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

玩转16×16LED点阵屏

在单片机发烧友圈子中，有关用单片机驱动LED、数码管、LCD等的入门文章随处可见，有关驱动LED点阵屏的文章则不多，至于真正能够显示一个国标汉字的16×16点阵屏的则更少。本文向大家介绍一款用ATmega48单片机控制16×16点阵屏显示汉字，并可做出多种动画特效的实验小系统，让你尽显编程技巧，尽情玩转16×16点阵屏这一汉字显示最小单位。

原理说明

1.计算机显示汉字的基本原理

计算机显示屏上的汉字实际上是由一组有序排列的像素构成的。如果有笔画的像素不亮，而其周围的像素都是亮的，就能看到一个黑色笔画的汉字。能够清楚地显示一个汉字的最小像素数是16×16=256，这是DOS时代就定下的规矩。现在的Windows有了矢量字体，大大丰富了汉字的显示，能在屏幕上不失真地显示汉字书法的美。

现在回到16×16LED点阵屏，我们的任务是在这块方寸之地显示一个汉字，而且要能上下、左右地滚动，首先要解决的问题就是如何存放这256个汉字笔画像素的信息。

图11.1

图11.2 系统原理图

当初DOS绝不是随便定下16×16，即16行与16列的标准的。在计算机世界里，8位(bit)组成一个字节(byte)，而双字节则构成一个字。于是办法有了，用两个字节共16位来代表一行的信息，16行共32个字节，用某位是0还是1来控制点亮还是熄灭对应位置的像素，就能在16×16LED屏上显示汉字，存放汉字笔画信息的问题解决了。

下一个要解决的问题是如何得到一个汉字的点阵信息。图11.1所示是中国象棋中的帅字，我们将一个汉字的显示区域划分成4个8×8的子区，即A区、B区、C区、D区。显而易见，可以用一个字节来代表一个子区中一行的信息，32个字节就能表示4个子区。获取点阵信息的方法也就随之产生了，我们只要按照某种顺序，依次将这些信息存入一个容量为32的数组就可以了。存取的顺序可以有多种，比如A、B、C、D或A、C、B、D等，存取顺序的不同，没有大的区别，只是影响将来的编程思路。以图11.1为例，我们按横向每行(区的顺序是A、B、C、D)的顺序取得的数据如下(C 语言的表示方式)：

0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x22,

A　B　A　B　A　B　A　B

0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x25,

A　B　A　B　A　B　A　B

0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x2D,

C　D　C　D　C　D　C　D

0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0xF0

C　D　C　D　C　D　C　D

图11.3 4个8×8LED模块与单片机端口的寻址关系

2.系统原理

从图11.2的原理图中可以看出，单片机ATmega48的3个端口几乎全部用上。端口D和端口B分别控制纵向左(A区和C区)、右(B区和D区)两组8×8点阵模块的列寻址。端口C则通过一个74HC154译码器将4位地址值转换成15个行控制信号。在硬件设计上，这15个控制信号也被分成两组，分别控制横向的上(A区和B区)、下(C区和D区)两组8×8点阵模块的行寻址。

4个8×8LED模块与单片机端口的寻址关系如图11.3所示。搞清这些关系将是软件设计的基础。

硬件介绍

1.单片机主控板

图11.4所示的是AVR单片机最小系统，因为引脚定义完全一致，所以可换插ATmega48/88/168/328系列单片机和ATmega8单片机。这块板子的电路图见图11.5。

图11.4 AVR单片机最小系统

图11.5 AVR单片机最小系统电路图

该板子的一个设计特点是“资源全开放”，因为ATmega48系列单片机具有引脚功能复用的特点，即所有的B端口、D端口和C端口的6个引脚通过插针全部对外开放，使用者负责定义每个引脚的工作模式和状态。例如，在你的程序中使用了串口功能，D端口的PD0 和PD1两个引脚就不能用作I/O。同理，如果系统使用了外部晶体振荡器，则PB7和PB6也不能用作他用。从图4可以看出，端口B和D都将8个引脚通过排针引了出来。而端口C的设计有些独特，不但将引脚引出，还增加了一排VCC插针和一排GND插针，这主要是为了方便接插伺服电机和众多传感器而设计的。大家知道，伺服电机3根引线的排列顺序是信号、VCC、GND，很多传感器也是如此排列3根引脚，而且端口C的引脚从0至5又具有ADC的第二功能。如此一来，需要接插伺服电机和传感器时就方便多了。板子上还提供专门的位置将串口引出。而外部晶体振荡器则通过开关控制其是否接入系统。当然，改变系统振荡源时不要忘记相关标志位的设置。ISP下载部分则是标准的10针插座，可接插多种下载器。

2. 16×16点阵屏模块

这块板子上的主要元件就是4个8×8LED模块和一只74HC154地址译码器，如图11.6所示。本文不准备详述点阵模块这种发光元件的基本原理，爱好者们可以找到很多相关文章，并参照本文前面的说明自行设计搭建。需要强调的是，要搞清模块的引脚排列，不同厂家的产品并不完全相同。另外要搞清模块是共阴的还是共阳的，这主要决定着地址译码器的选择。

图11.6 16×16点阵屏模块

本文中用到的这块板子使用的是共阳模块，就是当某列的引脚为高电位，而某行的引脚为低电位时，处于该行与该列交叉点的LED被点亮。74HC154译码器的输出为低电平有效，因此，当单片机端口B和D的某个引脚输出高电位即1时，此时74HC154译码器的某个引脚有效(输出低电平)，则处于交叉点的LED被点亮。

3.系统搭建

图11.7 系统搭建方法

系统搭建非常简单，如图11.7所示。使用两根8线排缆将单片机主控板的D端口和B端口分别与16×16点阵屏的对应端口插接，用一组4线杜邦头的跳线将单片机主控板C端口的0～3 与16×16点阵屏的4位地址线接插，另用一根电源引线通过单片机主控板C端口任意一组VCC、GND插针引出接入16×16点阵屏，即可完成系统搭建。

程序

所谓程序就是数据+算法。首先设计一个有效的数据结构，再根据硬件电路的寻址方式，有序地将数据送达正确的点位(算法)，我们要求的图案就显示出来了。

笔者选取了几个例子与爱好者朋友分享，作为抛砖引玉，相信朋友们会设计出更丰富多彩的程序。

一个汉字垂直向上移动例程序

#include

#include

#include

#pragma data:eeprom

//中国象棋中的帅字点阵，存储在EEPROM中

char table[]={

0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x22, 0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x25, 0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x2D, 0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0xF0};

#pragma data:data

//一个粗略的延时子程

void delay_1ms(void)

{

unsigned int i;

for (i=1;i < 1000;i++) ;

}

//端口初始化函数

void port_init(void)

{

PORTB=0x00;

DDRB=0xFF;

PORTC=0x00;

DDRC=0x0F;

PORTD=0x00;

DDRD=0xFF;

}

void main(void)

{

char i,K,L;

char B_port[32];

port_init();//数据准备

for (i=0;i <32;i++)

{//从EEPROM 读出数据，初始化数组B_port。

EEPROM_READ(i, B_port[i]);

}

K=0;//初始化计数变量K

while(1)//无限循环

{

for(L=0;L<10;L++)//滚屏速度控制

{

for(i=0;i<16;i++)//点阵屏刷新

{

PORTD=B_port[i*2];//送端口D

PORTB=B_port[i*2+1];//送端口B

PORTC=i;//行寻址

delay_1ms();

}

}

//将数组中的数据都顺序向前移动一排

for (i=0;i < 29;i+=2)

{

B_port[i]=B_port[i+2];

B_port[i+1]=B_port[i+3];

}

//从EEPROM中取出两个字节，填充到数组最后两个单元中

EEPROM_READ(K, B_port[30]);

K++;

EEPROM_READ(K, B_port[31]);

K++;

if (K >=32)//行更新计数

K=0;

}

}

1.数据准备

从本文前述关于16×16点阵汉字信息的提取，结合实例中的硬件寻址方式，大家不难想象，只要将这32个字节顺序存入一个数组，然后每两个字节为一组送往D端口和B端口形成列地址，再通过C端口给出行地址，对应行的LED将被选中，位于D、B端口字节中高电位的LED被点亮，其他的不亮，该行的点阵就形成了。如此动作16次，将32个字节依次送出，一帧(16×16点阵)的图案就显示出来了。我们只要以小于1ms的时间间隔循环做这组动作，一个汉字(或图案)就能稳定地显示在点阵屏上。

2.文字上下滚动

让汉字在16×16点阵屏上、下滚动(垂直移动)是最为简单的动作。

向右水平移动汉字例程序

#include

#include

//中国象棋中的帅字点阵，以数组形式存储在RAM中

char table[]={

0x0F,0xF0,0x30,0x0C,0x44,0x22,0x44,0x 22,

0x95,0xFD,0x95,0x25,0x95,0x25,0x95,0x 25,

0x95,0x25,0x95,0x25,0x85,0x25,0x89,0x 2D,

0x50,0x22,0x40,0x22,0x30,0x0C,0x0F,0x F0};

//工作数组

char A_array[16][4];

//一个粗略的延时子程

void delay_1ms(void)

{

unsigned int i;

for (i=1;i < 1000;i++) ;

}

//端口初始化函数

void port_init(void)

{

PORTB=0x00;

DDRB=0xFF;

PORTC=0x00;

DDRC=0x0F;

PORTD=0x00;

DDRD=0xFF;

}

//数据准备函数

void A_arr_prepare(void)

{

char i,j;

for (i=0;i < 16;i++)

{

j=i*2;

A_array[i][3]=table[j];

A_array[i][2]=table[j+1];

A_array[i][1]=0;

A_array[i][0]=0;

}

}

void main(void)

{

char i,L;

char m0,m1,m2,m3;

//用于存储移出位的变量

port_init();

//数据准备

A_arr_prepare();

while(1)

{

for(L=0;L < 10;L++)//滚屏速度控制

{

for(i=0;i<16;i++)//点阵屏刷新

{

PORTD=A_array[i][1];

PORTB=A_array[i][0];

PORTC=i;

delay_1ms();

}

}

//整屏数据右移一列

for (i=0;i < 16;i++)

{

if (A_array[i][0] & 0x01==1)

//保留移出位

m0=0x80;//如果是1，保留在高位。

else

m0=0;

if (A_array[i][1] & 0x01==1)

m1=0x80;

else

m1=0;

if (A_array[i][2] & 0x01==1)

m2=0x80;

else

m2=0;

if (A_array[i][3] & 0x01==1)

m3=0x80;

else

m3=0;

A_array[i][3]=A_array[i][3]>>1;//字节右移一位

A_array[i][3]=A_array[i][3] | m0;//将前一字节的高位移入

A_array[i][2]=A_array[i][2]>>1;

A_array[i][2]=A_array[i][2] | m3;

A_array[i][1]=A_array[i][1]>>1;

A_array[i][1]=A_array[i][1] | m2;

A_array[i][0]=A_array[i][0]>>1;

A_array[i][0]=A_array[i][0] | m1;

}

}

}

向上滚动时的流程图如图11.8所示，其实现程序在ICC 7平台调试通过。这个小例程使用EEPROM存储汉字点阵信息，主要是作为练习，爱好者也可以使用RAM中的数组省去EEPROM的读动作。

3. 文字左右移动

左右移动(水平横向移动)稍微复杂一些，因为要进行数据位的循环移动。在下面的例子中，我们使用一个二维数组A_array[16][4]，目的是在汉字水平移动时有一个字的空格，当然你也可以试着只留半个空格或不留空格。此例程没有使用EEPROM，而是在RAM中建立一个存放点阵数据的数组table[ ]。在数据准备阶段，将数组table[ ]中的数据导入数组A_array[16][4]的后两列，即A_array[16][3]和A_array[16][2]。显示完一帧后，再对这16组4个字节向右移位，实现整帧的右移。数组A_array[16][4]的移动动作顺序如图11.9所示，该例程的流程图如图11.10所示。

图11.8 文字向上滚动的流程图

图11.9 数组A_array[16][4]的移动动作顺序

图11.10 文字向右移动的流程图

拓展练习

本文仅对16×16点阵屏做一浅显介绍，相信单片机爱好者可以借助这个小平台玩出许多花样，例如对角移动、中心开花、中心会聚、对称分开或合拢，以及多字连续移动等。文中例程序是用C语言写的，也可以使用BASIC语言，里面的一些函数可以改成汇编语言的，将会显著提高效率。现在，很多爱好者玩起了Arduino，同样可以驱动这个16×16点阵屏，只是由于Arduino端口开放得不全，所以要加锁存器，并分步传送数据，程序会稍微复杂些，但基本思路是相似的。

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