玩转单片机！基于ESP8266模块的WIFI点阵时钟制作

用ESP8266模块制作的网络授时点阵时钟

美图镇楼

楼主是一名业余的单片机爱好者，做过许多各种各样的时钟，能看过眼去的都发在了本版，还蒙版主厚爱给过精华。可是至今也没有做出一个十分满意的“作品”来。因为做的每个时钟都有这样那样的缺点， DS1302并不太准确；DS3231要好一点但还是有误差（其实也够用了）；GPS授时倒是准了，但是要拖一根GPS天线到室外，不够整洁。一直想DIY一个准确、简洁的时钟治愈我的“强迫症”，苦于一直没有找到好的方案。

在一个月黑风高的晚上我偶然地发现了物联网模块ESP8266，能连接WIFI，竟然还集成了32位的单片机，关键还是白菜价，简直就是神器啊！就想着用它来做一个从网络获取时间的时钟，这样只要有网络，时间就准确无误，再也不用纠结了。

1： 认识ESP8266

ESP8266是上海乐鑫（ESPRESSIF）生产的WI-FI低功耗芯片，是业内集成度最高的 Wi-Fi 芯片，封装尺寸仅为 5mm x 5mm。 ESP8266EX 高度集成了天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块，仅需很少的外围电路，可将所占 PCB 空间降到最低。ESP8266EX 内置 Tensilica L106 32 位微型控制器 (MCU)，具有超低功耗和 16 位RSIC，时钟速度最高可达 160 MHz。支持实时操作系统 (RTOS)，目前 Wi-Fi 协议栈只用了 20% 的 MIPS，其他均可用于用户编程和开发。ESP8266EX 专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，通过多项专有技术实现了最低功耗。ESP8266EX 有三种运行模式：激活模式、睡眠模式和深度睡眠模式，能够延长电池寿命。（PS：这段是抄的）

当然了，只有芯片是没法玩的，网上有和外围电路一起封装好的模块。还有基于这些模块的开发板，板载USB转串口电路，只要用MicroUSB线（安卓手机数据线）连接电脑就可以调试了。方便好用价格也不贵。

Esp8266模块

Esp8266开发板

为便于理解，我们可以把ESP8266模块看作一个可以连接WIFI的单片机。但是要玩转这片小小的板子，却没有想像中那么简单。模块的编程和51单片机有很大的区别，需要从头开始学起，没有找到系统的教程，只好从网络上多如牛毛的信息中提取所需要的知识点，用蚂蚁啃骨头的精神，一点点攻克难关，终于实现了想要的功能。在这里分享一下个人的一些不成熟经验，有兴趣的同好可以参考一下。

2：流行的几种开发方式

AT指令：模块通过串口与上位机连接，上位机发出指令，模块收到指令后做出响应。可以用PC端的串口助手调试。当然也可以用另一片单片机做上位机，不过放着模块集成的32位MCU不用，再用51之类的8位单片机驱动的话就有点小马拉大车了。

NodeMCU：运行于ESP8266模块上的一种固件，该固件提供一些封装好的模块（API），直接调用就可以了。使用LUA语言编程。

Arduino：模块可以在Arduino环境下调试，有基础的同学可以使用此方式。本菜鸟没玩过Arduino，只是按教程简单试了一下，发现编译下载好慢。

几种方法都试了试，发现最适合自己的是NodeMCU。LUA语言与C有共通之处，很快就能适应了。还有现成的API，一些复杂的功能用几行代码就能实现。

3：刷NodeMCU固件

买来模块后需要刷入NodeMCU固件，NodeMCU的源代码发布在Github网站，但是要编译成可刷入模块的bin固件，需要在陌生的Linux环境下，没有Linux基础貌似玩不转。

好在像作者这样的菜鸟可以在线订制固件，打开http://nodemcu-build.com/，留下自己的Email，根据自己的需要选择相应的模块和版本。等会就收到订制好的固件了。

刷入固件用的工具从这里下载https://github.com/nodemcu，按住Flash键不放，把模块接入USB，选好COM口和要刷入的固件，速度不要选的太高，可能会刷入失败，用哪个波特率自己多试几次就好。

固件刷好后，就可以开心的玩了。开发软件个人建议使用Esplorer,此软件需要安装JAVA。试一下第一句程序：print(“Hello NodeMCU！”)，模块正常的话会显示Hello NodeMCU！

试试node.restart()，重新启动一下模块，会显示当前固件的版本、生成时间、包含模块等信息。

最新的NODEMCU固件支持可变波特率，不再局限于9600bps。比如可以在Esplorer里把波特率改为57600。如下图：

至此开发环境搭建完毕，可以试着先把模块连接到家里的WIFI，网上有例程，把SSID和密码改成自己的，运行一下就能连接了。

4：从Internet获取时间

关于从网络获取标准时间，先试了试获取百度网站返回的HTTP头，里面包含当前的日期时间等数据，提取一下就好，但是有网友说这个时间也不是十分的准确。

后来发现NodeMCU包含SNTP模块，是专门干校准时间这活的。并且操作也非常的简单，就决定了采用这种方式。

SNTP简介：

SNTP，即简单网络时间协议（Simple Network Time Protocol），主要被用来同步因特网上计算机的时间。SNTP协议采用客户端/服务器的工作方式。SNTP服务器通过接收GPS信号或自带的原子钟作为系统的时间基准。SNTP客户端通过定期访问SNTP服务器获得准确的时间信息，用于调整客户端自身所在系统的时间，达到同步时间的目的。

上网找到国内常用的NTP服务器，用PC端的Ping命令简单的测试了一下，结果如下。

NodeMCU固件sntp模块用法很简单，本制作只使用其中的sntp.sync()函数。

语法：sntp.sync({ server1, server2, .. }, [callback], [errcallback], [autorepeat])。

各参数解释：

1. Server1,server2,..:指定要使用的一个或多个ntp服务器

2. Callback:同步成功回调，不需要在这里显式的调用rtctime.set（），该模块在内部自动执行此操作，以获得最佳的准确性。

3.Errcallback:失败回调，返回失败的原因。

1：DNS查找失败

2：内存分配失败

3：UDP发送失败

4：超时，不接收NTP响应

4. autorepeat：如果是非零值，那么每1000秒同步将发生一次，每次同步操作后都会调用回调。

找来例程试一下

sntp.sync("202.120.2.101",

function(sec, usec, server, info)

print('sync', sec, usec, server)

end,

function()

print('failed!')

end)

运行结果：sync 1497432519 920178 202.120.2.101

结果显示同步成功，并返回了1970/01/01到现在的UNIX时间戳和同步服务器。SNTP每次成功同步后会自动更新ESP8266模块的实时时钟，也就是自动调用rtctime.set()函数。所以要使用sntp授时需要rtctime模块的支持，定制固件时不要落下。需要说明的是，成功同步后会自动更新MCU内部的RTC。

当然那一大串UNIX时间戳我们人类是不太能看懂的，还要转为我们习惯使用的日期和时间，这就要用到rtctime模块中的rtctime.epoch2cal()函数，语法为rtctime.epoch2cal(timestamp)。函数成功运行后返回一个数组，数组包括：

year 1970年 ~ 2038年

mon 1 ~ 12月

day 1 ~ 31 日

hour 小时

min 分钟

sec 秒

yday 当前是一年中的第1 ~ 366天

wday 星期 (星期天是1)

例程：

tm = rtctime.epoch2cal(rtctime.get()) --获取当前日期时间并转换

print(string.format("%04d/%02d/%02d %02d:%02d:%02d",

tm["year"], tm["mon"], tm["day"],

tm["hour"], tm["min"], tm["sec"]))

运行结果：2017/07/08 09:48:04

5:显示标准时间

标准时间有了，下一步的工作就是怎样显示出来的问题，总不能开着电脑用串口助手看时间吧。家里用的话1602或12864液晶字太小，远了就看不清楚；数码管做的太多，都审美疲劳了；最后决定用点阵，但是ESP8266模块的GPIO太少，不够用来直驱点阵，为解决这个问题，特地从淘宝上淘了基于MAX7219的点阵模块，4个MAX7219驱动4片8*8点阵。使用SPI串口通讯，还可以多片级联，只要用3个GPIO就能驱动若干片8*8点阵。

MAX7219简介（来自百度百科）

MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显示，也可以连接64个独立的LED。其上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。 只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。 MAX7221与SPI™、 QSPI™以及 MICROWIRE™相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI（电磁干扰）。 一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。 每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。 整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。

第一次玩MAX7219，由于LUA语言用的不顺手，调试起来有点麻烦。先用熟悉的51来点亮点阵，调试通过后再一点一点地移植到ESP8266。买的点阵是32*8，即使用不美观的4*8字体，时分秒也无法全部显示，更不用说标准的5*8的字体了。最后决定只用3片点阵，使用5*8字体，只显示小时和分钟，但也不够用，折衷一下：0-19时用24小时制，20-23时用12小时制。

成功点亮后的点阵，私人订制的字体，还是很漂亮的。

6：开始制作：

硬件很简单，就是一个ESP8266模块， 5V转3.3V的电路和几个阻容。用洞洞板很快就搞定了。

用茶色亚克力做面板，可以增强点阵的可读性。插上电源，模块尝试连接WIFI，蓝色LED亮起，成功连接后该LED熄灭，稍等就会显示当前准确的时间了。如果WIFI断线，模块会尝试自动重连，LED会指示当前的WIFI连接状态。

在每次上电后自动同步时间，然后每隔一个小时与NTP服务器同步一下。这样只要有网络，本时钟显示的时间就是准确的。

功耗也不大，白天正常亮度，不到100ma。21：30后降低亮度，避免影响睡觉。

再来几张美图

7：后记

对于一个仅仅靠兴趣驱动的爱好者来说，做这么一个小玩意遇到的困难太多了，身边没有谁可以请教，只能在网上一点一点的找答案，好在还算是成功的实现了自己想要的功能。现在已经正常的运行了一个多月，时间与GPS几乎一秒不差。

不足的地方就是本时钟只能在一个WIFI环境下使用。其实NodeMCU也提供了通过浏览器设定模块的SSID和密码的功能，但试了几次发现不太稳定，再说换了WIFI只要简单的改改程序就好，也不算麻烦。决定不再折腾，能做到这样就很满意了。

-----官方NodeMCU文档，请移步http://nodemcu.readthedocs.io/en/master/en/

还有调试中的一张图，用液晶屏显示，一起发上来

谢谢观看！

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作者：qxgm

本文来源：数码之家

实验分享——单片机控制LED点阵实验

一、设计目的

设计一个单片机控制的LED点阵显示系统，基本要求为：LED点阵能够“心型”图形。然后在此基础上，可以自行增加功能，例如但不限于：交替显示“心型”一个自定义图形。（自定义图形可选但不限于下列图形：Δ、▲、△、◆、◇、★、☆、♀、♂等）。所谓交替显示是指点阵中依次显示A、B、C三种文字或图形（每个图形点亮若干时间）并循环往复。

二、设计任务及要求

1.学习课程资料中附上的“普中51单片机开发攻略--A5(V5.5).pdf” 其中的第16 章LED 点阵实验。

2.学习完该内容后，设计一个单片机控制的LED点阵显示系统，基本要求为：LED点阵能够“心型”图形。然后在此基础上，同学们可以自行增加功能，例如但不限于：交替显示“心型”一个自定义图形。（自定义图形可选但不限于下列图形：Δ、▲、△、◆、◇、★、☆、♀、♂等）。所谓交替显示是指点阵中依次显示A、B、C三种文字或图形（每个图形点亮若干时间）并循环往复。

3.使用单片机开发板可能需要用到的知识及软件：

详见“普中51单片机开发攻略--A5(V5.5).pdf” --2.2 开发板使用方法（18到25页内容）

三、方案设计

首先将符号进行字模提取，并且编写程序，将单片机的2口和3口作为输出口，分别接入LED点阵的上下两排引脚。使用扫描的方式，使LED点阵可以正常的显示。进一步设计，增加延时函数，使得在一个图形显示完后，能够紧接着显示另一个图像，并循环往复，最终完成设计。

（一）前期准备

心形点阵图

图片

图片

图片

（二）软件设计

#include<reg52.h>

char code hang0[]={0x18,0x24,0x42,0x84,0x84,0x42,0x24,0x18};

char code hang1[]={0x18,0x24,0x42,0x81,0x81,0x42,0x24,0x18};

char code hang2[]={0x18,0x3C,0x7E,0xFF,0xFF,0x7E,0x3C,0x18};

char code lie1[]={0xFE,0xFD,0xFB,0xF7,0xEF,0xDF,0xBF,0x7F};

char code lie0[]={0x7F,0xBF,0xDF,0xEF,0xF7,0xFB,0xFD,0xFE};

int i;

int num;

int m;

int n;

int c;

void delay(int a)

{

while(a--);

}

void main(){

int t;

t=6;

n=0;

while(1){

n++;

c=n%2;

for(i=0;i<1500;i++){

if(i<500)

{

for(num=0;num<8;num++){

if(c==0){

P1=lie0[num];

}else{

P3=lie0[num];

}

P2=hang0[num];

delay(t);

}

}

if(i>=500&&i<1000)

{

for(num=0;num<8;num++){

if(c==0){

P1=lie0[num];

}else{

P3=lie0[num];

}

P2=hang1[num];

delay(t);

}

}

if(i>=1000)

{

for(num=0;num<8;num++){

if(c==0){

P1=lie0[num];

}else{

P3=lie0[num];

}

P2=hang2[num];

delay(t);

}

}

}

}

}

四、调试及结果

实物图1

实物图2

五、设计总结

单片机控制LED点阵的实验设计总结如下：

1. 材料准备：准备LED点阵、单片机开发板（如Arduino、Raspberry Pi等）、面包板、导线等。

2. 连接电路：将LED点阵与单片机开发板连接起来，确保正确的极性和接线。通常需要使用导线和电阻来连接。

3. 编程：编写控制LED点阵的程序，包括控制LED灯的亮灭、行列扫描和显示图案等功能。具体的编程语言和代码逻辑根据使用的单片机和开发板而有所不同。

4. 上传程序：将编写的程序上传到单片机开发板上。

5. 测试：开启单片机开发板，观察LED点阵是否按照预期的方式显示。可以测试不同的图案、动画或文字，并确保LED点阵能够正确显示。

6. 调整和改进：根据测试结果进行调整和改进，确保LED点阵能够准确显示设计好的图案。

总的来说，单片机控制LED点阵的实验设计需要包括硬件连接和软件编程，通过这个实验可以更好地理解单片机控制外围设备的原理，并且锻炼了编程能力和电路连接能力。

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