输出设备

小组作业

测量一个输出设备的功耗
记录你的工作（小组或个人）

个人作业

给你设计的微控制器板加一个输出设备，并编程让它做点事情

学习成果：

演示用你设计的 MCU 板控制输出设备的工作流程

你是否：

链接到小组作业页面
记录了你和你的小组如何确定一个输出设备的功耗
记录了你在把输出设备接到微控制器并控制它时学到的东西
描述了你的设计和制作过程，或链接到之前的例子。
解释了你使用的编程流程
概述了你遇到的问题以及如何解决
包含了原始设计文件和代码
包含了你的板的“主图/视频”

使用的工具

焊接台
小型 CNC

使用的软件

文件

Eagle 文件
G 代码文件
代码文件
数据手册文件

小组作业

去看小组作业页面。

简介

我开始这次作业，是想改进农场的灌溉自动化。我们已经有了一台 ESP8266 在控制一个水泵和 4 个继电器，并监测水泵的电流消耗。问题是 ESP8266 和它的程序反应不灵敏，这让设置时间很费时。这是由于 ADC 引脚数量有限。农场上的一位志愿者 Shakeel 向我解释过，ESP8266 用它唯一的 ADC 引脚来监测 WiFi 连接，所以他写了一个程序，减少电流表采样的次数，好把这个引脚和 WiFi 共用。好吧，这确实能用，但让 WiFi 连接变得不稳定，所以我的挑战将是试着弄懂 ESP32，以便移植他的程序，同时完成这次作业。试试看！

另外我想指出的是，我会更专注于代码，因为我已经在其他周演示过电路板制作过程。还有，我完成作业方式的一个重大变化是：我会边学边做边记录，所以这次作业会更像一份日志，而不是教程。

目标

我最初的目标是更好地理解 ESP32；然后，作为第二个目标，让它取代现在的灌溉控制；第三个目标是把这些知识应用到我孵化器的最终项目。

引脚定义

ESP32 引脚定义

代码计划

检查时间
如果处在时间范围内就打开水泵
读取电流表，查找欠流和过流；如果检测到，就停止水泵运行

代码研究

我先看了 techtutorialsx.com 这个网站。

正如页面上解释的，打开继电器的代码和我见过的其他 Arduino 代码很相似，那就来看看。

我会用 int pumprelayPin1 = 22; 把变量 pumprelayPin1 定义为引脚 22，它会把这个值存成整数。

pinMode(pumprelayPin1, OUTPUT); 把 pumprelayPin1 的引脚模式设为输出引脚，意思是它会主动输出，而不是像输入那样被动地监测信号。

digitalWrite(pumprelayPin1, LOW); 会用 LOW 把引脚设为关闭状态。

delay(4000); 会让程序等待 4 秒，也就是 4000 毫秒。

到目前为止我的代码是这样的：

int pumprelayPin1 = 22;

void setup() {
  
  pinMode(pumprelayPin1, OUTPUT);
  digitalWrite(pumprelayPin1, LOW);

}

void loop() {

  digitalWrite(pumprelayPin1, HIGH);
  delay(4000);
  digitalWrite(pumprelayPin1, LOW);
  delay(4000);

}

到目前为止，这段代码会启动，然后每隔 4 秒把继电器打开和关闭一次。

现在，第二部分，我想从实时时钟获取时间，以便在特定时间启动水泵。所以首先需要包含 RTC 时钟库。我用的是 DS1302 RTC 时钟芯片，所以这个库配上这段代码 #include <virtuabotixRTC.h> 应该就行了，根据库的文档在这里。

其次，我们需要用这段代码声明 RTC 时钟的引脚 virtuabotixRTC myRTC(5, 18, 19); 和 RtcDS1302<ThreeWire> Rtc(myWire);。这意味着当 ESP32 与实时时钟芯片通信时，它会用引脚 5 作为 CLK、18 作为 DAT、19 作为 RST。

警告： RtcDS1302<ThreeWire> Rtc(myWire); 来自另一个库（Makuna 的 Rtc 库，RtcDS1302.h），而 myWire 从未定义，所以这一行照原样是编译不过的。用这里使用的 virtuabotixRTC 库，virtuabotixRTC myRTC(5, 18, 19); 就够了。

现在，为了显示实时时钟的时间，我把它写在 void setup() {} 区域或 void loop() {} 区域里。前者只打印一次；后者会在我让它运行期间一直打印。当然，我们需要加上至少一分钟的延时，用 delay(60000);。变量的单位是毫秒，所以 1000 表示 1 秒，60000 表示 60 秒。

    Serial.begin(115200);

 myRTC.updateTime();
    Serial.println();

如果这个 RTC 以前从未使用过，你可以运行一次下面的代码来设置时间：myRTC.setDS1302Time(00, 28, 16, 7, 23, 5, 2020);，前几个数字依次是秒、分、时（24 小时制）、星期几、月中的某天、月、年。（后来更正：星期几从 1 = 星期日开始计数，所以 2020 年 5 月 23 日星期六是 7，2020 年 5 月 24 日星期日是 1；原来的代码两个都写成了 6。）

到目前为止代码是这样的：

#include <virtuabotixRTC.h>

virtuabotixRTC myRTC(5, 18, 19);// (CLK,DAT,RST)

int pumprelayPin1 = 22;

void setup() {

    Serial.begin(115200);
    pinMode(pumprelayPin1, OUTPUT);
}
void loop() {

    myRTC.updateTime();
  
    Serial.print(myRTC.hours);
    Serial.print(":");
    Serial.print(myRTC.minutes);
    delay(58000);
  
    digitalWrite(pumprelayPin1, HIGH);
    delay(1000);
    digitalWrite(pumprelayPin1, LOW);
    delay(1000);

}

到目前为止还没有逻辑测试：代码每分钟显示一次时间，并打开和关闭继电器。所以，为了加上逻辑测试，我们需要 if 语句。它会检查某个条件是否为真，然后执行程序里接下来的内容。

摘自 Arduino 参考文档：

if (condition) {
    //statement(s)
}

所以，为了检查时间并打开我的继电器，我会试着这样写：if ((myRTC.hours) == 15 && (myRTC.minutes) == 0) {digitalWrite(pumprelayPin1, HIGH);}

要关闭它，代码会是这样：if ((myRTC.hours) >= 15 && (myRTC.minutes) >= 1) {digitalWrite(pumprelayPin1, LOW);}

我的代码现在是这样：

//libraries
#include <virtuabotixRTC.h>

//Settings
virtuabotixRTC myRTC(5, 18, 19);// (CLK,DAT,RST)
int pumprelayPin1 = 22;


//run once
void setup() {

   Serial.begin(115200);
   
myRTC.setDS1302Time(50, 15, 16, 1, 24, 5, 2020); // sets seconds, minutes, hours (24h mode), day of the week, day, month, year) comment after first compile
  
  pinMode(pumprelayPin1, OUTPUT);
  
}

//run in loop
void loop() {
  myRTC.updateTime();//updates time
  Serial.print("Current Time: ");
  Serial.print(myRTC.hours);
  Serial.print(":");
  Serial.print(myRTC.minutes);
  Serial.print(":");
  Serial.print(myRTC.seconds);
  Serial.println();
  delay (1000);
//condition (logic test)
if ((myRTC.minutes) == 16) digitalWrite(pumprelayPin1, HIGH);  
if ((myRTC.minutes) >= 17) digitalWrite(pumprelayPin1, LOW);

}

这是它在 ESP32 开发板上的运行情况：

想以更高分辨率观看，请到 YouTube

板子设计

这块板我至少需要 4 个数字引脚，如果以后想测量水泵的电流，还需要一个模拟引脚。所以我认为 ATtiny44 就足够合适了。ESP32 我会留到网络周再用 ;-)。另外，我的 ESP32 SMD 元件还没到；我觉得是因为 COVID-19 导致供应链中断。所以我才用手头已有的 ESP32 开发板做实验。

ATtiny44 的引脚定义

ATtiny44 引脚定义

有了这个，我会修改我在输入设备周做的 tiny45 板，再加一个排针，方便编程和串口监视，并把所有引脚都引出来，让这块板尽可能模块化。

我不会详细讲 Eagle 设计或铣削，因为我在输入设备周已经做过了。我只讲我可能没用过的命令，比如 replace，然后放几张主图和测试。

那就从重新设计开始吧！

我先打开旧的 Eagle 文件，在这里。
我试了 replace 命令，但把 ATtiny45 换成 ATtiny44 没成功；我想它们差别太大了。所以我只能添加新元件，用 net 重新连接并命名，然后在板上重新布线。看看吧。

这些是板的原理图和布局：

Tiny44 原理图原理图

Tiny44 电路板布局电路板布局

接下来，我运行 ULP pcb-gcode，就像输入设备里解释的那样。

G 代码隔离走线可视化

接下来，我用 Autoleveller 这个程序，也是在输入设备里解释过的，然后得到一份根据空白电路板的不平整做了调整的 G 代码。

Autoleveller 输出

铣削电路板

铣好的电路板

焊上元件后的 ATtiny44 板是这样的。

焊好元件的 ATtiny44 板焊好元件的板

现在电路板做好了，我改代码让它在 ATtiny44 上运行。一个值得注意的地方是，ATtiny44 需要软件串口库，我用这段代码引入它 #include <SoftwareSerial.h>。还有两件事让串口工作：库需要知道 RX 和 TX 是哪些引脚，SoftwareSerial Monitor(1, 0);；在 void setup() {} 里，我用 Monitor.begin(115200); 代替通常的 Serial.begin(115200); 来做串口监视器的初始化；最后，在 void loop() {} 里，每次我想让串口打印东西，都得用 Monitor.print(); 代替通常的 Serial.print();。

最后我的测试代码是这样的：

//libraries
#include <virtuabotixRTC.h>
#include <SoftwareSerial.h>

//Settings
virtuabotixRTC myRTC(3, 8, 7);// (CLK,DAT,RST)
int pumprelayPin1 = 2;
SoftwareSerial Monitor(1, 0);

//run once
void setup() {

   Monitor.begin(115200);
   
myRTC.setDS1302Time(50, 15, 16, 1, 24, 5, 2020); // sets seconds, minutes, hours (24h mode), day of the week, day, month, year) comment after first compile
  
  pinMode(pumprelayPin1, OUTPUT);
  
}

//run in loop
void loop() {
  myRTC.updateTime();//updates time
  Monitor.print("Current Time: ");
  Monitor.print(myRTC.hours);
  Monitor.print(":");
  Monitor.print(myRTC.minutes);
  Monitor.print(":");
  Monitor.print(myRTC.seconds);
  Monitor.println();
  delay (1000);
//condition (logic test)
if ((myRTC.minutes) == 16) digitalWrite(pumprelayPin1, HIGH);  
if ((myRTC.minutes) >= 17) digitalWrite(pumprelayPin1, LOW);

}

警告： 在跑内部 8 MHz 振荡器的 ATtiny44 上，115200 波特的 SoftwareSerial 不可靠（时序误差会让字符乱掉）。用 Monitor.begin(9600); 并把串口监视器设为 9600，这才是安全的速度。

现在来编程吧！想看不用 Arduino IDE 的另一种方法，请看嵌入式编程。

USBasp 编程器 USBasp