这是一个基于CircuitPython的天气时钟项目，使用CircuitPython的官方库完成对应的功能。整体难度比较低，功能也不复杂，就是使用ESP32S3模块驱动st7789屏幕，并在屏幕上显示背景图片，并获取网络时间和天气信息，然后显示在屏幕上。

 

目前市面上有很多成品的ESP8266天气小电视，大家也都很喜欢。但是这个产品是使用Arduino开发的。我不会Arduino，会一点C语言和python，所以还是倾向使用ESP32来做这个产品，ESP32S3性能强劲，也可以扩展更多的功能，只是需要投入很多时间来做。

 

 

项目整体还是用ESP32-S3模组作为主控，1.69寸触屏作为显示屏（触摸功能还在搞）显示图片和天气信息、时钟等内容。

 

软件部分：为什么用 CircuitPython来开发

 

CircuitPython是一种用于嵌入式系统的Python解释器。它专门为微控制器和单片机设计，提供了一个简化的开发环境，使得使用Python语言编写硬件控制程序变得更加容易。CircuitPython支持许多不同的硬件平台，包括Adafruit的许多开发板和其他第三方开发板。它具有易于使用的API，使得与各种传感器、执行器和其他外设进行交互变得简单。CircuitPython还提供了许多内置的库，用于处理常见的硬件操作和通信协议。您可以使用CircuitPython来构建各种物联网设备、机器人、传感器节点等嵌入式系统。它是一个非常有用的工具，使得硬件编程对于初学者和专业人士来说都更加易于上手。

 

在关机状态下，Q2关断，POW_EN信号被R2拉低成低电平，LDO为关断状态，理论耗电低于2uA。当按下KEY后，Q2打开，将POW_EN拉高，开启LDO。LDO开启后，esp32的MCU_PWR_EN引脚给高电平信号给Q1（一直维持高电平，除非需要关机），Q1开启。此时完成电源开机。

 

在开机状态下，可以设置成长按KEY按键后，MCU_PWR_EN引脚给低电平信号给Q1，关闭Q2这个MOS，POW_EN信号被R2拉低成低电平，LDO为关断状态。

 

在开机状态下，KEY按键还可以配置单击和双击的功能，实现一个按键多种用途。

 

6.2 锂电池充电和电源切换电路

通过以下电路实现电源切换电路和防反接功能，VBUS 有5V输入时，Q3的VGS小于开启电压，关闭MOS。VBUS没电时通过VBAT供电，Q3寄生二极管导通，VINH=VBAT，开启MOS。D2实现VBUS和GND的防反接，Q3实现VBAT和GND的防反接功能。

 

锂电池充电使用常见的充电方案，电池电压检测建议添加一路MOS来控制，平时关闭，需要检测电池时打开。这样可以节省一些电。

关闭电源，拿掉ADC采样电阻的情况下，关断电流不到3uA，已经很舒服了。

 

6.3 触摸屏驱动部分

由于考虑做手表，淘宝上的1.69寸触摸屏就是最佳选择。ST7789V驱动IC，esp32的lv_driver带了驱动，可以直接使用，触摸屏是CST816D，需要移植驱动才可以用。分辨率是240x280彩色屏幕，接插座选FPC 18pin 前翻下接的0.5mm座子就行了。

就是这款触摸屏

 

由于屏幕和触摸大多数时候都是同时初始化的，所以触屏的RST引脚和屏幕驱动的RST引脚连在一起，使用一个引脚驱动就可以了。一般情况下，ST7789的CS引脚建议使用独立引脚控制，而不是直接接地，拉低CS脚。若引脚不够，可以CS引脚接地，但是SPI Mode需要切换到SPI Mode  3模式。常规的Mode 0模式，必须接CS脚控制屏幕。由于ESP32S3的IO电压是3.3V的，也懒得再折腾一个独立的1.8V电源轨道，屏幕电压和IO电压均使用3.3V。

背光直接使用数字三极管控制即可 。

 

由于前期设计时未做好调查，姿态检测方案选的是lis3dh芯片，该芯片仅支持3轴加速度检测，想做抬腕亮屏比较困难。重新找便宜的方案后，选择LSM6DS3TR-C作为抬腕亮屏的最新解决方案，原PCB已打样，只能考虑飞线解决，由于时间关系，也没来得及做相关的驱动和代码。

 

 

6.5 USB和ESP32部分

 

没啥好说的，就是常规做法，USB  TypeC 16pin座子，ESD保护，ESP32模组注意一下特殊IO的上电时序就行了。

 

 

 

7.1 绘制天气时钟的UI

 

由于这个屏幕用的是st7789驱动，我们只需要按原理图的配置，将屏幕的CS，DC，SCL，SDA，RST和背光信号设置成正确的引脚，然后使用adafruit_st7789库直接初始化屏幕即可。初始化屏幕时需要指定屏幕分辨率，偏移值，旋转角度等内容。然后将背景图片添加到图像组里，把时间信息和天气信息的标签添加到图像组里就可以了。

import board
# 导入displayio库（内置的）
import busio
import digitalio
import displayio
# 导入外部库adafruit_imageload，如果没有就在教程附件下载
import adafruit_imageload
# 导入外部库adafruit_display_text里的lable，用于显示标签
from adafruit_display_text import label
# 导入外部库adafruit_bitmap_font里的lable
from adafruit_bitmap_font import bitmap_font

from adafruit_st7789 import ST7789
import pwmio

displayio.release_displays()

spi = busio.SPI(board.IO10, MOSI=board.IO11)
tft_cs = board.IO9
tft_dc = board.IO46

pwm = pwmio.PWMOut(board.IO16)
pwm.duty_cycle = 28000

display_bus = displayio.FourWire(spi, command=tft_dc, chip_select=tft_cs, reset=board.IO12)

display = ST7789(display_bus, width=280, height=240, colstart=0, rowstart=20, rotation=270)

# 创建本例程里的唯一图像组
group = displayio.Group()

# 加载图片
image, palette = adafruit_imageload.load("/pic/tqbg2.png")
# 是否开启透明
palette.make_transparent(1)

# 创建图片布局
grid = displayio.TileGrid(image, pixel_shader=palette)

# 将图片布局添加到图像组，由于是第一个添加的，默认是最下层
group.append(grid)

# 显示当前图像组
display.show(group)

# 加载字体并定义字体颜色为黑色
font = bitmap_font.load_font("/font/sytq_16.pcf")
nun_font = bitmap_font.load_font("/font/DingTalk_ncn_60.pcf")
color = 0x000000

# 初始化日期标签并设置x，y轴绘图坐标，然后将标签添加到图像组
date = label.Label(font, text="10月3日", color=color)
date.x = 50
date.y = 30
group.append(date)

# 初始化星期标签并设置x，y轴绘图坐标，然后将标签添加到图像组
week = label.Label(font, text="周二", color=color)
week.x = 150
week.y = 30
group.append(week)

# 初始化时间标签并设置x，y轴绘图坐标，然后将标签添加到图像组
timeL = label.Label(nun_font, text="18:20", color=color)
timeL.x = 20
timeL.y = 96
group.append(timeL)

# 初始化温度标签并设置x，y轴绘图坐标，然后将标签添加到图像组
temp = label.Label(font, text="30°", color=color)
temp.x = 70
temp.y = 160
group.append(temp)

# 初始化天气标签并设置x，y轴绘图坐标，然后将标签添加到图像组
tempzh = label.Label(font, text="晴", color=color)
tempzh.x = 110
tempzh.y = 160
group.append(tempzh)

# 显示修改后的图像组
display.show(group)

7.2 连接wifi并获取ntp时间，天气信息

由于板子上没有硬件RTC时钟部分电路，esp32在完全关机后也会失去时间，我们使用网络校时的方式获取时间。直接使用

# 导入os库，用来获取wifi信息
import os
# 导入rtc库，实现RTC时钟
import rtc
# 导入wifi、time库备用
import wifi
import time

# 导入网络库备用
import ssl
import socketpool
import adafruit_ntp
import adafruit_requests

# 使用os.getenv函数，从setting.toml文件里获取wifi ssid和密码
ssid = os.getenv("CIRCUITPY_WIFI_SSID")
password = os.getenv("CIRCUITPY_WIFI_PASSWORD")

# 连接到 wifi
print("Connecting to", ssid)
wifi.radio.connect(ssid, password)
print("Connected to", ssid)

# 使用adafruit_ntp.NTP函数初始化ntp服务，第一个函数是确定网络连接端口，
# 第二个函数设置时区，中国是+8时区，第三个函数用来指定ntp服务器地址
pool = socketpool.SocketPool(wifi.radio)
ntp = adafruit_ntp.NTP(pool, tz_offset=8, server="ntp.aliyun.com")

# 使用ntp时间更新系统时间
rtc.RTC().datetime = ntp.datetime

def get_wday(wday):
    if (wday == 0):
        return "周一"
    elif (wday == 1):
        return "周二"
    elif (wday == 2):
        return "周三"
    elif (wday == 3):
        return "周四"
    elif (wday == 4):
        return "周五"
    elif (wday == 5):
        return "周六"
    elif (wday == 6):
        return "周日"

 

7.3 获取天气信息并更新

 

获取天气信息使用的是高德API，需要自行去高德注册账户获取相关的key。

然后通过API返还json数据，并解析相关数据更新屏幕即可。

# 初始化requests对象
pool = socketpool.SocketPool(wifi.radio)
requests = adafruit_requests.Session(pool, ssl.create_default_context())

def get_weather():
    # 设置城市id
    city = "450900"
    # 这个函数使用的是高德API，使用该API需要先去注册相关账户，申请key。
    key = "1xxx"
    # 拼接天气链接url
    getweather_url = "https://restapi.amap.com/v3/weather/weatherInfo?city=" + city + "&key=" + key
    # 获取天气json数据
    response = requests.get(getweather_url)
    json_resp = response.json()
    # 关闭连接
    response.close()
    # 解析json数据，并返回温度和天气信息
    for da in json_resp["lives"]:
        #print(da["temperature"])
        return da["temperature"], da["weather"]

 

7.4 主循环代码负责更新时钟和天气信息

这就没啥好说的了，就是开启个主循环更新下时间和天气信息罢了。

# 先创建一个status变量，用来在设备启动时获取天气信息
status = "boot"

# 主循环
while True:
    # 每秒获取一次本地RTC时间
    t = time.localtime()
    # 首次启动或者本地RTC时间的分钟属性为0时，更新日期标签和天气标签
    if (status == "boot" or t.tm_min == 0):
        # 更新日期标签
        date.text = "%d月%d日" % (t.tm_mon, t.tm_mday)
        week.text = get_wday(t.tm_wday)
        # 获取天气信息
        str_t, str_tz =  get_weather()
        # 更新温度标签
        temp.text = "%s°" % (str_t)
        # 更新天气标签
        tempzh.text = str_tz
        status = "updated"
    # 每隔1秒 更新一次时钟标签，用于动态显示
    if (t.tm_sec % 2 == 0):
        timeL.text = "%02d:%02d" % ( t.tm_hour, t.tm_min)
        timeL.color = 0x000000
    else:
        timeL.text = "%02d %02d" % ( t.tm_hour, t.tm_min)
        timeL.color = 0xD9D7C9
    # 刷新屏幕
    display.show(group)
    # 休眠1秒
    time.sleep(1)