多功能智能时钟的设计

　　谢志平（广东省技师学院，广东 惠州 516100）
　　摘  要：充分利用32位单片机内部强大资源，开发了一种将电子时钟、倒计时器、简易心率、天气预报、体温检测装置与蓝牙音响系统结合的电子设备。采用了高精度时钟芯片DS3231，能做到时间精准；采用了ESP8266Wi-Fi模块进行授时和天气预报功能；采用了专用血氧传感器芯片MAX30102，体积小，功耗低，能方便检测血氧与心率；利用无线串口HC-12模块实现了远距离无线遥控功能。经实际测试，达到了预期的各项功能。
　　关键词：单片机；高精度；Wi-Fi模块；无线遥控

　　1 关键核心技术

　　1.1 单片机部分

　　单片机为STM32主流型号，是一种高性能、低成本、低功耗的嵌入式单片机。整个系统分为主机和遥控器：主机采用LED全彩屏显示，遥控器采用OLED显示屏^[2]。LED显示屏可以采用市场上主流的P3、P2.5小间距高清LED显示屏，利用STM32单片机CPU速度优势，采用动态扫描技术，既节约电能，又能达到高清显示的目的。 整个系统结构如图1所示。

　　1.2 时钟芯片

　　时钟芯片采用了DS3231，该芯片是低成本、高精度I²C实时时钟（RTC），具有集成的温补晶振（TCXO）和晶体，在没有Wi-Fi授时时，正常温度工作范围内精度为±2×10^-6，走时非常精准，优于普通钟表，农历的算法和星期算法100年内零误差。
　　1.3 Wi-Fi授时与天气数据采集

　　Wi-Fi模块采用ESP8266。接收天气时间用arduino程序编写，arduino程序的示例做得好，容易快速上手，通 过ESP8266读天气及时间程序就是用arduino程序里的示例修改的。在其基础上增加字符串处理，把收到的网站数据重新整理成比较简单的字符串。由于是个人应用，所以参数需根据实际情况进行修改。如：在ESP8266例程里相应的位置将实际使用的Wi-Fi名改为test ，密码为123456789。模块就能自动连接到这个test了。
　　WiFi.mode(WIFI_STA);

　　WiFiMulti.addAP(“test”, “123456789”);

　　如果要查询指定地区的天气，利用免费开放的天气查询网站，在例程里相应的位置直接修改当地的地址。如要查询惠州地区的天气，则：http.begin(“http://www.webxml.com.cn/WebServices/WeatherWS.asmx/getWeather?theUserID=&theCityCode=惠州”)。
　　1.4 血氧饱和度与心率采集

　　身体细胞需要氧气来进行有氧呼吸。呼吸是细胞获得有用能量的关键方法之一。血氧饱和度是血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb)容量的百分比，即血液中血氧的浓度，它是呼吸循环的重要生理参数。
　　血氧传感器采用Maxim公司的MAX30102^[4]，是一种专为可穿戴设备设计开发的血氧饱和度和心率监测传感器，它是集光源、接收和滤波及数字化为一体。芯片功耗极低，采用了1.8 V内核供电，采用I2C标准通信，可用软件关断芯片，待机电流低至0.7 μA。芯片内集成的光源为660 nm的红光和880 nm的红外光，接收端为高灵敏度的光敏三极管，接收到的信号进行放大后可进行模拟滤波和数字滤波，然后将测得的数据存放到内部存储器中，供外部控制器读取。电路见图2。

　　内部LED通信是通过一个标准的I2C兼容接口，该模块可以通过软件在零待机电流的情况下关闭，使电源导轨始终处于通电状态。
　　脉冲血氧仪需要两种不同的波长来执行测量。MAX30102集成了红色和红外 LED 驱动器，可调制血氧饱和度(SPO2)和心率(HR)测量的 LED 脉冲。LED 电流可在适当的电源电压下从0~50 mA进行编程。LED 脉冲宽度可编程为69~411 μs，使算法能够根据使用情况优化血氧饱和度(SPO2)和心率(HR)的精度和功耗。图3为实物图。

　　数据的读取方法：设置一个串行通信_周期任务函数，当 USB 缓冲区中存在数据时，此函数会分析数据，并在是有效的命令时执行。
　　串行通信_周期任务函数不断检查g_recv_size 标志。当此标志的值不是0时，这意味着在USB 缓冲区上从单片机接收了一些数据。此信息将复制到主应用程序 InBuffer，并且接收的数据数量将复制到 InSize。之后， g_recv_size 设置为 0，指示数据已读取。当 InSize 的值不是 0 时，数据已收到，并且检查它是否与通信协议数据兼容。数据读取流程图如图4。

　　1.5 无线遥控

　　为能手动远程控制，考虑距离和抗干扰能力，遥控器采用了HC-12无线串口通信模块，该模块工作在433.4~473 MHz，可以设置多个频道，步进为400 kHz。模块最大发射功率为100 MW，5 kbit/s，空中波特率下接收灵敏度为-116 dBm，开阔地1 000 m的通信距离。模块与单片机的连接见图5。

　　HC-12 模块共有四种工作模式，考虑实际使用时，遥控器数据量小，正常使用时距离也比较近，故采用FU2 模式。此模式为省电模式，此时模块的空闲工作电流为 80 μA 左右。只适用传输少量数据（每个数据包在 20 个字节以内），数据包发送时间间隔不能太短（最好在 2 s以上），否则会造成数据丢失。AT 指令用来设置模块的参数和切换模块的功能，设置后需退出设置状态才生效。方法为：正常使用（已经上电）中，把 第 5 引脚“SET”置低电平，利用串口调试助手，发送AT+FU2回车。串口调试助手返回OK+FU2。此模式下不能设置成其它串口波特率。FU2 模式下，参数和功能的修改，掉电不会丢失。指令格式见表1。

　　由于 HC-12 模块的无线接收灵敏度比较高，当串口波特率大于 9.6 kbit/s 时，必须要错开 5 个相邻频道来使用。当串口波特率不大于 9.6 kbit/s 时，如果短距离（10 m以内）通信，也需要错开 5 个相邻频道使用。
　　设置好串口相关工作模式后，程序配置好初始化（波特率和串口控制字等）。然后只要将发送的数据送入发送函数即可。例如：发送0x99。即：UART_Send_Byte(0x99)；发送函数为：

　　void UART_Send_Byte(unsigned char mydata)

 　　{ 

　　ES=0;//关串口中断 

　　TI=0;//串口中断标志置0 

　　SBUF=mydata;//将发送的数据送入SBUF 

　　while(!TI);//等待发送完成 

　　TI=0;//清发送中断标志 

　　ES=1;//打开中断 

　　}

　　2 系统测试

　　系统显示采用了LED屏幕。LED屏采用了局部刷新算法，响应速度快，程序功能优化，效率较高。并且视觉效果很好，支持运行动画效果、显示图片等。操作按键算法采用非延迟消抖，提高了单片机工作效率，使用STM32F0单片机HAL库[5]里的SysTick时钟检查时长实现消抖，定时器高速采样，响应快，对程序运行速度影响小，支持多种按键事件的响应，实现了数据操作、界面设置等诸多人性化功能。程序里设置为每天连接一次Wi-Fi信号，对时钟芯片进行授时。经过半年的运行，完全能与北京时间完全一致。蓝牙模块采用集成的模块，接通电源后就可以与手机蓝牙进行配对，成功后就可以获取手机内的音乐信息，使智能时钟有了相应的娱乐功能，使智能时钟的应用更加广泛。遥控器的操作在正常工作和生活环境里均能可靠地对主机进行设置，使用效果良好。
　　3 结语

　　普通的电子时钟功能单一，走时不够精准，利用32位单片机丰富的硬件与软件资源，将普通的电子钟功能进行扩展，实现了诸多人性化的功能，方便了人们的生活，在性价比方面具有较大的优优势，具有一定的市场。
　　参考文献

　　[1] 屈微, 王志良. STM32单片机应用基础与项目实践-微课版[M].北京:清华大学出版社,2019:100-201.
　　[2] 刘正翔.基于STM32的OLED显示屏接口设计[J].电子技术与软件工程, 2017(19):65.
　　[3] 白鹏飞.基于MAX30102的穿戴式血氧饱和度检测系统[J].激光与红外, 2017(10):1277-1279

　　[4] 高显生.STM32F0实战:基于HAL库开发[M]. 北 京: 机械工业出版社,2018:98-104.
　　[5] 李立春,刘卓.基于ARM Cortex-M3的SysTick解 析[J].吉林化工学院学报, 2015，32(1):37-38.

　　本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第02期第81页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。