精准文字时钟：分钟级文字显示时间

组件与物料

项目简介

本项目制作一款 500×500 mm、重 5.5 kg 的壁挂式文字时钟，具备分钟级文字显示时间、线性秒显示、温湿度显示、数字/模拟时钟模式，内置生命游戏、Simon、俄罗斯方块三款游戏。支持主从时钟同步、PIR/多普勒雷达人体感应熄屏、触控操作、自动亮度调节。

文字时钟分类与本机定位

• 简单型：5 分钟分辨率（如“5 PAST”、“10 PAST”），约 20 个 LED 块，结构最简单。
• 中等型：11×10 LED 矩阵 + 4 个角落 LED，仍为 5 分钟分辨率，常用四角 LED 指示过分钟数。
• 高复杂度型（本机）：16×16 = 256 个 LED，实现 1 分钟分辨率 文字显示，支持上午/下午/夜间、同步状态、PIR 状态、线性秒显示等扩展信息。

核心改进点

• 无定制 PCB，全部采用现成模块 + 3 块小型实验板供电。
• 双层 14 mm MDF 板结构，后板四边内缩 10 mm，视觉厚度仅 14 mm（实为 34 mm），容纳手工布线矩阵。
• MAX7219 驱动板改用现成模块，避免贴片焊接，维护友好。
• TTP223 触控模块替代原版 IQS127D，四角安装于芝加哥螺栓上，螺栓同时固定玻璃、充当触控电极。
• DS3231 RTC 模块移除充电电阻 R5，改用不可充电纽扣电池。
• 4 mm 浮法玻璃 + 抛光边缘，芝加哥螺栓固定可拆卸。
• 双层防尘密封（后板贴壁密封 + 玻璃后密封）。
• 软件基于 Wouter Devinck 硬件与“加泰罗尼亚”Pijuana 固件，移植为英文显示并按个人语言习惯微调措辞（如 “A QUARTER”、“MINUTE” 单复数、正午/午夜专用文案、去掉 O'CLOCK 撇号等）。
• 新增线性秒显示（底行）、同步脉冲指示、PIR 开关提示、自动亮度校准电位器外露调节孔。

机箱设计

前板 503×503 mm，四边各留 1.5 mm 包边保护玻璃；后板 483×483 mm，黑色边缘配合内缩设计营造“超薄”视觉效果。两块金属挂画钩嵌入后板，螺丝张紧压实防尘密封条。

触控布局

四角 TTP223 模块，功能随模式切换：
文字时钟模式下——左上/右上：调节参数；左下：PIR 开；右下：PIR 关。
数字时钟设置模式下——左上/右上：时/分增减；左下：进入/切换/确认；右下：秒归零。

显示模式

1. 文字时钟（分钟级文字 + 底行线性秒）
2. 数字时钟
3. 温湿度（DHT22）
4. 模拟时钟（指针动画 + 底行线性秒）
5. 启动动画（版本号、作者、时钟名称）
6. 游戏：康威生命游戏、Simon 记忆、俄罗斯方块（按键逻辑仍在优化）

原型验证流程

1. 用 MAX7219 自带 8×8 点阵模块验证代码与布线，需按引脚映射表改接 6 根信号线（LED A-F 对应点阵引脚 16,15,3,4,10,11）。
2. 打印 62×62 mm 微缩文字版贴于点阵上，快速迭代文字排版。
3. 编写测试程序逐点亮灯验证 4 块 MAX7219 模块改接正确性。

文字-时间映射表

在 time.h 中定义每个单词对应的 LED 坐标（行、起始列、长度），在 time.cpp 中按规则组合单词。例如午夜 00:00 显示 “THE TIME IS TWELVE OCLOCK AT NIGHT”，正午显示 “TWELVE OCLOCK IN THE AFTERNOON”，午夜后始终显示 “IN THE MORNING”。

供电系统

• 统一 12 V 母线 → MP1584 降压模块（实验板）输出 5 V，再经两块配电实验板分发。
• MAX7219 模块级联供电，两端并联供电减压降。
• 实测电流：最低亮度 30 mA，最高 250 mA，建议 ≥500 mA 电源。
• LDR 光敏电阻检测环境光，配合软件滞回与外露电位器校准最大亮度对应光照阈值（默认 lightReading=600 对应 bright=15）。

模块互连拓扑

Arduino Nano 直连首块 MAX7219（CLK/DIN/LOAD），其余三块级联。4 块 MAX7219 分别驱动一块 8×8=64 LED 矩阵，共 256 颗 LED。布线最繁重部分为 MAX7219 至 LED 矩阵的 16 根总线（8 阳极 + 8 阴极）×4 模块。

LED 矩阵手工布线工艺

• 前板钻 256 个 6 mm LED 安装孔 + 18 mm 沉孔（反射增亮）。
• 每模块 8 根阴极母线（10 mm 高，由 15 mm 圆钉支撑）+ 8 根阳极母线（2 mm 高，悬空于 LED 阳极上）。
• LED 引脚经折弯治具成型（每颗 4 个弯折，共 1024 次），按颜色编码表对应焊接至 MAX7219 引脚。
• MAX7219 模块底部焊接 90° 排针引出 16 根信号线，电流设定电阻 R1 更换为 22 kΩ（匹配 3.2-3.8 V/20 mA 白色平顶 LED）。

人体感应方案

• PIR 方案：外置改装开关盒（含电源开关 + PIR 镜头），穿墙安装，5 V 供电，信号引入时钟。可通过触控开关启用/禁用，启用时无人则熄屏。
• 多普勒雷达方案（可选）：模块内置机箱，微波穿透玻璃/PVC 贴纸检测，每 15 分钟扫描一次，无人则熄屏至下一次检测到人。无需在玻璃开孔。

自动亮度校准

上电后通过 Mini USB 串口监视 lightReading 与 bright，在最强环境光下调节电位器使 lightReading=600 对应 bright=15（最大 PWM）。

时间设置与同步

数字时钟模式下触控左下进入设置，依次调整时/分，右下键秒归零。若接入主时钟 30 秒同步脉冲，时钟在“20 秒过”或“20 秒差”时自动校准至 30 秒；否则依靠 DS3231 温补晶振自由运行。

固件结构

• Brett_wordclock_v4_3.ino 主程序
• 模块：brightness、character、credits、display、life、serial、simon、temphum、tetris、time、timeanalog、touchbuttons
• 第三方库：Chronodot (DS3231)、DHT (DHT22)、LedControl (MAX7219)、stc (Tetris)、pitches.h

修改文字内容编辑 time.h，修改点亮规则编辑 time.cpp。作者建议每次微调保存新版本号，便于回滚。

资源链接

• 固件下载：Brett_wordclock_v4_5.zip
• 原版硬件库：wouterdevinck/wordclock
• 加泰罗尼亚固件：svcabre/wordclock
• 本项目 GitHub：brettoliver/wordclock（含原理图、代码、Inkscape 贴纸源文件）