内容介绍

一、项目介绍

活动项目是基于MCXN236的官方开发板搭配7寸彩屏SSD1963、0.96寸彩屏ST7735S、温湿度传感器SHT31、MicroSD卡、按键等实现的温湿度时钟。下面介绍分别介绍各部分。

1、MCXN236开发板

mcxn236是由NXP推出的通用高性能MCU，搭载Cortex-M33内核，主频高达150MHz，集成1MiB的Flash、352KiB的ECC RAM。板卡自带调试器，并附有串口桥接功能。

2、7寸彩屏SSD1963

此项目设计之初由于是演示项目，并未考虑加入7寸屏。后在开发过程中，发现NXP官方对SSD1963进行了支持，所以加入此屏幕，让这个演示项目与实际项目的距离更近一步。SSD1963采用FlexIO驱动，为了兼容MCXN236开发板，制作了一个转接板，加入外部供电TypeC口，防止供电不足导致的板卡运行不稳定。

3、0.96寸彩屏

考虑到mikroBUS扩展卡的大小，使用0.96寸彩屏可以兼顾显示效果与整体美观。ST7735S采用SPI接口驱动。

4、mikroBUS扩展板

此扩展板板载SHT31温湿度传感器与MicroSD卡卡槽。SHT31由IIC接口驱动，温度精度可达±0.2℃，湿度精度可达±2%RH，体积小巧，搭配mikroBUS正好；MicroSD卡由SPI接口驱动（与ST7735S共用），此设计使用的是一款16GB的SDHC卡。

二、设计思路

1、项目功能设计思路

本项目最初以任务一为目标，完成一套电子时钟系统，实现时间显示与时间设置功能。

项目初期，按照基础任务要求，结合手头有的模块，选用0.96寸彩屏作为显示设备。先是通过排线连接开发板进行调试，结合板载的按键，实现了任务要求的基本功能，但排线数量一多，显得很杂乱，而且很不稳定，经常接触不良或者短路。

突然想到，可以结合任务三，设计一款扩展卡。开发板板载按键数量少、位置分散，且整个任务只是显示个时间，感觉比较单一。因此设计制作了mikroBUS接口的扩展板，板载0.96寸彩屏接口、SHT31 温湿度传感器、MicroSD卡槽以及三个按键，在原有时钟功能基础上增加温湿度采集显示，完善系统外设资源。

扩展板调试完成后，感觉0.96寸屏幕显示尺寸较小，无法同时显示时间与温湿度。再加上查看官方例程的时候，发现已适配SSD1963，就考虑使用7寸彩屏作为显示设备，7寸屏幕接口与主控板接口不兼容，设计并制作屏幕转接板，7寸屏功耗较高，所以同时加上Type-C 外置独立供电结构，保证板卡稳定运行。

2、软件功能设计思路

由于做了扩展卡，外设比较多，但软件功能设计上想把所有的外设都用上。

首先针对显示功能进行设计：7寸屏作为主显示界面，使用大字体展示时间信息，保证时间显示清晰，同时同步显示环境温度与湿度数据。0.96寸小型彩屏作为辅助显示设备，只显示温湿度数据。

三个按键主要用于系统人机交互，承担时间调节功能，可对时、分、秒进行手动修改并写入RTC。

SHT31温湿度传感器没什么好说的，就采集温湿度信息。

MicroSD的功能是比较难设计的，开始是在屏幕上显示SD卡的容量信息，但感觉偏离了主题。后来在屏幕字体调试过程中发现，大字体字模体积很大，修改字体查看效果每次都需要重新编译烧录。想到可以通过SD卡+FatFs，使用电脑直接将字模文件存储进去，可以自由的选择不同字体。由于时间关系，项目决定只在SD卡内置两套字体，仅通过按键切换演示。

三、硬件设计

1、mikroBUS扩展板

原理图：

原理图比较简单，左上图是连接mikroBUS两侧IO的排针；右上是0.96寸彩屏接口（也可以接0.96寸OLED）、MicroSD卡槽，！！！注意这里有一个问题！！！，SPI的MOSI与MISO反了，但是MCXN236支持交换收发引脚，软件上没问题，所以也没再做新板；中间是三个按键，加了104电容滤波，可以不加消抖直接使用（测试程序，正式研发还是建议加上消抖）；最下面是SHT31的电路，由于IO口不足，ALERT引脚悬空未使用，R3、R4空焊，板卡上已经内置上拉电阻。剩下的为滤波电容。

PCB：

左侧为顶层，右侧为底层。

3D效果图

右侧是底面，与板卡上的排母连接；左侧是正面，提供显示、按键等功能。

2、并口彩屏转接板

彩屏转接板只是做了pin脚位置的转换，增加了独立5V供电电路，两边的功能定义完全一致。这里没有把触摸连上，开发板上给的是IIC的电容触摸IO，而彩屏是类SPI的串行电阻屏。

四、软件设计

1、程序框图

结合程序框图，下面介绍程序整体运行流程，顺便也把功能介绍一下。

系统上电后，先完成内部外设、硬件外设以及全局变量的初始化，再初始化FatFs文件系统与毫秒（将SysTick设置为1毫秒的定时器）定时器。初始化结束后进入主轮询循环。

程序包含两种工作模式：正常显示模式与时间设置模式。正常显示模式下，温湿度、时间实时刷新；时间设置模式下，暂停温湿度采集与时间走时，等待用户修改时间。

主循环每次执行1ms阻塞延时，避免外设频繁操作，该延时不影响项目的正常运行。循环分为两大模块：第一模块首先会进行100ms的定时检测，判断距离上次检测是否达到100ms，未达到则继续等待；达到100ms后判断当前工作模式，

若为正常显示模式，则在7寸彩屏上显示RTC时间与温湿度，0.96寸彩屏显示温湿度，串口向上位机发送RTC日期、时间以及温湿度数据。若为时间设置模式，则直接退出到主循环，不刷新显示。

第二模块为按键检测，每1ms执行一次。首先判断按下哪个键：①中间按键按下，判断当前模式，若为正常显示模式，切换至时间设置模式；若为时间设置模式，则判断光标位置，光标到达最后一位，切换回正常显示模式，未到末尾，则移动光标至下一个时间字段，回到按键判断流程。②如果按下上键或下键，同样先判断当前工作模式，若为正常显示模式，则切换MicroSD卡内存储的字体；若为时间设置模式，修改光标指向的时间字段数值（上键+1，下键-1），修改完成后返回主循环，等待下一次操作。

2、关键代码介绍

        static void LCD_DrawSelect(uint8_t index);
        static void AdjustTime(irtc_datetime_t *dateTime, uint8_t index, uint8_t addFlag);
        static void LCD_DrawHMS(uint8_t hms, uint8_t n);
        
        volatile uint32_t systemMsTick = 0;
        static uint8_t cursorIndex = 0;

业务代码的子函数与全局变量

① cursorIndex存储光标位置与模式信息，取值范围是0~6，0代表正常显示模式，1代表当前修改光标指向小时的十位，2代表当前的修改光标指向小时的个位，以此类推，3、4负责修改分钟，5、6负责修改秒。cursorIndex从0~6不断循环，光标位置也随着改变。

② LCD_DrawSelect，作用是显示当前光标位置，其代码如下：

static uint16_t LCD_GetSelectXStart(uint8_t index)
{
    if (index)
    {
        if (index >= 5) {
            index += 2;
        } else if (index >= 3) {
            index += 1;
        }
        index--;
        return 16 + index * 96;
    }
    return 0;
}

static void LCD_DrawSelect(uint8_t index)
{
    static uint8_t lastIndex = 0;
    
    if (index != lastIndex)
    {
        if (lastIndex)
        {
            uint16_t x = LCD_GetSelectXStart(lastIndex);
            SSD1963_DrawRectangle(x, 200, x + 95, 295, 0);
        }
        if (index)
        {
            uint16_t x = LCD_GetSelectXStart(index);
            SSD1963_DrawChar(FONT_TYPE_96x96, x, 200, FONT_SIGN_UP, COLOR_RED, COLOR_BLACK);
        }
        
        lastIndex = index;
    }
}

首先判断当前的光标状态与要修改的光标状态是否一致，一致的话不做任何操作，不一致的话，首先清除当前的光标，再画要修改的光标。其位置信息由LCD_GetSelectXStart函数计算，Y坐标统一固定值，无需计算。

③ AdjustTime，作用是根据光标以及按键的状态，修改时间（时分秒），其代码如下：

static void AdjustTime(irtc_datetime_t *dateTime, uint8_t index, uint8_t addFlag)
{
    uint8_t h1 = dateTime->hour / 10;
    uint8_t h0 = dateTime->hour % 10;
    uint8_t m1 = dateTime->minute / 10;
    uint8_t m0 = dateTime->minute % 10;
    uint8_t s1 = dateTime->second / 10;
    uint8_t s0 = dateTime->second % 10;
    
    switch (index)
    {
        case 1: h1 = (h1 + (addFlag ? 1 : 2)) % 3;
            if ((h1 == 2) && (h0 > 3)) { h0 = 3; }
            break;
        case 2: h0 = (h1 == 2) ? ((h0 + (addFlag ? 1 : 3)) % 4)
                               : ((h0 + (addFlag ? 1 : 9)) % 10);
            break;
        case 3: m1 = (m1 + (addFlag ? 1 : 5)) % 6;  break;
        case 4: m0 = (m0 + (addFlag ? 1 : 9)) % 10; break;
        case 5: s1 = (s1 + (addFlag ? 1 : 5)) % 6;  break;
        case 6: s0 = (s0 + (addFlag ? 1 : 9)) % 10; break;
    }
    
    dateTime->hour   = h1 * 10 + h0;
    dateTime->minute = m1 * 10 + m0;
    dateTime->second = s1 * 10 + s0;
    
    if (index >= 5) {
        LCD_DrawHMS(2, dateTime->second);
    } else if (index >= 3) {
        LCD_DrawHMS(1, dateTime->minute);
    } else {
        LCD_DrawHMS(0, dateTime->hour);
    }
}

由于修改光标可以单独修改每个时间单位的十位、个位，这里先把他们的十位、个位提取出来，再根据index（修改光标的位置）的值以及addFlag（1代表+1，0代表-1）对其进行单独修改。由于每个修改的值范围最大都在0~9之间，所以这里的“-1”操作由“+(最大取值-1)”的操作代替。需要注意的是，在小时的修改操作中，注意范围，要加入额外的判断处理，防止出现“29时”等问题。

④ LCD_DrawHMS，作用是单独刷新时、分、秒区域，这个是属于临时优化的产物，由于SDCard速度的限制及7寸彩屏的分辨率较高，如果修改时全局刷新，则会产生明显的卡顿感。其代码如下：

static void LCD_DrawHMS(uint8_t hms, uint8_t n)
{
    uint16_t x = 16 + 96 * 3 * hms;
    SSD1963_DrawChar(FONT_TYPE_192x96, x + 0 , 0, (n / 10) + '0', COLOR_WHITE, COLOR_BLACK);
    SSD1963_DrawChar(FONT_TYPE_192x96, x + 96, 0, (n % 10) + '0', COLOR_WHITE, COLOR_BLACK);
}

这里首先会算出x的坐标，再调用SSD1963的显示字符的函数，将时或分或秒的值刷新显示。这里的hms，0代表小时；1代表分钟；2代表秒钟。

业务主轮询代码

① 负责刷新显示的部分

        if ((cursorIndex == 0) && (systemMsTick % 100))
        {
            RTC_GetDateTime(&dateTime);
            if (oldSecond != dateTime.second)
            {
                char string[10];
                
                printf("\r\nRTC Time: %d/%d/%d %02d:%02d:%02d\r\n", dateTime.year, dateTime.month, dateTime.day,
                    dateTime.hour, dateTime.minute, dateTime.second);
                oldSecond = dateTime.second;
                
                sprintf(string, "%02u:%02u:%02u", dateTime.hour, dateTime.minute, dateTime.second);
                SSD1963_DrawString(FONT_TYPE_192x96, 16, 0, string, COLOR_WHITE, COLOR_BLACK);
                
                float temperature, humidity;
                SHT31_Read(&temperature, &humidity);
                printf("    temperature = %f℃, humidity = %f%%\r\n", temperature, humidity);
                
                sprintf(string, "%.5f", temperature);
                ST7735S_DrawString(FONT_TYPE_36x18,  0,   0,   string, COLOR_RED, 0);
                SSD1963_DrawString(FONT_TYPE_36x18,  328, 408, string, COLOR_RED | COLOR_GREEN, COLOR_BLACK);
                
                sprintf(string, "%.5f", humidity);
                ST7735S_DrawString(FONT_TYPE_36x18,  0,   40,  string, COLOR_BLUE, 0);
                SSD1963_DrawString(FONT_TYPE_36x18,  328, 444, string, COLOR_GREEN, COLOR_BLACK);
            }
        }

这里首先会判断当前的状态，如果是正常显示状态，再去判断systemMsTick是否是100的整数倍（相当于100毫秒定时）。如果达到了定时的时间，则去读取当前的RTC时间，并判断是否需要更新，如果秒发生了变化，则将RTC的日期时间通过串口发送到上位机，并将时间显示在7寸屏上；然后读取温湿度信息，将其显示在两个彩屏上。这里定时100毫秒就去读取一次的原因是为了时间更新的更均匀。

② 负责按键检测并修改时间的部分

        keyStatusType key = KEY_GetStatus();
        if (key != KEY_NONE)
        {
            if (key == KEY_MIDDLE) {
                if (++cursorIndex > 6) {
                    cursorIndex = 0;
                    IRTC_SetWriteProtection(RTC, false);
                    IRTC_SetDatetime(RTC, &dateTime);
                }
                LCD_DrawSelect(cursorIndex);
            } else {
                if (cursorIndex == 0) {
                    if (key == KEY_UP) {
                        SDCardFontSwitch(0);
                    } else if (key == KEY_DOWN) {
                        SDCardFontSwitch(1);
                    }
                } else {
                    if (key == KEY_UP) {
                        AdjustTime(&dateTime, cursorIndex, 1);
                    } else if (key == KEY_DOWN) {
                        AdjustTime(&dateTime, cursorIndex, 0);
                    }
                }
            }
            
            while (KEY_GetStatus() != KEY_NONE);
        }
        
        SDK_DelayAtLeastUs(1000, SystemCoreClock);