ESP8266 VFD时钟 制作记录

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前言

笔者一直以来对辉光管、荧光管等充满年代感的显示器件非常感兴趣，然而，苦于水平有限，始终望而却步。 辉光管 荧光管 （图源：立创开源硬件平台）

数年以前，笔者用现成的套件制作过一个数码管时钟，聊以替代，然而它的显示效果毕竟还不够复古。 数码管

半年前，笔者在某宝发现了这样一款6位VFD模块，体积很小，SPI通信协议，集成了驱动电路，并且提供了详细的示例程序！于是头脑一热，果断入手。

AGC_20231208_235758725_compressed_1707984243011.jpg
点亮的效果果然很nice，但是从开发板上飞线连接不nice。于是又头脑一热，决定边学边做，设计一个专门的电路，做个时钟出来。既然都这样了何不当时就连显示器件驱动一块设计了

就是为了这点醋，我才包的这顿饺子。

功能构想

  • 网络对时
    • 主要是不熟悉RTC(实时时钟)。
    • 用笔者最熟悉的ESP8266或ESP32做MCU。
  • USB TYPE-C 供电
    • 主要是现在TYPE-C的线随处可得。
  • 一组按钮，用于更改工作模式以及调整设置等。
  • 自动调节亮度
    • 不必十分精确，因此只需光敏电阻即可
    • 刚好利用ESP8266或ESP32的ADC实现

硬件部分

电路设计

经过历时半个月断断续续反复修改后，终于画出了一版较为满意的原理图和PCB。（不是很敢相信立创EDA的自动布线，所以最后还是手动布线了。懒，所以不想铺铜了。）

综合考虑价格、性能、体积、加工难度、外围电路复杂度等方面，最终选用了ESP-12F。

同样考虑到焊接难度，选用了只有供电功能的2P TYPE-C。因此没有办法把USB转串口芯片安置在板子上了，只好引出一组排针，作程序烧录以及串口调试用。

后续发现VFD模块的输入电压应该是5V而不是3.3V，但是对于其正常工作并没有什么影响。 原理图 PCB 3D模型1 3D模型2

电路焊接

从嘉立创打的板子以及立创商城购买的元件到货以后，正式开工。 PCB到货

我本以为新买的调温焊台已经足够好用了，0805、SOP-123、SOT-89等封装的贴片元件已经足够好焊了，但是没想到实际操作起来还是很难办。 焊台

折腾了一顿以后，总算把元件都焊上去了。检查一番，利用助焊剂、刀片等“土法”处理完虚焊连锡等问题以后，不管好不好看，至少没有故障了。 成品-背面 成品-正面

软件部分

采用Arduino IDE编写。目前还没有写出一个尽善尽美的程序来，所以在这里只截取部分代码。

2024-03-03 程序基本完善了

2025-03-08 完整代码发布在Github，链接见附录

关于VFD屏幕显示的函数是由示例程序提供的，就不写在这里了。

连接WiFi

为了在不同的环境下不必在程序里修改配置，采用了WiFiManager库。在没有连接到已保存的WiFi时，ESP模组会开启热点，用移动设备或计算机连接该热点即可修改网络配置。 

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#include <WiFiManager.h>
void setup(){
	WiFiManager wifiManager;
	wifiManager.autoConnect("ESP-12F");
}

网络对时

没有用大部分文章经常采用的NTPClient库，而是用configTime函数实现。 

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const char *ntpServer = "ntp.ntsc.ac.cn";
const long gmtOffset_sec = 8 * 3600;
const int daylightOffset_sec = 0;
void setup(){
	configTime(gmtOffset_sec, daylightOffset_sec, ntpServer);
}
同步完时间后，只需要声明tm类型的结构体，然后getLocalTime(&结构体名)即可将当前时间信息存入结构体中。

网络获取天气信息

本打算采用心知天气API，用ArduinoJSON库解析天气信息，但是在运行一段时间后ESP模组会莫名其妙自动复位（大概是内存溢出了？）。只好放弃这个功能，回头再细细研究。

亮度调节

通过向VFD屏幕发送命令可以调节其亮度，该命令是一个16进制的两位数，即十进制的0-255，而ADC读取到的光敏电阻的模拟信号数值是0-1024。因此利用map函数映射就可以很方便的实现自动亮度调节。

虽然该模拟信号不是与环境光强线性相关的，但至少是正相关，实测亮度调节效果还是可以的。

另外，需要用Ticker库做一个定时中断，以使得亮度调节实时运行。 

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void setup(){
	ticker.attach(1, autoChangeLight);
}
void autoChangeLight(){
	lightValue = analogRead(analogInPin);
	lightCommand = map(lightValue,0,1024,0,255);
}
当然，设计的按钮也不能白白浪费了，于是又利用外部中断写了一个按钮改变亮度模式的功能。 
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volatile int lightMode;
void lightSetting(){
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(5), changeLightMode, FALLING);
  switch(lightMode){
    case 0:
    ticker.attach(1,autoChangeLight);
    VFD_clear();
    VFD_WriteStr(0,"auto");
    delay(1000);
    break;
    case 1:
    ticker.detach();
    lightCommand=0x40;
    VFD_clear();
    VFD_WriteStr(0,"111111");
    delay(1000);
    break;
    case 2:
    ticker.detach();
    lightCommand=0x80;
    VFD_clear();
    VFD_WriteStr(0,"222222");
    delay(1000);
    break;
    case 3:
    ticker.detach();
    lightCommand=0xc0;
    VFD_clear();
    VFD_WriteStr(0,"333333");
    delay(1000);
    break;
    case 4:
    ticker.detach();
    lightCommand=0xff;
    VFD_clear();
    VFD_WriteStr(0,"444444");
    delay(1000);
    break;
  }
}
IRAM_ATTR void changeLightMode(){
  lightMode++;
  if(lightMode>=5){
    lightMode=0;
  }
}
关于外部中断函数为什么要加IRAM_ATTR，参见这篇文章。

按钮改变工作模式

思路与改变亮度模式的部分类似，也是利用外部中断和switch语句实现。 

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volatile int mode;
void setup(){
	attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(0), changeMode, FALLING);
}
void loop(){
  switch(mode){
    case 0:
    printLocalTime();
    break;
    case 1:
    printCalendar();
    break;
    case 2:
    printTime();
    break;
    case 3:
    lightSetting();
    break;
    case 4:
    detachInterrupt(digitalPinToInterrupt(5));
    printAboutInfo();
    break;
  }
}

IRAM_ATTR void changeMode(){
  mode++;
  if(mode>=5){
    mode=0;
  }
}

结语

虽然最终程序还没有写得尽善尽美，但也算是初步完成了这样一个gadget。 成品-1

就是为了这点醋，我才包的这顿饺子。

从硬件设计到程序设计的全部流程都体验了一番，这顿饺子也算是没白包。

成品-3 这两个时间差这么多的原因大抵是后面那个时钟上的DS1307不够精确罢（迫真

成品-2 只可惜期末考试之前一直在画PCB导致绩点惨不忍睹（悲

附录

完

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