这周和大家先容一个俊秀的墨水屏电子钟，兼具气候站功能（可以通过GPS自动设置），用4节AAA电池可以续航6个月旁边，而且，为了担保安全和可靠性，它不须要任何网络连接。
特点包括：
这个项目有两个不同的版本，分别是 “大略单纯”版本 和 “低功率”版本。
“大略单纯”版本是基于Arduino Nano的。这个版本的目的是只管即便减少本钱、零件数量和制作的繁芜性；缺陷是你须要用一个USB 5V适配器来给时钟供电。
“低功率”版本利用一个32k的振荡器，以极小的功率保持精确的计时。这个振荡器让时钟可以用电池运行。
第1步："大略单纯 "版零件清单Arduino NanoWaveshare 2.9 in EPaper模块Adafruit MS8607压力/湿度/温度传感器任何带有9600 Baud TX的GPS模块电路板（可以是一块原型板或一块用于CNC的铜板）几个按钮开关（用来改变UTC韶光偏移和显示偏好的）制作外壳的材料（文末会有供应.3mf、.scad和.dxf文件)USB充电器和充电线第2步："低功率 "版本
这些材料和上面的大略单纯版本一样：
Waveshare 2.9 in EPaper ModuleAdafruit MS8607压力/湿度/温度传感器电路板几个按钮开关制作外壳的材料此外，你还须要：
Atmega328P DIP版（你也可以选择SMD封装版本，但在32K晶体上焊接会更难）32768 Hz晶体（这个振荡器是设计中低功率的关键）Adafruit GPS模块（这个模块比 "大略单纯 "版中的模块质量要高一些，由于它可以跟踪更多的卫星（以便更快地锁定），供应一个使能引脚（用于低功耗）和一个用于保持其内存活动的端口（用于快速重新锁定）。如果所有这些功能对你来说不值得增加本钱，你可以通过添加你自己的使能FET，魔改一个更便宜的模块来完成这项事情。后面会阐明怎么做）LED+电阻（光秃秃的Atmega328P没有办法见告你它是否在事情，闪烁的灯可以供应一个1ms/秒的 "心跳"，险些不耗电，但供应了有用的反馈）几个10uF和100nF的电容来平滑电源电压电池（我用的是4个AAA电池，但任何能可以得到5-7伏电压的电池都可以利用）（可选）一个用于通过ICSP对芯片进行编程的3x2针头（如果你可以拆下Atmega328P重新编程，那么你可以跳过这个连接器）（可选）一个用于UART调试的1x2针脚接头（只有在板子运行不稳定的情形下才须要这个）第3步：Arduino Mini版本前面说有两个版本，这个是一个额外的版本，之以是会有这么一个额外的版本，便是由于我们现在处于 "零件荒 "，像Atmega328P这样的芯片会长期缺货。
你可以用 "大略 "版本的固件运行这个版本，或者，如果你对自己的焊接技能有信心，你可以在微掌握器上焊接一个32k的晶体（如上图所示），并利用32k版本的固件（更多细节见下节）。
上面的事理图是用一个 "便宜的GPS "办理方案来连接的，但是如果你用了别的（比如Adafruit）的设置来更换事理图中的GPS部分，你也可以利用别的（比如Adafruit的）GPS（如上一步的事理图所示）。
第4步：便宜的GPS（可选）与竞争对手（12美元）比较，Adafruit的GPS装置很贵（30美元）。如果你认为增加的功能（在低功耗部件部分有描述）不 "值得"，你可以把任何能以9600波特传输NMEA字符串的GPS模块丢进去（大多数的GPS模块都可以）。
但现在有一个新的问题须要办理：这些单元中的大多数缺少一个启用/禁用引脚，而GPS单元常日花费30-100毫安的电力。我们可以用一个N-MOSFET（或类似的）黑掉一个禁用开关。上面的事理图显示了基本的想法。我们也可以在falstad[1]中进行考试测验。
这个电源开关电路是有取舍的。如果你有兴趣理解更多细节，请拜会附录B。
第5步：低功率硬件修正如果你正在制作 "大略单纯 "版本，你不须要阅读这一部分。对付“低功率”版本，这些改装将大大改进电池寿命。
为相识释问题，我们将假设电源来自一组AAA电池，可以供应1000毫安时。让我们假设你利用的是32K的Adafruit版本，并且没有做任何修正。下面是一个电源分解的例子。
"就寝/关闭 " CPU、GPS、MS8607和EPaper：丈量值为30-70uA（我们认为是50uA）。屏幕更新：5毫安，每分钟2秒一次：5 2 / 60 = 166 uAGPS更新：每天一次，每次50毫安，每次10秒。50 10 / 86400 = 6 uAMS8607 LED：100 uAAdafruit GPS上拉电阻：500 uA因此，我们有（50 + 166 + 6 + 100 + 500）= 822 uA的均匀电流花费，相称于约50天的功率。
如果去掉MS8607 LED和GPS上拉电阻，我们的用电量就会减少到222 uA，也便是大约187天的用电量，大大增加了利用韶光。
1、首先，建议从MS8607上拆下LED（详细如上图所示）
2、Adafruit GPS上的上拉电阻是由Adafruit的设计职员添加的，使得EN引脚变成一个可选项。不过它也有一个缺陷，便是当你把它拉到地（禁用GPS）时，大约有500uA的电流在上拉电阻中被花费掉了。由于这个设计的使能引脚是主动驱动的，你可以去掉这个电阻（详细如上图所示）
3、专业的迷你修正。搜索引擎搜索 "Arduino mini低功耗 "理解详情，基本上，你会想去掉电压调节器和LED，来减少电源利用。我们改用MS8607的电压调节器（3.3V，空闲时丢失35-55uA的功率）为pro mini供电。
4、在pro mini的照片中，我还去掉了晶体振荡器，为32K晶体的芯片做准备。只有在32K晶体版本的情形下才去掉这个晶体，而且只有在对pro mini的内熔丝进行重新编程后才去掉，后面会阐明。
第6步：固件在这个步骤中，我附上了nano和32k晶体版本的.hex文件（这两个版本都适用于pro-mini，如果你不愿定利用哪个版本，就利用nano版本）。
如果想自己构建/修正源代码，可以访问GitHub：https://github.com/mattwach/epaper_clock
自己构建.hex固件文件（可选）把稳，这段代码没有利用Arduino库，由于产生的代码太大，无法在Atmega328P上安装（而且这是我的个人偏好）。它是用C措辞编写的，利用了Arduino[2]也利用的AVR根本库作为根本。如果你想编译代码，你须要安装（免费的）avr-gcc工具[3]，克隆epaper项目[4]的源码。然后进入firmware/[5]目录并输入。
make
如果代码建立了，可以打开Makefile[6]，看看这些选项。
# This is the Low-power stand alone chip configuration.CLOCK_MODE ?= USE_32K_CRYSTALUART_MODE ?= HARDWARE_UARTF_CPU ?= 8000000# This is the easy-to-build firmware that is based on an Ardino Nano#CLOCK_MODE ?= USE_CPU_CRYSTAL#UART_MODE ?= SOFTWARE_UART#F_CPU ?= 16000000
如果你正在构建32k晶体固件，配置已经精确了。如果构建nano的版本，你须要注释32k那段，取消注释nano那段代码，然后再次make。
还有一个分外的调试模式，通过硬件UART以9600波特的速率转储日志信息。你现在可以忽略，但要记住它，由于它往后可能会有用。
# Uncomment to activate debug via the UART TX (9600 baud)#DEBUG_CFLAG := -DDEBUG
末了，你可以通过改变几个变量来决定GPS该当多永劫光被激活。默认每天运行一次，但如果GPS须要很永劫光锁定，它会减少运行频率，从而减少电池的花费。请在src/gps.c[7]中阅读所有干系内容。
这部分的文件可以在文末下载！
本节是为那些上传代码到独立的Atmega328P芯片的小伙伴准备的，如果你要上传到Arduino Nano，请跳到下一个步骤。
你须要一个ISP（或ICSP）编程器。可以用一个备用的Aruino Uno/Nano自己做一个。可以在搜索引擎搜索"Arduino ISP Programmer" 请把稳，这些指南中的很多内容都假定你的真正目的是安装一个勾引程序，但对付我们来说，不须要勾引程序，由于我们将直接用ICSP上传.hex文件。
断电检测在我的Atmega328P上，断电检测设置为3.5V（貌似是旧版本），以是我用这个命令禁用断电检测。
/usr/bin/avrdude -patmega328p -cusbasp -Uefuse:w:0xFF:m
你的可能不一样，这取决于你的“ISP programmer”（-c选项）。也有可能你不须要设置，只因此防万一。
第8步：利用Avrdude我们可以利用一个叫avrdude的免费工具，来把它创建的十六进制文件上传到你的Uno/Nano/。我们也可以直接用命令行下载并利用avrdude。
用Arduino IDE在输出记录打开的情形下运行一个上传（点灯的demo或者其他的demo），然后复制它利用的命令。或者阅读官方的avrdude文档[8]或者阅读参考网上利用avrdude的教程这里是我在nano版本中利用的avrdude命令（通过make上传）。
供参考：
/usr/bin/avrdude \ -v \ -patmega328p \ -carduino \ -P/dev/ttyUSB0 \ -b57600 \ -D \ -Uflash:w:epaper_firmware_using_arduino_nano.hex:i
这个是我在ISP版本中利用的：
/usr/bin/avrdude \ -v \ -patmega328p \ -cusbasp \ -Uflash:w:epaper_firmware_using_32k_crystal.hex:i
这边利用的是Linux。Mac和Windows也能正常事情，但像-P这样的选项会有所不同（即在Windows中可能是-PCOM1）。
同样，这部分的文件可以在文末下载！
如果你正在制作 "大略单纯 "版本，请跳过这一步。如果你利用的是32k晶体固件，则须要安装晶体以使固件发挥浸染。
首先（！
） 你还须要配置ATMega328P的内部内熔丝，以利用内部的8Mhz晶体。
先做这一步很主要，由于32K晶体将取代任何现有晶体。如果你不改变这些内熔丝，芯片会变得没有反应，直到你重新连接一个8或16Mhz的振荡器。
据我所知，Arduino pro mini也须要ISP来改变内熔丝（但我可能是错的）。我查找了 "Arduino ISP"，来得到精确的引脚映射，以便将ISP连接器与面包板对接（如上图所示）。
在连接了我的ISP programmer后，可以用这个命令检讨当前的内熔丝配置。
$ avrdude -patmega328p -cusbasp...avrdude: safemode: Fuses OK (E:FF, H:DE, L:E2)
L:E2是我们想要的内部8mhz的设置。如果你的值不一样，可以用类似于这个的命令来更新它。
/usr/bin/avrdude -patmega328p -cusbasp -Ulfuse:w:0xE2:m
然后重新检讨。
内熔丝设置完毕后，你就可以焊接晶体了。建议将晶体直接连接到微掌握器引脚上，以减少杂散电容。太多的电容会使晶体须要更长的韶光来开始振荡（或无法启动）。
第10步：（可选）第一个步骤请参考步骤1、步骤2或步骤3中你所选择的设计事理图。
你可以在面包板上验证到目前为止的情形，只需将一个LED/Resistor从D5连接到地，然后上传固件。如果统统正常，LED将每秒短暂地闪烁一次；接下来，你可以添加EPaper显示屏。显示器上的数据都不会是精确的，但它该当显示一些一些数据；然后，添加PHT模块，并验证它是否事情；末了是GPS模块。如果测试正常，我们可以把所有东西转移到一个更“永久”的固定装置上。
第11步：线路板组装你可以选择利用perf板，用CNC切割板子，或者把设计送到工厂去制造。
Kicad设计文件可以在schematic/目录[9]中找到。有三种硬件可供选择（都是从后面显示的，由于这是你手工布线的办法）。
我用我的CNC机器制作ATMega328P版本。如果你没有用CNC切割过PCB而又感兴趣，可以考试测验在搜索引擎上搜索 "3018 PCB"，你会创造很多关于这个主题的视频和文章。
间隙设置0.4毫米，但你可以更窄（可能不会更宽）。我利用Flatcam将Kicad的Gerber输出转换为G代码。
干系文件可以在文末下载到。
第12步：案例设计你可以设计你想要的任何类型的外不雅观，非常鼓励大家发挥创意!
这里分享一下我是怎么制作的（所有的设计文件都可以在文末下载到）。
我的设计利用了一个3D打印的支撑构造和两个CNC部件：一个顶盖和前面板。数控部件是用木头做的，由于我认为它比塑料看起来更俊秀。我在OpenSCAD中预先设计了全体东西。
我用0.2毫米的层高打印了紧张构造。在我的3D打印机上，打印花了5个小时多一点。
我利用OpenSCAD的 "projection"[10] 功能，为顶盖和前板创建了2D DXF文件。
我常日会利用一个名为 "Carbide Create"[11]的免费程序，为数控机床制作G代码。但面板有一个45度的倒角，而Carbide Create是一个太基本的程序，不能很好地处理这个问题（至少我通过谷歌搜索他们网站上的论坛，得出了这个结论）。以是我考试测验了一个不同的程序，叫做"CamBam"[12]，它的效果非常好。（CamBam不是免费的，但可以免费利用40次）
第13步：附录A：时钟漂移校正（可选）你的32k/CPU晶体不会是完美的。当GPS开启时，它将改动漂移。但是如果漂移不好或者你的GPS旗子暗记不好，你也可以在固件中运用一个校正。目前这须要构建代码。在main.c的顶部，有一些被注释掉的定义。
// Clock drift correction// If your clock runs too fast or too slow, then you can enable these//#define CORRECT_CLOCK_DRIFT// number of seconds that a second should be added or removed//#define CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT 1800// define this if the clock is too slow, otherwise leave it commented out//#define CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW
你可以取消对上面两个#define语句的加注，以启用校正。
只需取消对CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW的注释（你的时钟已经慢了的话）。
如果你的时钟太快了，就不要注释。唯一要做的是设置CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT...
数学方法等了大约一天，然后看看时钟漂移了多少。例如，你可能要等23个小时。如果这时你看到时钟慢了10秒，那么你的改动将是。
(3600 23) / 10 = 8280秒，每次改动。
#define CORRECT_CLOCK_DRIFT#define CLOCK_DRIFT_SECONDS_PER_CORRECT 8280#define CLOCK_DRIFT_TOO_SLOW非数学的方法
只需考试测验一个像5000这样的数字，并在你把稳到时钟仍旧过快或过慢时对其进行完善。还是太慢？试试2,500。太快了？试试10,000。保持记录，并反复完善到可接管的数值，就像你在某些时候可能玩过的猜数字游戏一样。
第14步：附录B：廉价的GPS电源掌握（关于BS170 N-MOSFET）重温一下第四步"便宜GPS " 里描述的电源掌握电路，上面的电源割断电路被称为 "low side switch"。它的好处是比较随意马虎理解，而且零件数量少。只管如此，还是有一些设计上的问题。
GPS的地线并不与GND相连，而是与MOSFET相连。这意味着从GPS到微掌握器的UART旗子暗记会有MOSFET的压降加在上面（Vds），增加了噪声的敏感性，并可能造成的缺点。如果你的微掌握器的输入被规定为3.3V的最大值，你就不会想利用这种设计（我选择的ATMega328P没有这个限定）。3.3V（上面的EN引脚）对每个MOSFET来说都不是一个很强的开启电压。但是，UART是一个数字旗子暗记，地线的差异并不大，以是大概它无论如何都会事情？我试过了，而且事情得很好......起初，但随着韶光的推移，我逐渐创造它并不可靠。为了理解缘故原由，我们参考一下我最初选择的BS170作为我的N-MOSFET的特性曲线[13]。
在X轴的3.3V时，我们将坐在图上的3.0和4.0V线之间。因此，大概我们会得到100mA？大概足够？
万用表见告我，GPS花费40-60mA，但我认为这是一个均匀值。根据GPS试图做什么，它只是须要比晶体管能够许可的更多的电流，因此GPS的地（MOSFET漏极）电压会上升。这既造成了UART缺点，又降落了GPS装置的整体电压，而GPS装置有时仍旧可以事情，有时则进入复位循环。
一个办理方案是利用一个 "high side"电源电路，在上面增加一个P-MOSFET来实现这个目标。见上面的事理图。这肃清了单独接地的问题，并供应一个完全的5V（电池）栅极电压颠簸，这将使干系的P-MOSFET完备打开。
这里[14]是falstad中的一个高边设计实例。
目前我已经订购了带有低端布线的PCB，以是我的次要办理方案是放弃BS170，而用FQP30N06L代替。这种较高电流的MOSFET（最大30A！
）彷佛严重过剩，而且确实如此，但其曲线看起来要好得多。在3.3V电压下，大约有10A的电流余量，比BS170改进了100倍，现在该当足够了；而且确实没有规复不稳定。
[1]falstad: http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUgoqoQFMBaMMAKADMLiUQUAWKwvx5Ds3MNCQwELAEoUMhEIIphuyqlSGSoUCSwBOSoczVCUfHZRYAPJQnJpeIDJAeuQTiwHEACgGUWACMlfHAUPGcwRRQwJ0gWAHd5RWVBATjEo3Ss8FUoFgBzHJQEFJFIOPzDBC5hTWJooSoweFkPZT5NUTqdTSpsaGxe3WkAZ3bPIV4GnuaQNgBDABtRugMPGc6NxVENZHg4Qu2QXePsbEUNFiA
[2]Arduino: https://www.arduino.cc/
[3]avr-gcc工具: https://www.pololu.com/docs/0J61/6.3
[4]epaper项目: https://github.com/mattwach/epaper_clock
[5]firmware目录: https://github.com/mattwach/epaper_clock/tree/main/firmware
[6]Makefile: https://github.com/mattwach/epaper_clock/blob/main/src/Makefile
[7]src/gps.c: https://github.com/mattwach/epaper_clock/blob/main/src/gps.c
[8]https://www.nongnu.org/avrdude/: https://www.nongnu.org/avrdude/
[9]schematic/: https://github.com/mattwach/epaper_clock/tree/main/schematic
[10]projection功能: https://en.wikibooks.org/wiki/OpenSCAD_User_Manual/Using_the_2D_Subsystem#3D_to_2D_Projection
[11]Carbide Create: https://carbide3d.com/carbidecreate/
[12]CamBam: http://www.cambam.info/
[13]N-MOSFET的特性曲线: https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/mmbf170-d.pdf
[14]falstad中的一个高边设计实例: http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxAUgoqoQFMBaMMAKADMLiUQUAWKwvx5Ds3MNCQxIKdiEFUwGQnKFgUeELwjjJsGQCcVCpRULHlC+JBYB3OX3DrTCp9bsIzjjR-NQWAJWcvTWJlNQ0qKiFJKCgJFkMMNHATJKp1CJoWAA8QHHIiDQw8AowIXmEQAHEABQBlFgAjOTwNMC480J5ivwBzPOSMgapRSL87Qg9gtOC3YenkxQtbIxTleR4Ha36NlCmN3ArIhM5uPiiu89iweADNQWEo0UfYqJHobFe4hBYAZ3uKldeJchAoQGwAIYAG1+dBYQA
原文链接：https://www.instructables.com/E-Paper-Clock/
原文作者：mattwach
译文首发：DF创客社区 https://mc.dfrobot.com.cn/thread-313226-1-1.html
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