用 I2C port expander 制作 LED 鐘

寫 code 可以叫 “編程 programming”，但我覺得叫 “程式設計 software design” 更理想，屬於設計過程，由明確目的開始入手，而唔係類似教科書咁順向學習或者研究，限制於唯一造法。由寫鐘開始學寫 code 係一個唔錯嘅選擇，因為目標明確，只要達到目的就可以，可能性可以有好多；例如主流用 Arduino UNO R3 制作一個鐘需要加需要入電芯嘅時鐘模块，但咁図嘅一個鐘同市面上可以買倒嘅商品原理差唔多，大路唔代表有商業價值。

設計係由目的開始，DIY 造一個鐘絶對稱唔上慳錢或者美觀，要揾倒同造到市面上嘅產品無類似嘅功能，先有針對性嘅存在價值。我用一塊長期插電又無電芯儲存時間嘅 Wemos D1 R2 造鐘，靠每次駁通 wifi 之後由 internet 取得國際時間，換黎唔駛校時間嘅方便。上網揾 code 黎抄唔容易，主流係用 udp 問 time server 攞時間，另外有一種方法係由 gateway 嘅 http header 裏面擇時間資訊；到後期我先揾倒 call TimeLib.h struct tm 嘅寫法啲 code 最簡洁，試出 delay 幾耐同改良到 while 一段時間就要放棄先係真正要自己寫嘅 code。

#include <TimeLib.h>
struct tm time_tm;
time_t  time_ntp = 0;
...
  
void fn_ntp_sync(int8_t timeZone) {
    configTime(0, 0, "pool.ntp.org", "asia.pool.ntp.org");
    uint32_t beginWait = millis();
    while ((millis() - beginWait < 1000) && (time_ntp < 16 * 60 * 60)) {
        delay(200);
        time_ntp = time(nullptr);
        if (time_ntp > 16 * 60 * 60) {
            time_ntp = time_ntp + 1 + (timeZone * 60 * 60);
            setTime(time_ntp);
            gmtime_r(&time_ntp, &time_tm);
            Serial.print("time: ");
            Serial.println(pad2digit(hour()) + ":" + pad2digit(minute()) + ":" + pad2digit(second()));
        }
    }
}
String pad2digit(uint8_t number) {
    if (number < 10) {
        String s = String(number);
        return '0' + s;
    }
    else {
        String s = String(number);
        return s;
    }
}

ntp-time.ino (part)
​x
 
#include <TimeLib.h>
struct tm time_tm;
time_t  time_ntp = 0;
...
  
void fn_ntp_sync(int8_t timeZone) {
    configTime(0, 0, "pool.ntp.org", "asia.pool.ntp.org");
    uint32_t beginWait = millis();
    while ((millis() - beginWait < 1000) && (time_ntp < 16 * 60 * 60)) {
        delay(200);
        time_ntp = time(nullptr);
        if (time_ntp > 16 * 60 * 60) {
            time_ntp = time_ntp + 1 + (timeZone * 60 * 60);
            setTime(time_ntp);
            gmtime_r(&time_ntp, &time_tm);
            Serial.print("time: ");
            Serial.println(pad2digit(hour()) + ":" + pad2digit(minute()) + ":" + pad2digit(second()));
        }
    }
}
String pad2digit(uint8_t number) {
    if (number < 10) {
        String s = String(number);
        return '0' + s;
    }
    else {
        String s = String(number);
        return s;
    }
}

我認為比較唔同方法之後，培養懂得分辯好壞嘅能力相當重要，相當於抄功課要抄得叻嘅能力，修正教育界長期灌輸要由零開始靠自己造功課嘅觀念，只會限制於個人能力而無法解決復雜問題。

淘宝有 4位 LED 時鐘顯示模块，配閑 SPI 嘅 MAX7219 LED 驅動；但我希望閑 I2C 整合其他功能，只能夠就要靠 I2C port expander 增加 GPIO 数目到 12 個以上，然後靠 Wemos D1 R2 嘅運算能力驅動。SX1509 係我認為最好但唔係主流嘅 I2C port expander，有 PWM 功能可以將 LED 光度調到日頭睇唔倒咁暗，適合用黎造床頭鐘；好好彩仲有一款面臨絶跡嘅正方形版，啲窿位啱啱好督得入 LED 顯示模块果 12 隻腳，透過共陰或者共陽串通 4*7 粒 LED 加冒號。腳位無統一標準，邊度買就睇番邊份 pinout 先知邊隻腳著邊粒燈，相對 I2C 係通用嘅協定，可以將腳数減至四隻，而且可以同其他元件同時共用，於是我就可以用四腳插頭將 LED 顯示模块連 SX1509 轉為可裝拆嘅模組。

一個跳字鐘嘅原理離唔開逐個字輪流著燈，只需要對番晒啲 GPIO 就可以，需要由零開始自己去諗邏輯寫番出黎，對我黎講 function 開幾多個 parameter 位就相當於幾多支針腳去理解。我覺得依個習作相當唔錯，好接近學校造功課訓練邏輯思維嘅性質，絶對比中學程度数學 solve equation 更實用，起碼明白到日常接觸到嘅電子設傋內裏嘅運作其實一啲都唔簡單。我用左 task library 造到 multi task 效果，避免用 delay，只係用 delayMicroseconds 著 1/1000ms 燈，refresh rate 係 50Hz 先順暢，越快粒 mcu 就越辛苦。

完成之後相當於以軟件形式取代市價大約只值幾蚊雞嘅 LED 硬件驅動，有光暗唔穏定問題，如果遇到某啲 lbrary 有用 delay 就會疾，形成浪費算力，帶出寫 code 有好壞之分唔係閑倒就算，質素唔同数量難以測量，寫 code 係零成本明顯唔可以由金錢去衡量。

//*******************************************************************
//  setup(): fn_ledclock_begin();
//  fn_loop_20ms(): fn_ledclock_display();
//*******************************************************************
const uint8_t pin_digit[] = { 5, 2, 1, 15 }; //common anode
const uint8_t pin_segment[] = { 4, 0, 13, 11, 10, 3, 14, 12 }; //A,B,C,D,E,F,G,DP
const uint8_t ledclock_brightness = 5; //0-255
bool ledclock_ready = false;
void segment_display(bool a, bool b, bool c, bool d, bool e, bool f, bool g);
void segment_on(uint8_t i);
void segment_off(uint8_t i);
void digi_on(uint8_t i);
void digi_display(char n);
void digi_clear();
//*******************************************************************
// led_clock & sx1509
//*******************************************************************
void fn_ledclock_begin() {
  if (sx.begin(sx_add)) {
    for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
      sx.pinMode(pin_segment[j], ANALOG_OUTPUT);
    }
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
      sx.pinMode(pin_digit[i], OUTPUT);
    }
    ledclock_ready = true;
  }
}
void fn_ledclock_display() {
  if (ledclock_ready) {
    static String time_string = "";
    static uint8_t minute_o = 0;
    if (minute_o != minute()) {
      time_string = pad2digit(hour()) + pad2digit(minute());
      minute_o = minute();
    }
    for (uint8_t time_slot = 0; time_slot < 4; time_slot++) {
      digi_display(time_string.charAt(time_slot));
      if (time_slot == 1) {
        second() % 2 ? segment_off(7) : segment_on(7);  //handle dp
      }
      else {
        segment_off(7);
      }
      yield();
      digi_on(time_slot);
      delayMicroseconds(1);
      digi_clear();
      yield();
    }
  }
}
void digi_display(char n) {
  if (n == '0') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 1, 1, 0);
  }
  else if (n == '1') {
    segment_display(0, 1, 1, 0, 0, 0, 0);
  }
  else if (n == '2') {
    segment_display(1, 1, 0, 1, 1, 0, 1);
  }
  else if (n == '3') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 0, 0, 1);
  }
  else if (n == '4') {
    segment_display(0, 1, 1, 0, 0, 1, 1);
  }
  else if (n == '5') {
    segment_display(1, 0, 1, 1, 0, 1, 1);
  }
  else if (n == '6') {
    segment_display(1, 0, 1, 1, 1, 1, 1);
  }
  else if (n == '7') {
    segment_display(1, 1, 1, 0, 0, 0, 0);
  }
  else if (n == '8') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1);
  }
  else if (n == '9') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 0, 1, 1);
  }
}
void segment_display(bool a, bool b, bool c, bool d, bool e, bool f, bool g) {
  a ? segment_on(0) : segment_off(0);
  b ? segment_on(1) : segment_off(1);
  c ? segment_on(2) : segment_off(2);
  d ? segment_on(3) : segment_off(3);
  e ? segment_on(4) : segment_off(4);
  f ? segment_on(5) : segment_off(5);
  g ? segment_on(6) : segment_off(6);
}
void digi_clear() {
  for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
    sx.digitalWrite(pin_digit[i], LOW);
  }
}
void segment_on(uint8_t i) {
  sx.analogWrite(pin_segment[i], ledclock_brightness);
}
void segment_off(uint8_t i) {
  sx.analogWrite(pin_segment[i], 0);
}
void digi_on(uint8_t i) {
  sx.digitalWrite(pin_digit[i], HIGH);
}

fn_ledclock.h
 
//*******************************************************************
//  setup(): fn_ledclock_begin();
//  fn_loop_20ms(): fn_ledclock_display();
//*******************************************************************
const uint8_t pin_digit[] = { 5, 2, 1, 15 }; //common anode
const uint8_t pin_segment[] = { 4, 0, 13, 11, 10, 3, 14, 12 }; //A,B,C,D,E,F,G,DP
const uint8_t ledclock_brightness = 5; //0-255
bool ledclock_ready = false;
void segment_display(bool a, bool b, bool c, bool d, bool e, bool f, bool g);
void segment_on(uint8_t i);
void segment_off(uint8_t i);
void digi_on(uint8_t i);
void digi_display(char n);
void digi_clear();
//*******************************************************************
// led_clock & sx1509
//*******************************************************************
void fn_ledclock_begin() {
  if (sx.begin(sx_add)) {
    for (uint8_t j = 0; j < 8; j++) {
      sx.pinMode(pin_segment[j], ANALOG_OUTPUT);
    }
    for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
      sx.pinMode(pin_digit[i], OUTPUT);
    }
    ledclock_ready = true;
  }
}
void fn_ledclock_display() {
  if (ledclock_ready) {
    static String time_string = "";
    static uint8_t minute_o = 0;
    if (minute_o != minute()) {
      time_string = pad2digit(hour()) + pad2digit(minute());
      minute_o = minute();
    }
    for (uint8_t time_slot = 0; time_slot < 4; time_slot++) {
      digi_display(time_string.charAt(time_slot));
      if (time_slot == 1) {
        second() % 2 ? segment_off(7) : segment_on(7);  //handle dp
      }
      else {
        segment_off(7);
      }
      yield();
      digi_on(time_slot);
      delayMicroseconds(1);
      digi_clear();
      yield();
    }
  }
}
void digi_display(char n) {
  if (n == '0') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 1, 1, 0);
  }
  else if (n == '1') {
    segment_display(0, 1, 1, 0, 0, 0, 0);
  }
  else if (n == '2') {
    segment_display(1, 1, 0, 1, 1, 0, 1);
  }
  else if (n == '3') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 0, 0, 1);
  }
  else if (n == '4') {
    segment_display(0, 1, 1, 0, 0, 1, 1);
  }
  else if (n == '5') {
    segment_display(1, 0, 1, 1, 0, 1, 1);
  }
  else if (n == '6') {
    segment_display(1, 0, 1, 1, 1, 1, 1);
  }
  else if (n == '7') {
    segment_display(1, 1, 1, 0, 0, 0, 0);
  }
  else if (n == '8') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 1, 1, 1);
  }
  else if (n == '9') {
    segment_display(1, 1, 1, 1, 0, 1, 1);
  }
}
void segment_display(bool a, bool b, bool c, bool d, bool e, bool f, bool g) {
  a ? segment_on(0) : segment_off(0);
  b ? segment_on(1) : segment_off(1);
  c ? segment_on(2) : segment_off(2);
  d ? segment_on(3) : segment_off(3);
  e ? segment_on(4) : segment_off(4);
  f ? segment_on(5) : segment_off(5);
  g ? segment_on(6) : segment_off(6);
}
void digi_clear() {
  for (uint8_t i = 0; i < 4; i++) {
    sx.digitalWrite(pin_digit[i], LOW);
  }
}
void segment_on(uint8_t i) {
  sx.analogWrite(pin_segment[i], ledclock_brightness);
}
void segment_off(uint8_t i) {
  sx.analogWrite(pin_segment[i], 0);
}
void digi_on(uint8_t i) {
  sx.digitalWrite(pin_digit[i], HIGH);
}