墨水屏时钟

墨水屏与任意一款的外框的搭配，效果都会十分经典。它专属的怀旧属性，使得用它来创作的显示屏作品都会经久耐看。之前我们介绍过一款「超慢速电影播放相框」，一台黑白相框显示屏，能够用一年的时间来放一部老电影。

今天我们带来的一个复古的墨水屏电子钟，可以显示时间，还自带天气预报功能（通过 GPS 自动设置获得）。显示屏只需要四节 AAA 电池就可以续航六个月左右，为了保证安全和可靠性，它不需要连接任何网络。

https://www.bilibili.com/video/BV1Jt4y1W7mq/ (下方视频如无法显示请点此链接查看)

特性
1、通过 GPS 自动设置。
2、显示当前温度和湿度。
3、显示过去 25 小时内的压力图。
4、日出和日落的时间。
5、显示当前的月相。
6、可在12小时或24小时模式之间选择。
7、可在英文和公制单位之间选择。

本项目有三个不同的版本，分别是「简易」版本、「低功率」版本和「Arduino Mini」版本。

「简易」版本是基于 Arduino Nano 搭建。这个版本可以减少成本、零件数量和制作的复杂性；缺点是需要用一个 USB 5V 的适配器来给时钟供电。

「低功率」版本使用一个 32k 的振荡器，以极小的功率保持精确的计时，振荡器可让时钟用电池运行。

这两种版本都可以在面包板上进行构建和实验，最终的 PCB 板可通过原型板、CNC 铣削、化学蚀刻获得，资料可在本项目文件库中下载。

材料清单

「简易」版本组件清单

Arduino Nano × 1
Waveshare 2.9 EPaper 模块 × 1
Adafruit MS8607 压力/湿度/温度传感器 × 1
带有9600 Baud TX 的 GPS 模块 × 1
电路板 × 1
按钮开关（用来改变 UTC 时间偏移和显示偏好） × 若干
制作外壳的材料 × 若干
USB 充电器 × 1
充电线 × 1

「低功率」版本组件清单

除与简易版本一样，还增加了一些组件
Waveshare 2.9 EPaper 模块 × 1
Adafruit MS8607压力/湿度/温度传感器 × 1
电路板 × 1
按钮开关 × 若干
制作外壳的材料 × 若干
Atmega328P DIP 版 × 1
32768 Hz 晶体 × 1
Adafruit GPS 模块 × 1
LED × 1
电阻 × 1
10uF 电容 × 若干
100nF 电容 × 若干
AAA 电池 × 4
3x2 排针 × 1（用于通过ICSP对芯片进行编程，可选）
1x2 排针 × 1（用于UART调试，可选）

「Arduino Mini」版本

这是一个最简单的版本，当处于 "零件荒 "时，如缺少 Atmega328P 芯片时，你可以采用这个"最简"版本的固件来运行。亦或者你对自己的焊接技术有信心，你可以在微控制器上焊接一个 32k 的晶体，采用 32k 版本的固件。

如原理图所示，采用 "便宜的 GPS "方案来连接。你也可以使用别的 GPS（Adafruit），但要替换原理图中的 GPS 部分。

便宜的 GPS（可选）

如果你认为没有必要增加功能（在低功耗部件部分有介绍），你可以放置任何能以 9600 波特传输 NMEA 字符串的 GPS 模块（大多数的GPS模块都可以）。

但现在有一个新的问题需要解决：这些单元中的大多数缺少一个启用/禁用的引脚，而 GPS 单元通常消耗 30-100 毫安的电力。如图所示，我们可以用一个 N-MOSFET（或类似的）黑掉一个禁用开关。我们也可以在 falstad 中进行尝试。

电源开关电路是可选的。细节可参考附录 B。

「低功率」版本的硬件改装

如果你制作「简易」版本，不需要阅读这一部分。在「低功率」版本中，这些改装将大大改善电池寿命。

为了说明问题，我们将假设电源来自一组 AAA 电池，可以提供 1000 毫安时。让我们假设你使用的是 32K 的Adafruit 版本，并且没有做任何修改。下面是一个电源分解的例子。

"睡眠/关闭" CPU、GPS、MS8607 和 EPaper：测量值为 30-70uA（我们认为是 50uA）。
屏幕更新：5 毫安，每分钟两秒一次：5×2/60=166uA
GPS 更新：每天一次，每次 50 毫安，每次 10 秒。50×10/86400=6uA
MS8607 LED：100uA
Adafruit GPS 上拉电阻：500uA
因此，我们有（50+166+6+100+500）=822uA 的平均电流消耗，相当于约 50 天的功率。

如果去掉 MS8607 LED 和 GPS 上拉电阻，我们的用电量就会减少到 222uA，也就是大约 187 天的用电量，大大增加了使用时间。

1、建议从 MS8607 上拆下 LED。

2、Adafruit GPS 的上拉电阻是由 Adafruit 的设计人员添加的，使得 EN 引脚变成一个可选项。不过它也有一个缺点，就是当你把它拉到地（禁用 GPS）时，大约有 500uA 的电流在上拉电阻中被消耗掉。由于这个设计的使能引脚是主动驱动的，你可以去掉这个电阻。

3、专业的迷你修改。Google 引擎搜索 "Arduino mini 低功耗 "了解详情，基本上，你会想去掉电压调节器和 LED，来减少电源使用。我们改用 MS8607 的电压调节器（3.3V 空闲时损失 35-55uA 的功率）为 pro mini 供电。

4、在 pro mini 的图中，我还去掉了晶体振荡器，为 32K 晶体的芯片做准备。只有在 32K 晶体版本的情况下才可以去掉这个晶体，而且只有在对 pro mini 的内熔丝进行重新编程后才去掉，稍后会解释。

固件

在这个步骤中，我附上了 nano 和 32k 晶体版本的 .hex 文件（这两个版本都适用于 pro-mini，如果你不确定使用哪个版本，就使用 nano 版本）。

如果想自己构建/修改源代码，可以访问GitHub：https://github.com/mattwach/epaper_clock

自己构建 .hex 固件文件（可选）
请注意，这段代码没有使用 Arduino 库，因为产生的代码太大，无法在 Atmega328P 上安装（个人偏好）。它采用 C 语言编写，使用了 Arduino 也使用的 AVR 基础库作为基础。如果你想编译代码，你需要安装（免费的）avr-gcc 工具，复制 epaper 项目的源码。然后进入 firmware/ 目录并输入。

make

如果代码建立了，可以打开Makefile，查看这些选项。

# This is the Low-power stand alone chip configuration.
CLOCK_MODE ?= USE_32K_CRYSTAL
UART_MODE ?= HARDWARE_UART
F_CPU ?= 8000000

# This is the easy-to-build firmware that is based on an Ardino Nano
#CLOCK_MODE ?= USE_CPU_CRYSTAL
#UART_MODE ?= SOFTWARE_UART
#F_CPU ?= 16000000

如果你正在构建 32k 晶体固件，配置已经正确了。如果构建 nano 的版本，你需要注释 32k 那段，取消注释 nano 那段代码，然后再次 make。

还有一个特殊的调试模式，通过硬件 UART 以 9600 波特的速度转储信息。你现在可以忽略，但要记住它，因为以后可能用到。

# Uncomment to activate debug via the UART TX (9600 baud)
#DEBUG_CFLAG := -DDEBUG

最后，你可以通过改变几个变量来决定 GPS 应该多长时间被激活。默认每天运行一次，但如果 GPS 需要很长时间锁定，它会减少运行频率，从而减少电池的消耗。请在 src/gps.c 中阅读所有相关内容。

资料链接可参考
avr-gcc工具：
https://www.pololu.com/docs/0J61/6.3
GitHub：
https://github.com/mattwach/epaper_clock

源码、固件、Makefile 等文件可在本项目文件库中下载：
https://make.quwj.com/project/434

使用 ICSP 上传固件

该步骤是为那些上传代码到独立的 Atmega328P 芯片的小伙伴准备的，如果你要上传到 Arduino Nano，请跳到下一个步骤。

你需要一个 ISP（或ICSP）编程器。可以用一个备用的 Aruino Uno/Nano 自己做一个。可以在 Google 引擎搜索"Arduino ISP Programmer" 请注意，这些指南中的很多内容都假定你的真正目的是安装一个引导程序，但对于我们来说，不需要引导程序，因为我们将直接用 ICSP 上传 .hex 文件。

断电检测
在我的 Atmega328P 上，断电检测设置为 3.5V（可能是旧版本），所以我用这个命令禁用断电检测。

/usr/bin/avrdude -patmega328p -cusbasp -Uefuse:w:0xFF:m

你的可能不一样，这取决于你的 “ISP programmer”（-c选项）。也有可能你不需要设置，只是以防万一。

使用 Avrdude

我们可以使用一个叫avrdude的免费工具，来把它创建的十六进制文件上传到你的Uno/Nano/。我们也可以直接用命令行下载并使用avrdude。

用 Arduino IDE 在输出记录打开的情况下运行一个上传（点灯的 demo 或者其他的 demo），然后复制它使用的命令。或者
阅读官方的 avrdude 文档或者阅读参考网上使用 avrdude 的教程。这里是我在 nano 版本中使用的 avrdude 命令（通过 make 上传），供参考。

/usr/bin/avrdude \
        -v \
        -patmega328p \
        -carduino \
        -P/dev/ttyUSB0 \
        -b57600 \
        -D \
        -Uflash:w:epaper_firmware_using_arduino_nano.hex:i 

这个是我在 ISP 版本中使用

/usr/bin/avrdude \
        -v \
        -patmega328p \
        -cusbasp \
        -Uflash:w:epaper_firmware_using_32k_crystal.hex:i 

我使用的是 Linux。Mac 和 Windows 也能正常工作，但像 -P 这样的选项会有所不同（即在 Windows 中可能是 -PCOM1）。

资料链接可参考
avrdude：https://www.nongnu.org/avrdude/
Arduino IDE：https://www.arduino.cc/en/software

固件文件可在本项目文件库中下载：
https://make.quwj.com/project/434

32K 晶振

选择「简易」版本可跳过这一步。如果你使用的是 32k 晶体固件，则需要安装晶体以使固件发挥作用。

首先，你需要配置 ATMega328P 的内部内熔丝，以使用内部的 8Mhz 晶体。

先做这一步很重要，因为 32K 晶体将取代任何现有晶体。如果你不改变这些内熔丝，芯片会变得没有反应，直到你重新连接一个 8 或16Mhz 的振荡器。

据我所知，Arduino pro mini 也需要 ISP 来改变内熔丝（但我可能是错的）。我查找了 "Arduino ISP"，来获得正确的引脚映射，以便将 ISP 连接器与面包板对接。

在连接了我的 ISP programmer 后，可以用这个命令检查当前的内熔丝配置。

$ avrdude -patmega328p -cusbasp
...
avrdude: safemode: Fuses OK (E:FF, H:DE, L:E2)

L:E2 是我们想要的内部 8mhz 的设置。如果你的值不一样，可以用类似于这个的命令来更新它。

/usr/bin/avrdude -patmega328p -cusbasp -Ulfuse:w:0xE2:m

然后重新检查。
内熔丝设置完毕后，你就可以焊接晶体了。建议将晶体直接连接到微控制器引脚上，以减少杂散电容。太多的电容会使晶体需要更长的时间来开始振荡（或无法启动）。

第一步（可选）

请参考步骤 1、步骤 2或步骤 3 来选择设计的原理图。

1、可以在面包板上验证到目前为止的情况，只需将一个 LED/Resistor 从 D5 接地，然后上传固件。如果一切正常，LED 将每秒短暂地闪烁一次。
2、添加 EPaper 显示屏。显示器上的数据都不会是正确的，但它应该显示一些数据。
3、添加 PHT 模块，并验证它是否工作。
4、添加 GPS 模块。
如果测试正常，我们可以把所有东西转移到一个更“永久”的固定装置上。

组装线路板

你可以选择使用 perf 板，用 CNC 切割板子，或者送到工厂去定制。

Kicad 设计文件可以在 schematic/ 目录中找到。有三种硬件可供选择（都是从后面显示的，因为这是你手工布线的方式）。

我使用 CNC 来制作 ATMega328P 版本。如果你没有用 CNC 切割过 PCB 但又十分感兴趣，可以尝试在 google 引擎上搜索 "3018 PCB"，你会发现很多关于这个主题的视频和文章。

间隙设置 0.4 毫米，但你可以更窄（可能不会更宽）。我使用 Flatcam 将 Kicad 的 Gerber 输出转换为 G 代码。

资料链接可参考
Kicad：https://www.kicad.org/
Flatcam：http://flatcam.org/
schematic/: https://github.com/mattwach/epaper_clock/tree/main/schematic

设计外壳

外壳设计使用一个 3D 打印的支撑结构和两个 CNC 部件：一个顶盖和前面板。数控部件是用木头做的，它会比塑料看起来更漂亮。可在 OpenSCAD 中预先设计整个外壳。

采用 0.2 毫米的层高打印主要结构，大概花费五个多小时。

使用 OpenSCAD 的 "projection"功能，为顶盖和前板创建了2D DXF 文件。

我通常会使用一个名为 "Carbide Create"的免费程序，为数控机床制作 G 代码。但面板有一个 45 度的倒角，而Carbide Create是一个太基本的程序，不能很好地处理这个问题。所以我尝试了一个不同的程序，叫做"CamBam"，它的效果非常好。（CamBam 不是免费的，但可以免费使用 40 次）

资料链接可参考
case_design/：https://github.com/mattwach/epaper_clock/tree/main/case_design
OpenSCAD：https://openscad.org/
projection: https://en.wikibooks.org/wiki/OpenSCAD_User_Manual/Using_the_2D_Subsystem#3D_to_2D_Projection
Carbide Create: https://carbide3d.com/carbidecreate/
CamBam: http://www.cambam.info/

附录A：时钟漂移校正（可选）

32k/CPU 晶体不会是完美的。当 GPS 开启时，它会修正漂移。但是如果漂移不好或者你的 GPS 信号不好，你也可以在固件中应用一个校正。就需要构建代码，在 main.c 的顶部，有一些被注释掉的定义。

// Clock drift correction
// If your clock runs too fast or too slow, then you can enable these
//#define CORRECT_CLOCK_DRIFT
// number of seconds that a second should be added or removed
//#define CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT 1800
// define this if the clock is too slow, otherwise leave it commented out
//#define CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW

你可以取消对上面两个 #define 语句的加注，以启用校正。

如果你的时钟已经慢了，只需取消对 CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW 的注释；如果你的时钟太快了，就不要注释。唯一要做的是设置 CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT...

数学方法
大约一天后，查看时钟漂移了多少。例如，你等了 23 个小时。
如果这时你看到时钟慢了 10s，修正的算式为：
(3600×23)/10 = 8280秒，每次修正。

#define CORRECT_CLOCK_DRIFT
#define CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT 8280
#define CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW

其他方法
首先从 5000 数值开始尝试，并观察时钟仍然过快或过慢，再对其进行调整。还是太慢？试试 2500。太快了？试试 10000。做好记录，并反复调整到可以接受的数值。

附录B：便宜的 GPS 电源控制（关于 BS170 N-MOSFET）

回到前面 "便宜 GPS " 那一步，其中描述了关于电源控制电路，上面的电源切断电路被称为 "low side switch"。它的好处是比较容易理解，而且零件数量少，但还是会有一些设计上的问题。

GPS 的地线并不与 GND 相连，而是与 MOSFET 相连。这意味着从 GPS 到微控制器的 UART 信号会有 MOSFET 的压降加在上面（Vds），增加了噪声的敏感性，并可能造成的错误。

如果你的微控制器的输入被规定为 3.3V 为最大值，你就不会想使用这种设计（选择 ATMega328P 就没有这个限制）。
3.3V（上面的 EN 引脚）对每个 MOSFET 来说都不是一个很强的开启电压。UART 是一个数字信号，地线的差异并不大，也许它无论如何都会工作？我试过了，起初工作得很好，但随着时间的推移，我逐渐发现它并不可靠。为了了解原因，我们参考一下我最初选择的 BS170 作为我的 N-MOSFET 的特性曲线。

在 X 轴的 3.3V 时，我们将坐在图上的 3.0 和 4.0V 线之间。因此，也许我们会得到 100mA？也许足够？

万用表告诉我，GPS 消耗 40-60mA，但我认为这是一个平均值。根据 GPS 试图做什么，它只是需要比晶体管能够允许的更多的电流，因此 GPS 的地（MOSFET 漏极）电压会上升。这既造成了UART错误，又降低了 GPS 装置的整体电压，而 GPS 装置有时仍然可以工作，有时则进入复位循环。

一个解决方案是使用一个 "high side"电源电路，需要在上面增加一个 P-MOSFET 来实现这个目标。它消除了单独接地的问题，并提供一个完整的 5V（电池）栅极电压波动，这将使相关的 P-MOSFET 完全打开。

在 falstad 中的一个高边设计实例。

目前我已经购买了带有低端布线的 PCB，所以我次要解决方案是放弃 BS170，而用 FQP30N06L 代替。这种较高电流的 MOSFET（最大30A！）似乎严重过剩，但其曲线看起来要好得多。在 3.3V 电压下，大约有 10A 的电流余量，比 BS170 改进了 100 倍，现在应该足够了，而且很稳定。

N-MOSFET 的特性曲线：
https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mmbf170-d.pdf

falstad 中的一个高边设计实例。