单片机控制的OLED简易电子表原型

在多年以前，我刚开始学单片机的时候，就想着要用51单片机加上0.96英寸的OLED DIY一个电子表，但是可惜当时水平有限，没能实现。现在我早已玩转了STM32，准备向ARM9进发，突然想到了当年的想法，今天终于亲手实现了它。

整体设计

毕竟是要实现当年的想法，所以整体还是选择了常见的STC单片机作为主控，以及当时选定的0.96英寸OLED作为屏幕。一般STC都会选择搭配DS1302 RTC芯片用来计时，那么也一起加上。按键方面，为了操作方便，我没有使用普通的微动开关，那种太硬了，戴在手上摁起来不方便。我选择了一种拨轮开关(见图16.1)，它上面有一个摇柄，可以上下推动，也可以按下去。一个开关可以同时实现上下选择和确定选择，这在MP3上比较常见，网上价格也不贵，大约三毛钱一个。另外，考虑到OLED比较费电，使用纽扣电池作为电源并不妥，于是我采用了可充电的锂聚合物电池作为主电源，另加了一块TP4056作为充电管理IC。

图16.1 一种常见的拨轮开关

电路原理

1. 主控电路

主控电路中最主要的部分就是STC15L2K60S2的单片机(见图16.2)，我选择了SOP28封装的版本，比较小，制作手表比较合适。这是一款基于51内核的单片机，最高主频35MHz，具有60KB的ROM和2KB的RAM，虽然配置并不强大，但是做个手表还是绰绰有余的。型号中带L的为低电压版本，采用3.3V供电。其实这个系列的单片机应该是前几年初学者非常常用的，我当时学习的也是STC单片机。不过近几年随着国外开源硬件的发展，Arduino系的东西大有取代原来STC单片机国内DIY初学者入门必备地位的势头啊。当然相比Arduino，STC也是有它的优势的：第一就是便宜，一片STC只要5～8元就可以购得;第二是它的电路十分简单，最新的STC15系列，一片芯片就可以组成最小系统，和Arduino Mini一样，装上面包板直接可以用，不必连接外部复位或者晶体振荡器之类的东西;第三就是它的内部高精准RC振荡器可以调节频率，可以等我们把程序写完了再来调节频率，找到功耗和性能的平衡点;第四，它的社区支持并不差，Arduino有许多现成的程序可以利用，STC也一样，在国内有很多讨论51单片机的论坛，里面的程序都可以借鉴。因为数据量不大，手表对刷新率也没有很高的要求，我这个设计没有用到硬件的SPI，通过I/O口模拟SPI与OLED和DS1302通信。

图16.2 STC15L2K60S2单片机

2. 屏幕及其外围电路

我使用了Univision出品的一款OLED屏幕(见图16.3)，型号UG-2864HMBEG01，尺寸为0.96英寸，分辨率为128像素×64像素，白色单色，支持I2C、3线SPI、4线SPI、I80和68K五种接口协议，可以说全兼容，同时内置了电荷泵，提供OLED驱动所需的高压，给电路设计提供了极大的方便。OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光，而且OLED显示屏幕可视角度大，对比度非常高，做得好的话，可以做到正无限比为1。其实这种屏幕在MP3上十分常见，不过现在出厂的MP3大多已经采用LCD了。但是OLED屏幕也并非没有缺点，长时间显示同样的静止图案会造成烧屏，所以实际上并不是很适合用来做手表，而且用OLED做手表的话，确实费电了一些。我觉得理想的方案还是用一块反射式的STN屏幕。

图16.3 OLED屏幕及其外围电路

3. RTC(实时时钟)电路

DS1302这款芯片其实相信大家都应该比较了解了，是一款高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、周、日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5～5.5V，采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器(见图16.4)。我这里没有连接备用电池，直接把主供电连上了LDO的输出。值得一提的是，DS1302使用的是BCD(全称为Binary-Coded Decimal)编码，是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。这种编码形式利用了4个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷进行。但是实际上在单片机里面，BCD还给我们带来了一点小麻烦，单片机能处理的是二进制码，而不是BCD码，所以要进行一下转换。

图16.4 RTC(实时时钟)电路

4. 供电电路

供电方面采用了一片ME6219 LDO(低压差线性稳压器)，见图16.5，它的压降仅为0.2V，可以满足锂电池供电的需要，像一般常用的AMS1117，它的压降达到了1V，也就是当锂电池电压为3.7V时，AMS1117最多只能输出2.7V的电压，完全起不到稳压的作用。同时，锂电池要考虑的问题就是电量检测，一方面提醒使用者充电，另一方面也要保护锂电池，电量过低就强制关机，以免过放对锂电池造成损伤。单片机的供电电压是3.3V，而电池的电压则是3.5～4.2V，是高于单片机电源电压的，因此就必须设计一个分压电路，分压之后再接入单片机的ADC进行测量。分压电路是始终连接在电池上的，如果电池电量全消耗在这个分压上，那也太冤枉了。所以我选择了两个1MΩ的电阻来分压(见图16.6)，也就是2MΩ的阻值，根据欧姆定律可知，在3.7V标准电压下的电流仅为2μA，符合要求。但是这样又会出现一个问题，ADC也不是理想电表，存在一个输入阻抗的问题，我没有研究过STC的输入阻抗，但是明显不可能会远高于1MΩ，这样就必须加一个电容来减少输入阻抗过低对分压的影响。

图16.5 ME6219低压差线性稳压器

图16.6 分压电路

5. 充电电路

充电使用了常见的TP4056作为充电管理IC (见图16.7)，TP4056是一款完整的单节锂离子电池恒流/恒压线性充电器，其底部带有散热片的SOP8封装与较少的外部元件数目，这使得TP4056成为便携式应用的理想选择。TP4056适用于USB电源和适配器电源，其输入电压范围为4～8V，充电电流最大1000mA。它的充电电流是通过一个外部电阻来调节的。其实TP4056的外部电路设计还是挺简单的，但是我还是单独使用了一块现成的充电板，因为主洞洞板上放不下了，最终也导致整个作品非常厚，也算是一点遗憾吧。

图16.7 充电电路

其实现在大多数的高级点的移动设备都会选择专门的PMIC (电源管理集成电路)，它们通常提供了多路DC-DC和LDO输出，满足不同设备的供电需求，内置锂电池充电管理功能，部分还内置了库仑计，可以更精确地测定电池电量，并进行功耗控制。这类PMIC通常提供了I2C接口，主处理器可以通过I2C和PMIC进行通信，获取电量、电流之类的数据，并且可以直接通过软件来调整电压之类的参数，十分强大。不过像51这种设计就用不上那种东西啦，那种一般都是给Cortex-A级别的处理器用的。

硬件制作

因为用到的元器件并不复杂，连接也不是很多，所以我选用了洞洞板+飞线的形式，虽然这样比较麻烦，但是可以省下打样的钱，不过对“手艺”有一定的要求。工具方面，一把好用的电烙铁，一把美工刀，以及一把热熔胶枪就够了，都是比较常规的工具。材料方面，请准备原理图里面出现的各种元器件、一卷焊锡丝、一卷漆包线、一块洞洞板，以及你的热情和耐心。

首先，把洞洞板裁成需要的大小，然后在上面合适的位置用美工刀割出SOP28的焊盘(见图16.8)，因为SOP28的引脚间距为1.27mm，而洞洞板的洞间距为2.54mm，因此把每个洞的焊盘割成两半就可以焊接SOP28的芯片了。割的时候不一定要在正中间，但是一定要割干净，最好空出一条，避免短路之类的事情发生。

割完焊盘就可以焊接主MCU了，这个没有什么值得注意的，不要让引脚短路就可以了(见图16.9)。如果短路了，用把好点的烙铁，加点助焊剂(或者带助焊剂的焊锡也可以)，烙铁可以把多余的焊锡吸起来，然后用海绵擦掉烙铁头上的锡就好了。

图16.8 割出SOP28的焊盘

图16.9 焊上单片机

然后，处理和MCU连接最多的屏幕部分。虽然采用了四线制SPI通信，但是这个OLED内部电荷泵需要几个外部的电容，相对还是比较麻烦的。屏幕的引脚间距仅为0.8mm，比较考验“焊功”(见图16.10)。建议漆包线在焊接之前先镀好锡，会方便很多。屏幕部分完成之后，看起来就是一团糟的样子(见图16.11)。

图16.10 处理屏幕与单片机的连接

图16.11 连接好的样子

STC单片机使用串口下载，准备好串口的接口也是必不可少的。如果使用插针，担心会刺到手(其实是我多虑了，不会发生这种事情)，于是我选择了排孔，并且是没有出头的设计，这样可以说是对本来就不充裕的电路板空间的巨大浪费，但是凸出来实在太难看，于是我还是这样做了，如图16.12所示。

这个接口只要“飞”上VCC、TXD、RXD和GND这4个引脚就够了，不过我这里先只连接了VBAT，也就是锂电池电源。下一步是焊接LDO，在LDO焊接完成之后，就可以开始调试OLED驱动了(见图16.13)，顺便检查之前的连接是否可靠。

图16.12 用于串口下载的排孔

图16.13 焊接LDO

事实上，这个OLED困扰了我大半个小时，一直没有显示，检查连接也似乎没什么问题，也没有虚焊，后来仔细看了Datasheet才发现我犯了一个十分低级的错误，OLED的VCC并非逻辑电源输入，而是屏幕驱动电压输入，应该接上12V外部电源，在使用内部电荷泵升压的时候应该在外部对底连接一个电容。解决问题后，显示正常了(见图16.14)。

下面就是用同样的方法处理DS1302，也就不多说了。我使用了一条铁丝架在拨轮开关上加强固定，再顺便焊上锂电充电板。因为该电路的功耗很低，所以不需要使用很粗的漆包线，用最细的来连接电路完全不成问题，充电板直接和锂电池连接就好，如图16.15所示。

图16.14 OLED驱动正常了

图16.15 充电板和控制板接到一起

在最终打胶并把充电板装上去之前，一定要确保所有硬件部分都已调试正常了，因为打胶基本上是不可逆的，等打完胶再发现有什么错误就太迟了。还有记得一定要设计一个断电的方法，因为STC单片机必须要断电一下才能进入ISP模式。我使用了一个跳线来解决这个问题。于是，就有了图16.16、图16.17所示的成品了。

图16.16 制作好的LOED手表正面

图16.17 背面是锂电池

个人感觉这个做完的“手表”还是厚了一点，屏幕也有点小，如果以后有机会再改进。

软件编写

因为目前就只打算实现时钟显示这一单一功能，所以代码设计十分简单。首先就是要解决各个部件的驱动。

1. 屏幕驱动

屏幕的分辨率为128像素×64像素。因为是单色的，所以一个1bit就可以表示一个像素，一个字节中有8个像素，所以整个屏幕显示内容所要占用的内存空间为1KB (128×64/8)，可以放进STC的RAM，所以我就在RAM里面建立了一个屏幕缓冲区，所有绘图操作都在缓冲区里面进行，这样可以大幅减少和屏幕的通信，加快绘图速度。怎么理解呢?比如要点亮屏幕上的一个像素，但是像素是以8个为单位存在一个字节里面的，要操作里面某一位，只能先把这个字节读出来，修改后再写回去，也就是读改写。注意，单片机和屏幕的通信速度并不快，一直这样读改写速度会非常慢。可以计算一下，这样操作一个像素就要传输两个字节的数据，一共8192个像素，就要传输16384个字节的数据，也就是16KB，而如果先在缓冲区内画完，再传输，只要传输1024个字节就足够了，速度自然就快了。

另外还有一点，一般绘图都要清空屏幕，不然后来的东西会和先前有的叠在一起，就看不清楚了。清空的代价就是闪烁，屏幕会先变全黑再显示出需要的东西，如果使用了缓冲的设计，就不会有这种问题。

2. DS1302 驱动

DS1302的驱动程序在网上很常见，也不困难，我就简单说下BCD和二进制的互转吧。BCD是什么意思呢?简单理解就是在十进制数前面加个0x，然后就变成十六进制了。举个例子，35的BCD编码就是0x35，而二进制编码却应该是0x23。在C语言中，写程序的时候写十进制或者十六进制都没有关系，程序里面写35，编译器会自动认为就是0x23。如果把BCD码用在程序里面，就会出现问题，主要是加减法的问题。还是之前的35，如果加上5，应该是40，这点用二进制码表示是没有问题的，但如果是BCD呢?BCD 0x35加上BCD 0x05应该变成BCD 0x45，但是在程序里面写0x35+0x05结果是0x3A，3A在BCD码中是没有意义的，应该直接进位才对。不过BCD其实转换起来并不困难，因为BCD码4bit对应一个十进制数，一个字节对应两个十进制数。在DS1302驱动中，只涉及1个字节的转换，所以程序就十分简单，以下是简单的BCD转二进制代码的方法。

BIN=(BCD/16)×10+(BCD%16);

除以16和取模16就是获得一个字节中前4bit和后4bit，比如0x35，分别返回3和5，然后第一位乘以十加上第二位就是最终需要的结果了。

3. 主程序设计

我的主程序设计十分简单，先读取时间，比较和上次读取到的时间是否有变化，如果有就显示在屏幕上，然后检测按键是否按下，如果按下，则启动修改时间的函数。具体设计大家还是看代码吧，主函数大家可以自己来写，这样也满足个性化的需求。

后记

制作这个东西加起来需要的时间没有超过24小时，主要的时间还是花费在了飞线上，或许这样飞线的难度有点太高了，并不适合大家仿制。不过采用飞线制作主要还是为了一种心情，今天想到了，第二天就能把它做出来，这是打样PCB做不到的。

多年前我就买过0.96英寸的OLED模块，想用它DIY一个非常酷的手表，但是非常遗憾的是，被我不小心把正负极接反给烧了。然后，我为了玩大屏，买了STM32开发板，为了做成品，自己画了不少PCB。结果就是一个项目所要耗费的时间越来越长，比如我现在在折腾的一款图形计算器，上上下下设计、打样、写程序，再改设计、修改bug什么的，已经做了4版硬件，花了近1年的时间，到现在我还是不满意，准备用ARM9处理器继续做第5版硬件，我也不知道什么时候能完成。虽然工程越做越大，所谓的技术含量也越来越高，但是却似乎少了当初那份纯粹的乐趣，那份质朴的感动。

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一文入魂！单片机初学者必看

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一、为什么要学单片机技术？

传统的电子产品升级改造成智能化的电子产品需要用到单片机技术。也就是说传统的电子产品如电视机、电子表、计算器、数码相机、手机、MP3、遥控器、洗衣机等产品智能化、微型化，需要的核心技术就是单片机技术。所以从事电子行业的工作人员必须学好单片机技术，否则必然被社会淘汰。

二、什么是单片机？

单片机就是把中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器和各种输入/输出接口（I/O接口）等主要功能部件集成在一块集成电路板上的微型计算机。

这句话比较抽象，下面我们来解释：

1、计算机的组成

大家都知道，计算机的主机箱是由CPU、硬盘、内存、主板等等组成的。一块CPU大概要400块钱左右，硬盘也要500块钱左右，内存200块钱左右，主板500块钱左右，这些东西加在一起大概要1600块钱左右。如果配上显示器等等其他的设备，一台电脑要3000到4000块钱左右吧。

2、计算机和单片机的联系

如果把计算机的主机箱里的设备（CPU，硬盘，内存，主板等等）缩小缩小再缩小后集成在一块芯片中，这样的集成芯片被成为单片机。

如下图所视：

从图中可以看出，单片机的体积不大，一般用双列直插40脚封装，当然功能多一些的单片机的引脚可能会比较多的，如68引脚，功能少的单片机也可能只有10多个或20多个引脚，有的甚至只8只引脚。

3、单片机的内部结构

当然，在这样的集成芯片（单片机）内部的CPU、硬盘、内存、主板等设备不再这样称呼了，下面我们来学习单片机内部结构。

（1）单片机内部结构→CPU

CPU，它的名字没有改，还是称为CPU（Central Processing Unit）。它是单片机的核心部件，包括运算器和控制器。

运算器既是算术逻辑单元ALU（Arithmetic logic Unit)，其功能是进行算术运算和逻辑运算。

控制器一般由指令寄存器、指令译码器、时序电路和控制电路组成。其作用是完成取指令、将指令译码形成各种微操作并执行指令，同时控制计算机的各个部件有条不紊地工作。

（2）单片机内部结构之一ROM

“硬盘”，改了名字，称为程序存储器，也叫只读存储器。用ROM（Read only memery)表示。其作用和计算机的硬盘差不多，用来存放用户编写的程序。特点是：掉电后不会丢失数据（程序）。

（3）单片机内部结构之一RAM

“内存”，也改了名字，在单片机里叫数据存储器，也叫随机存储器。用RAM（Random Access Memery)表示。其作用是用于存放运算的中间结果，数据暂存和缓冲，标志位等。特点是：掉电后会丢失数据。

（4）单片机内部结构之一I/O接口

“主板”，相当于单片机的I/O接口电路（输入输出设备）。当然也包含了串行口，并行口，定时器，计时器等等。其作用是用来和外围电路相连的，进行输入输出和某些特殊的操作。

以上谈到的这些东西都是在一个集成芯片里面，我们把集成了这些东西的集成芯片叫做单片机，内部结构如下图所示：

当然，单片机是中国人叫的，有些外国人叫微控制单元MCU（Micro Controller Unit)。也有人叫嵌入式控制器（Embedded Controller)。

4、单片机的价格（性价比）

当我们明白了什么是单片机后，再来猜猜一般的单片机的价格吧？

Intel公司1980年推出的标准MCS-51内核8051现在要多少钱呢？

告诉你，7到10块钱之间！

Atmel公司的AT89c51、AT89s51、AT89c52、AT89s52一般在多少钱左右呢？

告诉你，7块钱左右！

宏晶公司的STC单片机的价格则更便宜，低至5元以下。

是不是太便宜了？功能如何？

5、单片机的功能强大

大家会想一台“电脑”竟然是10块钱以内？功能怎么样？有什么用啊？

我可以告诉大家，它的功能很强大，是以后电子产品的发展方向。

只要是具有了智能化的电子产品，就少不了单片机技术。非常有用，发展前景非常之好。

那么大家一定很想学了，于是去买本书看……

哈哈，拿着书，不知道如何下手，看不懂吧，感觉好难吧？不要怕！

那是因为你没有掌握好学习单片机的正确方法！

学单片机仅看书是不够的，也是很难学会的。

学单片机是需要科学的方法和一些必备条件！

三、如何快速入门单片机？

单片机是一门实践性很强的课程（具有半软半硬的特征），所以学习的时候必须要理论联系实践。

学习单片机技术必须注重“理论+实践”的方法。如果只学理论知识而不动手操作，则收效甚微；如果只进行实践操作而不学习理论知识，效果也不明显。

因此，学好单片机技术必须做到理论、实践同时学，理论知识和实践技能就像人的两条腿，缺一不可。

我试过很多种教学法，综合考虑还是觉得平凡老师创立的任务教学法的效果最好。它是一种基于理论联系实践的教学法。

本人在任务教学法的基础上开创了一种“边学边做”的单片机学习法，教学效果很好。

“边学边做”的教学方法概述

“边学边做”教学模式是以建构主义学习理论为指导下，依据人的认知规律设计完整的项目作为教学内容，采用多媒体、网络、仿真技术、实验实训设备等教学手段，在完成具体任务中组织教学的一种适合技能教育的教学模式。

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