大發(fā)射功率為100 MW，5 kbit/s，空中波特率下接收靈敏度為-116 dBm，開(kāi)闊地1 000 m的通信距離。模塊與單片機的連接見(jiàn)圖5。

　　HC-12 模塊共有四種工作模式，考慮實(shí)際使用時(shí)，遙控器數據量小，正常使用時(shí)距離也比較近，故采用FU2 模式。此模式為省電模式，此時(shí)模塊的空閑工作電流為 80 μA 左右。只適用傳輸少量數據（每個(gè)數據包在 20 個(gè)字節以?xún)龋?，數據包發(fā)送時(shí)間間隔不能太短（最好在 2 s以上），否則會(huì )造成數據丟失。AT 指令用來(lái)設置模塊的參數和切換模塊的功能，設置后需退出設置狀態(tài)才生效。方法為：正常使用（已經(jīng)上電）中，把 第 5 引腳“SET”置低電平，利用串口調試助手，發(fā)送AT+FU2回車(chē)。串口調試助手返回OK+FU2。此模式下不能設置成其它串口波特率。FU2 模式下，參數和功能的修改，掉電不會(huì )丟失。指令格式見(jiàn)表1。

　　由于 HC-12 模塊的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度比較高，當串口波特率大于 9.6 kbit/s 時(shí)，必須要錯開(kāi) 5 個(gè)相鄰頻道來(lái)使用。當串口波特率不大于 9.6 kbit/s 時(shí)，如果短距離（10 m以?xún)龋┩ㄐ?，也需要錯開(kāi) 5 個(gè)相鄰頻道使用。
　　設置好串口相關(guān)工作模式后，程序配置好初始化（波特率和串口控制字等）。然后只要將發(fā)送的數據送入發(fā)送函數即可。例如：發(fā)送0x99。即：UART_Send_Byte(0x99)；發(fā)送函數為：

　　void UART_Send_Byte(unsigned char mydata)

 　　{ 

　　ES=0;//關(guān)串口中斷 

　　TI=0;//串口中斷標志置0 

　　SBUF=mydata;//將發(fā)送的數據送入SBUF 

　　while(!TI);//等待發(fā)送完成 

　　TI=0;//清發(fā)送中斷標志 

　　ES=1;//打開(kāi)中斷 

　　}

　　2 系統測試

　　系統顯示采用了LED屏幕。LED屏采用了局部刷新算法，響應速度快，程序功能優(yōu)化，效率較高。并且視覺(jué)效果很好，支持運行動(dòng)畫(huà)效果、顯示圖片等。操作按鍵算法采用非延遲消抖，提高了單片機工作效率，使用STM32F0單片機HAL庫[5]里的SysTick時(shí)鐘檢查時(shí)長(cháng)實(shí)現消抖，定時(shí)器高速采樣，響應快，對程序運行速度影響小，支持多種按鍵事件的響應，實(shí)現了數據操作、界面設置等諸多人性化功能。程序里設置為每天連接一次Wi-Fi信號，對時(shí)鐘芯片進(jìn)行授時(shí)。經(jīng)過(guò)半年的運行，完全能與北京時(shí)間完全一致。藍牙模塊采用集成的模塊，接通電源后就可以與手機藍牙進(jìn)行配對，成功后就可以獲取手機內的音樂(lè )信息，使智能時(shí)鐘有了相應的娛樂(lè )功能，使智能時(shí)鐘的應用更加廣泛。遙控器的操作在正常工作和生活環(huán)境里均能可靠地對主機進(jìn)行設置，使用效果良好。
　　3 結語(yǔ)

　　普通的電子時(shí)鐘功能單一，走時(shí)不夠精準，利用32位單片機豐富的硬件與軟件資源，將普通的電子鐘功能進(jìn)行擴展，實(shí)現了諸多人性化的功能，方便了人們的生活，在性?xún)r(jià)比方面具有較大的優(yōu)優(yōu)勢，具有一定的市場(chǎng)。
　　參考文獻

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　　[5] 李立春,劉卓.基于A(yíng)RM Cortex-M3的SysTick解 析[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報, 2015，32(1):37-38.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第81頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。