开源硬件项目：DIY一个ESP32像素天气时钟

科技 2024-11-29 11:06 中国香港

前言

新一年的电子工程师DIY活动开启了，我又来见证各位大佬发挥啦！感谢面包板社区提供的技术交流平台。

像素时钟项目开源地址：https://gitee.com/laoguaige/esp32-s3-r8-n8-pixel-clock

一、完整体展示

二、硬件设计

2.1. 整体原理图

2.2. 电源部分

第一版时，使用 FM5324G 作为控制。它是一个集成了锂电池充电管理，电池5V升压输出，电池电量判断和 LED 电量指示的集成电源管理 IC。

但是发现使用一个800mAh的电池，开个10分钟就没电了，直接舍弃电源管理部分，直接通过TYPE-C接口进行供电。

当前版：

首先，因为语音模块需要有一个下载设备，这里直接将TYPE-C接口的数据接口接到了一个CH340N（图中的U9，立创商城编号C2977777）的器件上。接下来对各个器件进行说明。

1. R56和R57是USB协议上要求的，必须是5.1K，涉及到PD诱骗电压输出，具体原因自行百度。

2. D8和D7是ESD保护器件，防止静电的，防止静电损坏后级设备，也可以不用这些器件。

3. VBUS通过一个短接符号连接到了5V，说明这个TYPE-C输入的是5V，是我的个人习惯，通常可以直接在USB处标记5V。

4. U9就是之前说的CH340N，看数据手册，是一个将USB 转串口的芯片，而我们的语音识别模块就是通过串口下载。

5. C26和C27，首先是C26，在CH340N的数据手册中指出：当CH340N的电压输入为5V时，必须在V3引脚处外接一个100nf的电容；VCC处尽量加一个100NF的电容。

6. R27和D1，根据CH340N的厂家说明，为了防止与CH340N通信的设备，通过RXD和TXD引脚将电压反充给CH340，建议在RXD引脚上接入一个限流电阻，TXD上接一个反向二极管，防止电流电压倒灌。

7. D2也是一个ESD器件，防止类似雷击，静电等导致的瞬间高压损坏设备，加入ESD器件后，可以有效防止瞬间的高压将设备烧毁。

总结：就是一个通过USB供电的同时，还可以通过USB给语音模块下载语音识别的固件

2.3. 主控部分

因为该项目使用到网络的地方很多，优先选择生态最好的乐鑫ESP32。正好我还有ESP32的开发板，具体的型号就是使用立创开发板的立创·ESP32S3R8N8开发板。

没啥好说的，就是给开发板供电5V就好，开发板上有LDO，输入5V后开发板会输出3V3。这里需要注意，我就是BOT引脚用来接了按键，方便在调试出现故障时，也可以通过进入升级模式，擦除内存。

2.4. RTC时钟部分

使用常见的一个RTC时钟模块DS1302。特点如下：

原理图设计如下:

DS1302需要外部接一个32.768KHz的晶振作为时钟，就是图中的X1器件。而晶振为了更加的稳定精确，需要在晶振的输入输出加上负载电容，根据那个晶振的手册说明，加了12pf的负载电容，就是图中的C8C9。VCC1是备用电池的电源输入口，如果想要在设备断电的情况下，DS1302还能够跑时，那么必须接入这个B1电池座，这个电池座是接的纽扣电池。C7单纯是滤波用。DS1302的其他引脚就是控制引脚了，将其接到开发板引脚上，方便开发板控制。

2.5. 温湿度采集部分

又是使用常见的一个温湿度传感器DHT11。特点如下：

原理图设计

DHT11在数据引脚DATA上，必须加一个上拉电阻，让DHT11在空闲时保持高电平。根据它的数据手册，这个上拉电阻就选择了4.7K的R12。然后DHT11是支持3.3V~5V的电压输入的，这里因为开发板是3V3的GPIO电压，所以为了通信稳定，给DHT11的数据引脚DATA的也保持3.3V，给DHT11的输入电压为3.3V。

2.6. WS2812彩灯矩阵部分

这里购买的是淘宝上卖 36元的 32 * 8 像素的彩灯矩阵：WS2812B全彩软像素屏8X8 8X32 16X16幻彩5V显示可编程像素软屏

原理图设计：

WS2812是一个单总线的设备，每一个灯珠里面都带了驱动电路，可以同时控制很多个灯，但是为了以防万一，在这个WS2812彩灯矩阵的电源输入口VCC处，加了一个1000UF的电容，防止彩灯矩阵亮的瞬间电压电流不足，加了电容之后，如果出现电压电流不足的情况下，就可以从这个大电容取电。

2.7. 音频采集部分

关于模拟信号类我不太了解，这里是参考的一个音频采集模块的电路：MAX4466音频采集模块，感兴趣的朋友直接上淘宝搜索就好。

原理图设计：

做出来的实际效果好像不是很好，但是勉强能够使用...

2.8. 按键部分

在软件部分当中使用一个按键去控制UI界面的切换。但是当前我虽然用上了按键，结果我的外壳部分没有做好，导致我现在切换界面的拆开外壳去按按键… 大家等我完善或者复刻的时候自行完善就好。

2.9. 亮度采集部分

通过一个电阻+光敏电阻采集光亮度，光敏电阻会根据光亮度自动调整阻值。为什么加R58这个1K电阻呢？因为光敏电阻有可能会因为光的原因导致阻值为0，为0就会让3V3和GND短路，所以加了一个R58作为负载，即使光敏电阻为0欧了，由于R58这个负载电阻的存在，所以也不会短路。

2.10. 震动电机部分

电机，也可以叫做马达，它很好理解，给正负级通电，它就转了。但是震动电机因为结构的关系，当旋转起来的时候，因为离心力的原因，就会震动。

2.11. 语音识别部分

语音识别部分，我使用的是一个模块:SU-03T，它最近比较火，操作简单使用方便。通过网页在线点点点就可以实现语音命令的配置。

需要注意的是，如果你买的是单独的一个模块，那么你还需要购买发声的喇叭和采集声音的麦克风（咪头）。

喇叭我买的立创商城的：C530532

咪头也是：C234013

下面就是SU-03T语音识别模块的外围电路，下面是对各个器件的介绍：

1.因为这个语音识别模块在下载固件时，必须在保持断电的情况下，在电脑上点击下载，然后再通电才能够下载成功。为了实现这个断电下载操作，加了一个拨码开关（SW1）。

2.C19的作用是储能，必须语音识别模块感觉还是电流消耗挺大的，加一个10UF的电容，在没有电流时就从C19供电。

3.语音采集的框图中的32DB只的就是这个麦克风是-32DB的一个麦克风，或者叫咪头。

4.SPK1就是喇叭。

5.图中的03TTXD和03TRXD就是接到了CH340N的串口通信线上，语音固件就是通过这两根线进行固件下载。

6.B2TX和B3RX是接到了开发板上的GPIO13和GPIO12，开发板将这两个引脚设置为串口通信，语音模块也将B2B3设置为串口通信，这样才可以数据互传。这个很重要，因为该语音模块只能设置B2和B3为串口。

语音识别的固件下载，在之前的供电部分给大家讲过，USB接口那里有一个用于语音识别模块下载固件的通信设备CH340N，我这里就贴一个图：

二、外壳部分

3D文件的下载：https://gitee.com/laoguaige/esp32-s3-r8-n8-pixel-clock/tree/master/3Dfile

因为实物很大，打印的外壳需要分开，分左右两边。

LEDGrid2x.stl 为光栏，需要一个部件打两个，拼到一起；

说明：光栏一定要黑色的材质，不管是3D打印时选择黑色的材料还是后面收到喷黑漆，一定记得使用黑色的光栏！不然观感就差很多

frontFrame2x.stl 为外壳边框，需要一个部件打两个，拼到一起；

Housing.stl 和 Housing_noV.stl 为同一个部件，选择一个进行打印即可，都是成本较高，酌情打印；

如要组建完整的外壳，还需要购买黑色的亚克力透明面板！挡住光线！

生产的规格参数：黑茶色透明亚克力 95×330×2mm

实际效果:

三、软件部分

因为软件部分篇幅较多，关于各个模块的例程请参考gitee仓库下各个例程的说明文档。https://gitee.com/laoguaige/esp32-s3-r8-n8-pixel-clock/tree/master/example

这里直接告诉大家通过软件配置好的完整固件，直接将固件下载到开发板上即可。

前往地址: https://gitee.com/laoguaige/esp32-s3-r8-n8-pixel-clock/tree/master/firmware，下载最新的固件，然后打开ESP32S3的下载烧录工具<https://www.espressif.com.cn/zh-hans/support/download/other-tools>，从0地址开始烧录。

烧录完成之后断电重启即可。

下一篇将着重讲解，内容包括：gitee仓库搭建、环境安装、DS1302驱动显示时间、DHT11驱动显示温湿度、WS2812彩灯显示炫酷UI、WIFI-NTP获取网络时间显示、WIFI获取天气并显示、语音识别并播报。

作者：a老怪
来源：https://mbb.eet-china.com/forum/topic/147317_1_1.html

END

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2、内容应包括：设计思路、成品展示（如电路原理、功能展示、成本控制方案或清单、代码等）涉及核心知识产权的内容可不展示。

3. 活动期间，同一ID可多次参加，等质量条件下多发作品可累积评分。

活动时间：2024.11.13 - 2025.02.13

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