TamotoClock

传感题目-番茄钟项目设计报告

—— 基于 STM32F407 + FreeRTOS + LVGL 的嵌入式智能番茄钟系统

一、      项目概述

TamotoClock 是一款基于 STM32F407 微控制器的嵌入式智能番茄钟系统，集成了 FreeRTOS 实时操作系统、LVGL 图形库、FATFS 文件系统等多种中间件，实现了番茄工作法计时、环境温湿度监测、电池电量监控、历史数据统计等功能。项目采用分层架构设计，从底层硬件驱动到中间件层再到应用层，层次分明、职责清晰，具有良好的可维护性和可扩展性。

使用了一款电感得捷电子商城编号为F1C1- 201612- R10M,他是Signal Transformer 推出的 F1C1-2016 系列屏蔽表面贴装功率电感，采用高度仅 0.8 mm、1.0 mm 和 1.2 mm 的超薄设计，占板面积仅为 2.0 mm × 1.6 mm。该系列通过独特的铁粉合金 T-core 磁芯结构提升效率，在磁屏蔽下兼顾小尺寸、低直流电阻和高额定电流，适用于 DC/DC 转换器、手机、LCD 显示屏、电源模块及服务器中的电压调节模块等对空间和 EMI 敏感的高密度应用。

图表 1相关资料

本报告将从底层硬件驱动层、中间件层、应用层三个维度对该项目进行全面的技术分析，涵盖芯片选型、外设配置、任务调度、GUI 设计、数据持久化等关键技术点。

二、      底层硬件驱动层

2.1  主控芯片与时钟系统

项目采用 STM32F407 作为主控芯片，该芯片内置 Cortex-M4 内核，主频可达 168MHz，具备单周期乘法器和浮点运算单元（FPU），适合运行图形渲染等计算密集型任务。系统时钟通过外部高速晶振（HSE）经 PLL 倍频至 168MHz，时钟树配置为：AHB 时钟 168MHz，APB1 42MHz，APB2 84MHz，为各外设提供精确的时钟源。

2.2  外设驱动配置

项目基于 STM32 HAL 库驱动各类外设，主要包括以下几个方面：

2.3  LCD 屏幕驱动

显示屏幕分辨率为 320×240，采用 RGB565 16位色彩格式，通过 SPI 接口与主控通信，并配合 DMA 实现高效的帧缓冲传输。LCD 驱动层封装了基础绘图函数（画点、画线、填充等），为上层 LVGL 提供显示缓冲区接口。显示缓冲区配置为 10 行显示缓冲（320×10），在保证刷新率的同时兼顾了内存占用。

2.4  AHT20 温湿度传感器驱动

AHT20 通过 I2C 接口与主控通信，驱动层采用状态机设计，支持非阻塞操作，避免传感器采集过程中占用过多 CPU 时间。采样周期为 10 分钟，由 TIM13 定时触发，在保证数据实时性的同时降低了系统功耗。

2.5  接口设计

主要设计了多种存储方式，比如ERRPROM和NAND FLASH，保证可扩展性和作为独立开发板使用。

2.6方案框图项目设计思路

本系统以 STM32F407VET6（ARM Cortex-M4F，168MHz）为核心主控芯片，围绕其构建了存储、显示、交互和电源管理四大功能模块。

存储子系统 采用三级存储架构：NAND FLASH（MT29F4Gxx） 提供大容量非易失存储，用于存放系统程序和用户数据；SDIO 接口（128MB） 支持可插拔 SD 卡，便于数据导出与扩展；EEPROM（16Kb） 用于保存关键配置参数和校准数据，掉电不丢失。三者均通过 STM32 的片上外设接口与主控进行数据交互。

显示模块 选用 ST7789 LCD 驱动芯片，通过 SPI 接口与主控连接，驱动 TFT 彩色液晶屏实现图形化用户界面的输出显示。

人机交互模块包含按键和旋转编码器两种输入方式，用于菜单导航和参数调节，满足便携设备简洁高效的操控需求。同时预留UART1 串口和SWD调试接口,方便开发调试和数据通信。

电源管理模块支持USB 输入和电池双路供电，通过选择 LDO电路在两路电源之间自动切换，后级经 LDO1和LDO2两路低压差线性稳压器分别输出不同电压轨，为各功能模块提供稳定可靠的电源。

整体方案采用模块化设计思路，各功能子系统独立清晰、接口明确，兼顾了功能完整性、开发便利性和成本可控性。

2.7 原理图PCB展示

总览:

原理图电源部分:

用1uH电感和两个电容构成滤波器,隔离数字VCC和模拟VCC,选用磁珠隔离AGND和DGND.

原理图理想二极管部分:

使用如图所示的结构,可以当mos左边大于右边时,开始通过体二极管供电,之后右边有电压之后将左边pnp三极管拉低,使mos进入线性区达到导通效果.

原理图旋转编码器:

如果不想写软件滤波,可以选用RC低通滤波,可以有效吸收脉冲,但是这个元器件东西有点问题,向着一方转的话有时候会出问题,比如出现莫名其妙的尖峰脉冲,如果有这种情况朝着另一方转就不会出现这种情况.

原理图SD卡:

在设计SD卡时,要注意接上拉电阻,如果寄生电容较大,可以降低电阻提升结电容充点电流,减少充电速度.

原理图USB部分:

使用USB和电脑通讯,或者用CDC等的时候要注意,每次重新烧录程序的时候都要重新初始化USB,插拔一下USB,设计这样一个开关,就可以解决这个问题.

PCB总览:采用四层PCB绘制:

PCB顶面:

SD卡部分做了等长处理.对大块铜皮选择直接打过孔到地面.

PCB内电层:

注意到右上角有一根导线分割了这里的GND网络,让他从蜂鸣器的下面回流回去分割PGND

PCB内电层2:

通过这里也分割开5V(上面)和3V3(下面)来给相关部分供电.

PCB底层

可以看到走线都是在顶层和底层完成的,有参考平面.

三.中间件层

3.1  FreeRTOS 实时操作系统

项目采用 FreeRTOS 作为实时操作系统，实现了抢占式多任务调度。根据不同功能的实时性要求和优先级，系统创建了四个任务：

任务间通信采用 FreeRTOS 任务通知（Task Notification）机制，轻量级且高效。此外，系统还配置了一个 1 秒周期的软件定时器（encoder_timer），用于番茄钟倒计时功能。

3.2  LVGL 图形库

系统采用 LVGL v8.x 作为 GUI 框架，完成了显示驱动和输入设备的移植适配。显示驱动配置了 10 行显示缓冲区（320×10 像素），刷新回调函数通过 SPI+DMA 实现高效传输，确保界面流畅。GUI 界面使用 NXP GUI Guider 工具设计生成，包含主界面、菜单界面、番茄钟界面、设置界面和统计界面五个主要页面，支持自定义字体和图片资源。

3.3  FATFS 文件系统

FATFS 文件系统通过 SDIO 接口驱动 SD 卡，支持长文件名，用于存储番茄钟的历史统计数据。数据以二进制格式（data.bin）存储在 SD 卡上，确保断电后数据不丢失。

四、      应用层

4.1  GUI 界面设计

项目包含五个主要界面，各界面功能如下：

1.    主界面（screen_main）：显示数字时钟、日期、温湿度信息，提供导航按钮进入其他功能页面。

2.    菜单界面（screen_menu）：功能列表导航，支持在各功能模块间切换。

3.    番茄钟界面（screen_clock）：核心功能页，包含环形进度条倒计时显示、专注/休息状态指示、开始/暂停/重置按钮及电池电量显示。

4.    设置界面（screen_setting）：提供专注时间、休息时间、周期数、音量、亮度等参数的调节功能。

5.    统计界面（screen_statistic）：支持日/周/月三级数据切换，以柱状图形式展示历史专注数据。

4.2  番茄钟核心业务逻辑

番茄钟工作流程包含五个阶段：初始化设置参数（专注时长、休息时长、周期数）→ 进入专注阶段，环形进度条推进倒计时，显示“Focus” → 专注结束后进入休息阶段，显示“Rest” → 循环执行 N 个周期 → 全部完成后显示“Finished!”并记录数据。倒计时由软件定时器 encoder_timer 驱动，每秒更新一次界面显示。

4.3  数据统计与持久化

统计系统实现了日/周/月三级数据聚合，分别维护最近 16 天、16 周、16 个月的历史数据。数据结构采用环形队列设计，支持新数据入队和旧数据自动淘汰。所有数据通过 FATFS 文件系统以二进制格式存储在 SD 卡上，由专门的 SdFile Task 负责读写操作，避免文件 I/O 阻塞影响主任务的实时性。

五、  软件启动流程和关键代码调试

软件流程

系统启动流程按照以下顺序执行：

1.    HAL 库初始化（HAL_Init）和系统时钟配置（SystemClock_Config），将主频设置为 168MHz。

2.    外设初始化，按顺序启用 GPIO、DMA、SPI、TIM、FSMC、I2C、RTC、SDIO、FATFS、DAC、ADC 等外设。

3.    应用层初始化，包括 LVGL 初始化（lv_init）、显示驱动初始化（lv_port_disp_init）、输入设备初始化、GUI 界面初始化（setup_ui）及事件初始化（events_init）。

4.    FreeRTOS 初始化（MX_FREERTOS_Init），创建各任务和定时器。

5.    启动 ADC 中断并调用 osKernelStart() 启动任务调度器，系统正式进入多任务运行状态。

关键代码说明

这段代码主要改进了lvgl的画图方式,使用DMA+SPI搬运数据优化,使用st7789芯片手册的区域刷新,可以设定需要更新的范围,进而来提升帧率和刷新速度.

static void disp_flush(lv_disp_drv_t * disp_drv, const lv_area_t * area, lv_color_t * color_p)

{

    if(disp_flush_enabled) {

        /*The most simple case (but also the slowest) to put all pixels to the screen one-by-one*/

            uint16_t XS = area->x1;

    uint16_t XE = area->x2;

    uint16_t YS = area->y1;

    uint16_t YE = area->y2;

    /* 设置LCD显示窗口 */

           LCD_Address_Set(XS,YS,XE,YE);

    int width  = area->x2 - area->x1 + 1;

    int height = area->y2 - area->y1 + 1;

    static uint8_t dat[320 * 2];

    for(int j = 0; j < height; j++)

    {

        int idx = 0;

        for(int i = 0; i < width; i++)

        {

            uint16_t c = color_p[i].full;

            dat[idx++] = c >> 8;

            dat[idx++] = c & 0xFF;

        }

        HAL_SPI_Transmit_DMA(&hspi1, dat, 2 * width);

        while (hspi1.State != HAL_SPI_STATE_READY);

        color_p += width;

    }

    }

    /*IMPORTANT!!!

     *Inform the graphics library that you are ready with the flushing*/

    lv_disp_flush_ready(disp_drv);

}

六、      心得体会

PCB第一版问题:

第一版已经被我删了,所以没有图片可以放,他的问题主要是使用了一个8PIN的排线接口,那个排线接口非常的难焊接,而且容易掉下来,不是很稳固.而且当时处于快速验证阶段,有的芯片接线有问题,比如没有给NAND FLASH接BUSY接线,这样要保证他不出错,要等很久,因为没办法判断芯片状态所以需要设置更长的信号周期,来保证读写数据的正确性.

除此之外,第一版绘制没有完整地平面,稍微快速一点的信号会出现毛刺,不是特别好.

绘制的原件比较少,新版的PCB有充足的资源可以利用,方便学习.

PCB第二版问题:

第一是这个aht20的布局离LDO太近了。导致有问题,因为当时没想到LDO加热这么严重.

第二是这个第一次写这么复杂的代码，写的最后有点混乱。

第三是这个要保证有完整地平面和电源层，好多引脚没引出来这一点不太好，后面有待改进,不利于后续的改进工作.

功能展示

温湿度自动周期测量,时间日期显示:

定时器开始专注

页面可以设置很多参数:

设置Cycle定时的循环周期,Period一次多长时间,Rest休息多长时间,Counting down正计时还是倒计时.

Bright通过DAC使三极管变为压控恒流源,调节电压进行电流控制调节亮度.

Volume通过PWN占空比0-50%调节蜂鸣器的音量,这里要注意,无源蜂鸣器占空比不是越大越好.

Information页面可以看当前软件信息

Save保存数据到芯片.

选择数据显示.显示之前的数据,保存前480天数据.

七、总结

TamotoClock 项目是一个功能完整、设计精良的嵌入式番茄钟系统，充分展示了 STM32 嵌入式开发的综合能力。从底层的 HAL 外设驱动到中间件层的 FreeRTOS 多任务调度和 LVGL 图形渲染，再到应用层的番茄钟业务逻辑和数据统计功能，整个系统架构清晰、层次分明。项目在硬件资源有限的条件下，通过合理的任务分配、DMA 传输优化、状态机驱动等技术手段，实现了流畅的用户体验和可靠的数据存储， 可以低成本快速学习多种接口.,具有较高的工程参考价值。