esp8266校准时间的原理（ESPx网络点阵时钟入坑指南）
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本内容来源于@什么值得买APP｜作者：starcly
创作立场声明：1.PO主不是专业人士，只有一点点计算机基础，一些技术操作可能有误，毕竟张大妈藏龙卧虎，有班门弄斧之嫌望，请不吝指正；2.文中涉及的软硬件有参考网上多篇帖子，但不是纯粹抄袭，衷心感谢原作者；3.我愿全部开源与大家分享，但不允许有人将其用于盈利或者非法用途。原创不易，转发注明，切勿洗稿。
ESPx_CLOCK
每天能利用的只有神兽午睡的时间，通过一点点学习，一点点填坑，做了这个“基于ESP8266的网络点阵时钟”。现在回头整理相关资料，尽可能详细地与大家分享，望轻喷。 资料后附，服务三无，先上效果：
先来个张大妈
时间
日期
温度
环境光线感应
PART_0_神坑警告
在此奉劝蠢蠢欲动的手残星人，DIY有风险，入坑需谨慎！风险大于等于以下几点：
- 把你带进坑，我跑了；
- 花时间，花钱，费发际线，啥都做不出来；
- 需要使用工具，可能会造成意外的人身伤害，如：工具割伤，烙铁烫伤，焊料中毒等；
- 错误的设计、操作可能会带来其他意想不到的后果。
PART_1_思路和设计
没被劝退的都是条汉子。
一、 思路
我坚信，思路指引方向，我在做这个小玩意儿过程中，一直都是坚持以下几点原则的：
- 容易：易于获取材料，易于制作，易于成功；
- 廉价：尽量不搞高大上，材料选择尽量便宜的，手头有的一些元件尽量利用起来；
- 实用：做了最终能用、好用。
二、 方案
看了一天，确定了最基本的需求：即能通过SNTP进行网络校时，显示在屏幕上，其他一些附带功能就算送吧，需求勾勒出大概的框图如下：
功能框图
整个系统输入电源、按钮信息、光线亮度信息和WiFi，输出信息到屏幕上和蜂鸣器上。
实际上，由于ESP8266和点阵屏的特性，这个系统并不仅可以用于显示时间，还能通过WiFi取得想要的各类信息，并显示出来，如：天气？股票点数？比特币价格？CPU温度监控？更进一步可以通过ESP8266芯片和服务器进行交互，把数据传送到其他终端上。这些都只要通过修改程序就可以做到。
真，开放题。
三、 设计
接着细化一下，下面列出的是我经过3次尝试最终确定的方案，前面两次的坑我已经用脑子里的水填上了：
- 主控制器：用ESP8266模组，价格便宜，性能强悍，直接搞定主控和WiFi两个问题。现在除了官方给的固件，还能跑Arduino、Lua和MicroPython等框架，我们这次就用Arduino框架；唯一不足就是引脚太少了，但这个不影响我们的项目；
- RTC时钟：DS3231芯片，精度高、内置晶振、简单好用，除了贵就是棒；
- 显示：直接采用成品MAX7219 8*8点阵模块，我也考虑过自己做，但是PCB布局很困难，最终还是要两层结构，那倒不如买成品，省去了很大一堆烦恼；
- 电源：MICRO USB 5V输入，板上稳压到3.3V；
- 其他：蜂鸣器、光感、按钮等配套设备。
三代PCB设计同堂，从上往下分别是1、2、3，打码的地方是嘉立创的客户编码，看到一点点进步了没？
三代PCB同堂
我前面趟的坑可以总结出以下几点经验：
- ESP8266模组同时用作主控和WiFi芯片是OK的，DS3231模组太大大大，要用芯片自己搭建；
- 成品显示模块是OK的，就是固定孔位有点麻烦，点两次都不太准。另外显示模块直接用5V供电，可以亮一点；
- 因为用了点阵模块和ESP8266，所以整机功耗不低，单节锂电池（尝试过18650，还是容量型）续航捉鸡，意义不大；
- 有些LDO（低压差线性稳压）是骗子，压差根本不低；
- 配套设备要注意型号尺寸问题，我为此还买了把卡尺量元件大小。
最终我设计的时钟是这样的一个结构，由于是后期整理的，我直接上成品图来示意。
整体结构1
整体结构2，分两层
打了箭头的都好理解，就红框部分是空着的，原因有二：一是制造PCB的工厂有优惠，10cm以内才能享受，我现在控制到了9.6cm；二是如果要装进壳子，这里可以放一个锂电池充放电模块。
PART_2_准备工作
赴坑前，必要的材料如下，材料丰俭由人，工具自己用着顺手就好：
一、 物料和耗材
物料和耗材主要就是一些电子元件，绝大部分来自X宝，电子元件单价非常便宜，最好还是在一家店买齐，要不运费不划算：
1.ESP-12F模组，其实就是安信可公司（或其他公司）拿乐鑫公司的ESP8266芯片，进行二次封装的产品，安信可的会稍贵一点，我买的是DOIT的。关键字：ESP-12F。
DOIT ESP-12F
不是我手抖，便宜货的工艺就这样，看见那毛刺了没……
2.DS3231芯片，美信公司的高精度时钟芯片，自带温度补偿，准！关键字：DS3231。
3.MAX7219 LED 8*8点阵屏幕模块，大家都差不多，但是要注意孔位。关键字：MAX7219 点阵。
4.SPX3819 LDO稳压芯片，低压差线性稳压芯片（LDO），压差低，可以用电池供电。关键字：SPX3819。
5.MICRO USB母座，就是一个USB插座。关键字：MICRO USB母。
6.CR2032电池和电池座，纽扣电池。关键字：CR2032、CR2032电池座。
7.拨动开关，这个其实不是必须的，毕竟钟不太关，有的话烧程序时候方便点。关键字：12D07拨动开关。
8.轻触开关，微动开关。关键字：微动开关、轻触开关 三脚。
9.12085无源蜂鸣器，无源蜂鸣器可以根据PWM频率发出不同的声音。关键字：无源蜂鸣器。
10.GL5539光敏电阻，会随着光线强弱变化，改变电阻阻值，用来检测环境亮度。关键字：光敏电阻。
11.0805贴片电容、0805贴片电阻、SS14二极管，小小的电容电阻，这个大小还能手工焊接，再小真的难，具体值看原理图。关键字：贴片电阻、贴片电容、0805、SS14。
12.排针、排母，用来做插接件。关键字：排针、排母。
13.M3铜柱、螺丝、螺母，五金连接件。关键字：铜柱、螺丝、螺母。
14.焊锡及助焊剂，很便宜的耗材，但好一点的焊锡和助焊剂会让整个焊接过程好办很多，含铅焊锡熔点低好用但污染大，无铅的环保但熔点高难用。关键字：焊锡丝、助焊剂。
15.洗板水，焊接好之后把板子洗干净的有机溶剂，我用了无水酒精。关键字：洗板水。
二、 软硬件工具
需要用到的工具List：
1.电脑，系统随意，但要确保有USB转TTL模块的驱动；
2.USB转TTL模块，用于烧录程序；
CP2102模块
3.电烙铁，焊接工具，我用的是传说中的“鲍鱼白光”；
4.镊子，焊接辅助工具，毕竟贴片电阻太小了，镊子帮我们夹住元件；
5.旧牙刷，用来洗焊接好的板子，刷刷刷。
需要用到的软件其实就三个：
1.EDA工具使用立创EDA。
这个是国产的、基于HTML的、简单易用的EDA工具，自带了非常全面和开放的封装库，对小白非！常！友！好！【鬼话警告】。
立创EDA
由于是基于Web的，不用安装，只要浏览器打开，注册账号就行。但是有一点问题：画布放大到很大时候，拖动会卡，反正我的Surface Pro 6（i5-8350U）是跑不动的，因为我的古董台式机可以跑（i3-530），所以感觉更像是优化问题。
2.编程使用PlatformIO。
照理说Arduino IDE作用一样，但是我不喜欢……
【吐槽张大妈编辑器，插不进链接还甩锅给网络】，请自行搜索VSCode。
VSCode是PlatformIO的运行环境；PlatformIO可以在VSCode的插件模块直接安装，好用！推荐！
PIO
我的电脑已经安装了，“安装”就变成了 “卸载”，正常情况下点击“安装”就行，非常简单。因为这个插件基于Python，所以安装时会自动安装Python，略慢。
3.其他还需要USB转TTL模块的驱动。
这个取决于模块的芯片，推荐CP2102和CH340，其他差的差贵的贵。Windows10环境下，插上系统自动安装驱动，不愁。
PART_3_构建血肉——硬件
毫无疑问，看到这里的都已经是勇士了……
一、 PCB
首先你需要一张PCB。整个过程大概就是：画原理图——画/选择元件封装——原理图转PCB——布线——导出Gerber文件——做成PCB。实际上没多难，就是鼠标拖一些元件，给他们连上线，这个确实是最简单的EDA工具了，系统也给了很详细的操作手册。
因为是他们自己家的，比X宝便宜点。
书
回过来~PCB的原理如下，我大概解释一下：
原理图
- 电源是Micro USB接口接入的5V，可以使用手机充电器、充电宝供电，并联一个排针，用于外接供电，如装进壳子里用电池供电。电源经过开关，接入SPX3819 LDO稳压到3.3V，由于SPX3819压差足够低，电池供电也没啥大问题，这里需要配套一些电容，具体电路可以参考SPX3819DataSheet给的典型应用电路。
- 主控用的是ESP8266，需要一些外围电路，如：上拉下拉电阻，这个可以参考安信可官方网站给出的DataSheet。
- DS3231模块的外围电路非常简单，只需一个备用电源，我在这里用了一颗CR2032，通过电池座焊在PCB上。
- 光敏电阻通过下面的限流电阻，接入ADC用于感知外界光线亮度变化。
- 蜂鸣器这里使用的是无源蜂鸣器，相对有源蜂鸣器通电就响会麻烦一点，用了一个S8550三极管做开关，为了让声音不那么大，我还是给他接了3.3V电压驱动，喜欢声音洪亮的接5V即可。
- 轻触开关接的是GPIO0，这个IO同时是ESP8266的烧录模式入口，这样这个开关就可以同时起到运行时切换，启动时按住烧录两种功能。
- 剩下三个是排针排母接口，TTL用于烧录，LED MATRIX引出SPI接口匹配MAX7219点阵屏，OUT是我没用到的GPIO16接口，我把他单独引出，还加了GND和VCC，用于扩展一些外设，目前并没用到。
把前面的原理图转换成PCB，调整位置和封装，经过布线，就可以画出PCB来，这个PCB是经过前面两次失败的经验总结起来的成果，凝聚了我海量无知的泪水：
PCB
一通操作后，可以让系统导出一个Gerber文件，所谓Gerber文件就是把电路板的信息，按层打包在一个压缩包里，通过一些软件，可以更加直观地看到PCB的模样。
导出一个Gerber
有了Gerber文件，我们可以制造成PCB了。
2020年了，现在是讲究产业链的时代，我不建议在家自己腐蚀PCB，因为自己做一不环保，废水难以处理；二工艺太差，工业生产的品质和工艺是吊打手工操作的。
我的PCB是在嘉立创做的，因为他们家有一个非常强劲的活动：用他们的电脑版下单助手下单，PCB尺寸在10cm*10cm以内，普通工艺，5张板只要5元！还顺丰包邮！
妙啊~
也正是因为这个原因，你可以看到我做的PCB没有跟点阵屏幕一样长，因为我要控制在10cm*10cm以内。【再次吐槽张大妈编辑器，为什么我word贴进来就变成了250px？？？】
当然也可以在他们的网站下单，同样要求，20块包邮。疫情期间5元特价活动暂停过一段时间，我的PCB就是那会儿20块做的，你要是查一下以前做个PCB多少钱的话，会觉得20块并不贵。
在PC下单助手里上传Gerber文件
把前面的Gerber文件，在系统里面上传，然后设置一些工艺参数，填上地址，付款，就跟网上买东西一样方便，然后就休息一两天，等快递吧。
二、 焊接组装
由于我打样时工厂才刚刚复工，耐心等待……
顺丰小哥终于把PCB给我送来了：
优秀的包装
真空包装，还有干燥剂
PCB
放在平时就是5块钱包邮的，这包装，这工艺，还是良心吧。拿出来先比划一下，孔位OK【请无视纸巾】：
比划一下
接着电烙铁操作起来，焊好，我少焊了两个电容，那个型号一时半会儿没找到，先空着了，基本不影响使用。焊好用酒精、牙刷洗刷刷：
焊好、洗好了
正常操作里面洗板水更加好用，我没有，但是有无水酒精，一样可以洗板子，注意是无水酒精，医用酒精酒精含量只有75%，含水！不能用！
另外强调一下，焊锡和助焊剂的烟雾和洗板水的挥发性成分都有毒，请在通风的地方操作。细心的可能看出来背景有点不一样，上图那是我的鼠标垫，然后焊的时候不小心烙铁那么一抖，一个洞……所以看好你们的小手……
Part_4_注入灵魂——程序
壮士！先干了这碗！
OK~前面已经提到了，我们的时钟程序是基于Arduino开发的，ESP8266本身官方并没有支持Arduino，它的Arduino框架是第三方提供的。
一、 编写和抄袭程序
申明一下：我这里的代码有抄各种开源项目的~
先用我们的开发工具——PlatformIO，新建一个项目：
PIO新建
PIO新建
点击Finish之后，PlatformIO会自动安装对应的板子、框架，并帮你搭建好Arduino程序的基本框架。
需要修改的2个文件
只需要把main.cpp和platformio.ini这两个文件照抄我提供的程序，更懒一点的话可以复制文件替换掉。因为我的项目文件夹里面有其他子项目的代码，我又没有完全整理好，所以我就不用Git之类的办法开源给大家了。特别说明下，我这程序比较简单，就是做了时钟功能，闹钟硬件已经有，软件没启用。
这里一个问题：由于一些奇奇怪怪的网络问题， ， u8g2这个库大家是很难直接从PlatformIO下载和安装好的。没关系，给他手工操作一波，把库文件下载解压，u8g2lib文件夹放到lib文件夹里面就行了。这里注意层级，不要多层文件夹嵌套，具体操作README里面已经写得很清楚了。
u8g2lib
好了，程序抄完了，点一下下面那个钩，编译代码，一般情况下会滚一段时间的代码，最后没报错就是一切OK~
编译成功
二、 烧录
把USB转TTL模块和时钟PCB接好：
接线注意
GND好理解，接地；注意TXD和RXD是交叉连接的，交叉！交叉！交叉！我为了方便，把TTL引脚焊到了背后，这样在插着屏幕时候也能比较容易插拔线：
TTL我焊在背后了
接好线后准备动作：
- 给板子插上电源，关闭开关；
- 把USB转TTL模块插上USB接口；
- 左手按住板子上的轻触开关，右手点一下上传。
上传固件
这时候系统就开始检测板子的连接情况了，注意观察终端的输出，看到Connecting........_____.....时候，就是系统在等待连接了，这时候打开板子的开关（就是上电）：
好了，开始烧代码了，进度会刷新百分比。看到[SUCCESS]就烧录完成了。这里提示一下，有可能没到100他就失败了，多半是因为TTL信号完整性的问题，我也碰到过几次，我猜测有两个原因，一是我的板子设计或者焊接有问题;二是usb转TTL模块本身或者杜邦线质量问题。多次尝试吧，没问题的。
拔掉各种线，关掉板子电源开关。
然后开机就可以使用了，第一次使用会按程序进入校时：
出现这个时候就是在等待配网
然后用手机进行配网：
选择这个SSID
这个
选择你要连接的WiFi，下面输入密码
这就好了
搞定。
Part_5_其他
一、 缺憾和改进
留下的缺憾还是有好几个：
1.没有外壳。
其实做外壳的办法有好多种，最方便的还是3D打印，有的话打印一个外壳还是不错的。
2.还是需要外接供电。
这个我预留了接口，目前这个造型下，软包锂电池和21700锂电池都是不错的选项，一起把它做进外壳里面，但是需要外置充放电模块。
3.PCB还是画错了一笔。
线太粗了
这条导线我画的太粗了，把USB的两个脚连起来了——应该是不小心手抖。因为我们USB不传数据，所以不影响使用，但在某些特殊的数据线下面，可能会无法供电。我分享的PCB已经修复这个问题。
4.程序还是随便写写的，闹钟硬件已经有，软件没启用。
还好，我还有个写代码的朋友【写代码的也有朋友？】，他在我的程序上面修修补补，做了闹钟、农历、滚动之类的各种功能。
毕竟他还没女朋友……就不催他合并代码了吧。
二、 分享资料
因为我的项目里面还有其他子项目的资料，我又懒得理，所以我就抽取了有关联的，还是通过百度网盘吧：（请点击扩展链接前往相关页面获取）
提取码: k8yw
如果资源有问题，请反映给我，谢谢~
我哪天想到了的话，我会把代码更新下的~
三、 新坑
疫情期间其实主要精力在搞这个，基于ESP32的平衡车……
原型已经可以站起来了
然后自己打板子
还在调试，现在复工了，坑有空再填。
