Arduino Nano 项目：显示时钟、日历以及内部和外部温度（Ver 1.2）

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引言

在编写了多年的大型机、小型机和台式计算机程序后，我决定尝试微控制器。我选择了 Arduino nano 微控制器。我选择了两个项目：WayIn 实时时钟套件，以及 Barry Lim 的“构建你自己的数字温度计”。

版本 1.2 夏令时。设置菜单允许用户在春天增加一小时，在秋天将时钟调回一小时。

我购买了 Arduino 实时时钟套件和构建自己的温度计所需的零件。我连接了面包板，安装了软件，并让这两个项目运行起来。但是，我发现这些软件过于简单。我决定将这两个项目合并为一个，并添加新功能。换句话说，我重写了软件，将其推向可用内存的极限。用户可以选择日期和时间显示样式、温度单位，并设置闹钟时间及持续时间。用户可以设置当前日期和时间。软件将计算星期几。总共有13个设置屏幕。设置的永久值保存在非易失性 EEPROM 中。Arduino nano 基于 ATmega328 微型计算机。它只有 2K 字节的 SRAM 内存。必须小心编程，以确保有一些空闲的堆栈空间可用。本文随附的软件将设置屏幕文本保存在程序存储器 (PROGMEM) 中，以节省 SRAM。

主显示屏

该项目实时显示以下信息：

• 日历日期，包括星期几
• 实时时钟（时、分、秒）
• 闹钟时间（时、分）
• 实时时钟模块的内部温度
• 使用温度探头测量的外部温度
• 日历日期可以是以下三种格式之一：yyyy/mm/dd、dd/mm/yyyy 或 mm/dd/yyyy。
• 时钟可以是 24 小时制或 12 小时制。
• 温度可以是摄氏度或华氏度。

项目零件

要构建此项目，您需要以下列出的零件：

• 基于 ATmega328P 芯片的 Arduino Nano 微控制器板
• 显示模块 OLED SSD1306 128 x 64 0.96英寸
• 带电池备用的实时时钟模块 DS3231
• 带可插拔端子或 4.7K 欧姆电阻的温度传感器探头 DS18B20
• 带 Mini-B（5 针）连接器的 USB 2.0 数据线
• 有源蜂鸣器 5V
• 三个 (3) 触觉按钮开关
• 面包板
• 面包板跳线

注意事项和建议

• WayIn 实时时钟套件包含大部分零件。温度传感器必须单独购买。
• 对于温度传感器探头，您需要可插拔端子或 4.7K 欧姆电阻。
• 购买更长的 USB Mini-B 数据线。
• 比 WayIn 提供的更大的面包板。
• 跳线易于使用，但项目看起来会很杂乱。考虑使用普通导线连接面包板。

开发软件安装

您需要在台式机上安装集成开发环境（IDE）。它用于编译项目软件并将其下载到您的 Arduino Nano。您有两个选择：PlatformIO 开发工作室或 Arduino 开发工作室。我推荐 PlatformIO。

要安装 PlatformIO，请访问 PlatformIO 组织网站并按照说明进行操作。此软件基于 Microsoft Visual Studio Code。

要安装 Arduino IDE，请访问 Arduino 微控制器网站并按照说明进行操作。

硬件安装

第一步是将组件安装到面包板上。接线图如下所示。Arduino 板通过 USB 电缆供电。所有其他模块的电源都来自 Arduino 板。有两个接地 (GND) 引脚，您可以选择其中任何一个。有两个电源 5V 和 3V3。我选择了 5V。据我所知，所有模块的额定电压都在 3 到 5 伏之间。您可以尝试 3.3V。显示模块和实时时钟模块共享 2 根线串行连接。该图显示了一个没有可插拔端子的串行探头。如果您有可插拔端子，则不需要 4.7K 欧姆电阻。

主要组件手册链接

• Arduino nano 手册 (加载 PDF 文件)
• 显示模块手册 (加载 PDF 文件)
• 实时时钟手册 (加载 PDF 文件)
• 温度探头手册 (加载 PDF 文件)

软件安装

任何 Arduino 软件项目都由两部分组成。主程序 (main.cpp) 和可选库。在这个项目中，main.cpp 程序是我的贡献。可选库支持项目的硬件模块。总共有五个库。本文附带的源代码包含主程序和库。您可以从它们各自的来源下载库。附带的库是本文撰写时的版本。您可以使用下面的链接进行未来的修订。

• Adafruit BusIO (Adafruit BusIO 来源)
• Adafruit GFX 库 (Adafruit GFX 库来源)
• Adafruit SSD1306 (Adafruit SSD1306 来源)
• DallasTemperature (Dallas 温度探头来源)
• OneWire (OneWire 来源)

PlatformIO IDE 的项目安装

PlatformIO 安装会在您的私人文档区域创建一个 projects 文件夹。

C:\Users\<您的用户名>\Documents\PlatformIO\Projects

要安装项目源文件，请按照以下步骤操作：

• 下载 RealTimeClock 源文件。它是一个 ZIP 文件。右键单击下载的文件，将所有文件解压到上面给出的 projects 文件夹中。
• 您应该在 Projects 文件夹中看到一个 RealTimeClock 文件夹。
• 启动 PlatformIO (Visual Studio Code) IDE。
• 等待“欢迎使用 PlatformIO”页面加载完成。
• 如果已有其他项目打开，请转到 文件 并 关闭文件夹。
• 单击 打开项目。
• 单击 项目。
• 您应该会看到 RealTimeClock 文件夹。
• 单击 RealTimeClock，然后再次单击 打开“RealTimeClock”。
• 项目将被加载。
• 单击屏幕左侧的 PlatformIO 图标。
• 在 项目任务 中，单击 构建。
• 项目将被编译。您应该在终端文本末尾看到 SUCCESS。
• 将您已连接好线的项目面包板通过 USB 电缆连接到您的台式计算机。
• 在 项目任务 中，单击 上传。
• 项目将再次编译并上传到 Arduino。您应该在终端文本末尾看到 SUCCESS。
• 项目 LCD 屏幕应显示初始化消息 2 秒。
• 接下来，您应该会看到项目的主屏幕。日期、时间和两行温度。

#include 注意：在软件开发过程中，我遇到了一个问题。PlatformIO 报错：lib\Adafruit GFX Library/Adafruit_MonoOLED.h:30:32: fatal error: Adafruit_I2CDevice.h: No such file or directory. 头文件 Adafruit_I2CDevice.h 已正确安装。为了解决这个问题，我在 main.cpp 中添加了两行 #include。

#include <Adafruit_I2CDevice.h>
#include <Adafruit_SPIDevice.h>

main.cpp 不需要这些行。但是，它们解决了问题。需要明确的是，不应该出现错误消息，我也不明白为什么这两行能解决问题。

Arduino Studio IDE 的项目安装

• 启动 Arduino Studio IDE。
• 如果有一个活动项目，请转到 文件 并选择 新建。将显示一个新项目窗口。关闭第一个窗口。
• 从 RealTimeClock zip 文件中提取 main.cpp。它在 src 文件夹中。
• 用记事本打开它。转到 编辑 并 全选。再次转到 编辑 并选择 复制。
• 转到 Arduino Studio。转到 编辑 并 全选。再次转到 编辑 并选择 粘贴。
• 转到 文件 并选择 另存为。将文件保存为 RealTimeClock。
• 单击 验证。您将收到一个错误，指出其中一个包含文件缺失。换句话说，您需要添加一个库。
• 单击 草图 并选择 包含库。
• 单击 管理库。在搜索字段中，输入缺失库的名称。找到该库并按 安装。如果该库依赖于另一个库，请加载所有依赖库。
• 您需要重复最后 4 个步骤几次。当所有库都加载后，验证成功。
• 将您已连接好线的项目面包板通过 USB 电缆连接到您的台式计算机。
• 点击 上传。
• 项目将再次编译并上传到 Arduino。
• 项目 LCD 屏幕应显示初始化消息 2 秒。
• 接下来，您应该会看到项目的主屏幕。日期、时间和两行温度。

用户设置

项目下载后，您需要设置日期和时间，并设置显示偏好。

该项目有三个按钮：

• 设置 按钮连接到引脚 D9。
• 增加 按钮连接到引脚 D8。
• 减少 按钮连接到引脚 D7。

按住 设置 按钮至少 2 秒。系统将切换到设置模式。将有四个选项：（1）闹钟，（2）日期时间，（3）夏令时，和（4）显示样式。使用 增加 或 减少 按钮选择其中一个选项。按下 设置 按钮确认，并进入下一步。

如果在设置过程中，所有三个按钮在 12 秒内均未按下，则设置模式取消，显示正常时钟屏幕。

闹钟设置。第一个选项是 闹钟关闭 和 闹钟开启。选择并按下 设置。闹钟关闭 会带您返回正常时钟屏幕。闹钟开启 会给您三个额外的屏幕：小时、分钟和以秒为单位的闹钟持续时间。在每个屏幕后按下 设置。

日期时间设置。有五个屏幕需要设置：年、月、日、小时和分钟。星期几是根据日期计算的。如果您希望时钟非常准确，请将分钟值设置为比您的手机或台式机多一分钟。等待您的准确设备上的时间发生变化，然后立即按下设置。

夏令时设置。有三个选项：取消、春天 +1 小时和秋天 -1 小时。此选项允许用户在春天将时钟提前一小时。并在秋天将时钟调回一小时。软件将确保时钟的分钟和秒不受影响。此外，如果用户在晚上 11 点增加一小时，小时和日期将相应改变。同样，如果用户在午夜后立即将时钟调回，软件将适当设置小时和日期。

显示样式。有三个屏幕可设置您的主屏幕显示样式。

1. 日历日期可以是以下三种格式之一：yyyy/mm/dd、dd/mm/yyyy 或 mm/dd/yyyy。
2. 时钟可以是 24 小时制或 12 小时制。
3. 温度可以是摄氏度或华氏度。在每个屏幕后按下 设置。

Arduino Nano 有限的 SRAM

Arduino nano 只有 2K 字节的 SRAM 内存。如果您使用过多的静态文本字符串，或者使用 sprint() 等标准库方法，很可能没有可用的空闲堆栈空间。您的软件将崩溃。它会冻结或重启 Arduino。我发现了一个小方法在这个网站上。它位于 main.cpp 源代码的末尾。它被注释掉了。如果您从任何方法调用 getFreeMemory()，它将显示堆栈可用的字节数。在我的例子中，我在 tempToStr(int temp) 方法的末尾调用了它。

历史

• 2020年9月2日：版本 1.0 原始版本
• 2020年9月3日：版本 1.1 更改 #include 文件 Adafruit_MonoOLED.h
• 2020年9月4日：版本 1.2 夏令时