【参赛】带时钟功能的桌面温湿度计摆件

hujj

        这个摆件可以测量温湿度，同时兼有日历及时钟功能。显示屏采用LED组成数码管，可同时显示两组四位数字，用于轮番显示温湿度、日期和时间。摆件不光是可以当作装饰品，在晚上还可以充当小夜灯使用。放在卧室里，微弱的亮光既不会影响到正常睡眠，又可以在夜间方便时起照明作用，不需要另外开灯。摆件由显示面板及底座构成，没有设计外壳。面板直接立在底座中，通过八个金手指焊接固定，底座上的元器件裸露在面板背面，下图为正面照片：


    下图是夜间拍摄的照片：


    下图是背面的照片，底座上仅有锂电池及充电管理芯片及开发板排座，扩展板通过排线与底座连接：


    DHT11温湿度传感器以及DS1307日历时钟芯片则在另一块扩展板上，通过排线连接。扩展板的照片如下：


        这个摆件是在参加嘉立创公司第九届电赛活动作品的基础上扩展而来的，原作品仅仅有温湿度测量和显示的功能，在此基础上添加了时钟显示的功能。原作品使用的是SHT40温湿度传感器，控制部分选用了STM32L031K6开发板，显示部分参照了矿坛坛友的创意，用LED在PCB板上构成数码管的图案，以达到更大的显示的效果。
        设计时准备使用一节18650锂电池供电，但在实际测试中发现耗电量比较大，充满电之后仅能维持不足两天时间，几乎需要每天充电，实际使用时几乎需要长时间用充电头子供电，锂电池反而成为了备用的辅助电源。
        原作品在去年夏天就基本完成了，但显示屏的效果较差。当时就准备改善显示效果，并添加时钟功能，以便参加今年的DIY制作大赛。在此之后做做歇歇，找了不少PVC片和其它材料来改善LED数码管的显示效果，前后陆续花费了几个月的时间才勉强完成。然后在添加时钟模块时也走了不少弯路，浪费了不少时间，直至临近春节时都没有完工，而且还不慎损坏了SHT40传感器和STM32L031K6开发板，几乎都要放弃参赛了。春节后略有空闲，看到离大赛截止尚有时日，于是便重新用DS1307日历时钟芯片以及DHT11温湿度传感器制作模块，换上了引脚兼容的STM32L41KB开发板，重新调整了代码，终于完成了参赛作品。

一、电路图及主要元器件介绍

        下面是原作品的电路图，现作品仅仅是在此基础上增加了DS1307日历时钟芯片和DHT11温湿度传感器，这些增加的元件焊接在扩展板上，扩展析板也是利用原来的多功能语音报时时钟PCB板剪裁的，就没有另画线路图了。


        DS1307（包括AT24C32）的线路如下：


        作为主控的单片机是STM32L031K6和STM32L412KB开发板，这两款开发板除了性能略有差异外，引脚排列完全一致，驱动代码也很容易移植。因此在原使用的STM32L031K6开发板损坏了一个引脚后，就改用了STM32L412KB开发板。
        温湿度传感器SHT40是一颗微型的I2C通讯器件，其工作电压为1.08v~3.6v，精度为温度±0.1%、湿度±1%。此芯片仅有1.5mm见方、0.5mm高，约芝麻大小，非常考验焊接技术。我先后买了三颗芯片，第一颗是从厂家买的，一次焊接成功。另外两颗是从某宝买的，在制作第二个摆件时不慎飞落了一颗，不知所踪，另一颗焊好后测试读不到数据，也查不出原因。第一摆件在加装日历时钟模块时，不慎将SHT40芯片电压接入到5v，结果损坏了芯片，之后就改用了DHT11传感器。
        DS1307是常见的日历时钟芯片之一，这里就不再赘述。之所以要用日历时钟芯片，主要是方便在单片机在重启时可以获得正确的日期和时间，否则若使用单片机中的RTC，每次重启后还要设置日期和时间，不实用。
        锂电池充电管理使用的是常见的4056芯片，相关的资料网上有很多，这里也省略介绍。
        LED的控制采用TM1628芯片，该芯片集成有MCU 数字接口、数据锁存器、LED 驱动、键盘扫描等电路。主要适用于家电设备(智能热水器、微波炉、洗衣机、空调、电磁炉)、机顶盒、电子称、智能电 表等数码管或LED显示设备。下图为TM1628的管脚定义：

        之所以选择专用的LED控制芯片，是为了减少单片机的工作负担以及简化代码编写。

二、制作过程

        摆件部分主要由面板、底座和扩展板组成。
        面板上用56颗蓝色和绿色各半的LED组成八位七段的模拟数码管用于显示，这些LED全部由TM1628芯片控制，另外显示小数点及零下温度的负号LED则由单片机直接控制。面板的PCB设计如下：


        起初我设想将LED嵌入笔划的开槽内，背面与PCB板平齐，通过焊锡连接和固定，可实际制作时发现无法准确定位LED进行焊接，所以只好再画一块面板来固定LED，原面板就作为遮光板使用。新画的面板和底座画在一起，打样回来后再自己裁开。PCB板如下图：


        面板后面的基板背面也有连接用的金手指，与底座上的金手指一一对应，电气连接和物理连接兼顾。


        这是焊接组装好的结构：


        在新画的面板上LED就可以准确定位和可靠地连接，焊接好LED后，再覆盖上遮光板，然后找多种材料来做遮光罩，发现效果均不好，用早年使用的塑料垫板来做显示面板的遮光罩才稍微好些。下图为测试的效果，可以明显看到笔划显示不亮度均匀，与成品数码管相比效果差距巨大。


        为了解决线段发光不均匀的问题，我买了多种颜色的半透明PVC板来测试，还买了导光条来镶嵌在遮光板的槽内，测试效果均不理想，最后发现是遮光板的厚度不足，LED光线到表面半透明膜的距离相差很大，造成亮光仅形成一个点而不是整条线段，我尝试将5块遮光板叠在一起，用贴玻璃窗的磨砂膜包裹起来，最后再贴上一层半透明的PVC膜，视觉效果才有改善。


        下图是贴上PVC膜后的效果：


        由此才明白为什么商品的数码管会有那么厚了，因为其有足够的空间让点状的光线比较均匀地散布在表面的线段上。
之后我又尝试用做广告用的发泡板来制作，由于发泡板还稍许有点漏光，笔划之间还有点串光，效果比PCB板要差一点：


        扩展板的制作就比较简单，用原来制作多功能语音报时时钟剩余的PCB板，截取了中间包含DS1307芯片及外围元件和DHT11传感器部分，然后焊上相应的元器件和连接排线。

三、实验总结

        本次参赛活动的作品，我虽然早就开始作准备，但因各种意外原因而迟迟没有完成，好在仍赶在截止日之前完成了作品。这个摆件的实用价值不高，纯粹是为了充实自己的退休生活，满足自己的爱好。不过将这个摆件放在床头柜上当小夜灯使用还是挺有用处的，半夜醒来看一下时间也挺方便。

一军

带头支持一下！

hujj

一军 发表于 2025-2-6 17:35
带头支持一下！

谢谢支持！

hujj

补充B站的视频链接：
https://www.bilibili.com/video/B ... 947cc7ec0f39013509b

hujingdi

感谢你的作品 带时钟功能的桌面温湿度计摆件参赛