基于有限状态机的 Arduino 电子表 – YAKINDU Statechart Tools 实战

项目简介

本项目展示如何使用 YAKINDU Statechart Tools (SCT) 图形化建模有限状态机 (FSM)，自动生成 C++ 代码并部署到 Arduino，实现功能完整的数字电子表。包含时钟、日期、双闹钟、整点报时、秒表、背光控制等经典功能，通过 LCD Keypad Shield 交互。适合学习状态机建模、代码生成与嵌入式系统设计。

核心工具链

硬件平台

• Arduino UNO / Mega (兼容 LCD Keypad Shield 即可)
• LCD Keypad Shield (1602 字符屏 + 5 向按键 + 复位键)

状态机设计核心

功能规格 (参考 David Harel 经典数字表模型)

• 模式：时间显示 → 日期显示 → 闹钟1设置 → 闹钟2设置 → 报时开关 → 秒表
• 输入事件：onoff、mode、set、light、light_r (对应 5 向按键)
• 内部事件：every 100ms / time += 1 驱动时基
• 显示变量：display.first/second/third 分别对应 时/分/秒 或 年/月/日 等
• 输出操作：display.updateLCD(...) 刷新屏幕

状态机结构 (层次化设计)

• 顶层区域：主模式切换、背光控制、报时子状态机
• 子图：SetTime (通用时间编辑)、StopWatch (秒表含圈数)、Chime (整点报时)
• 高级元素：复合状态、历史状态 (浅/深)、退出节点、条件转移、内部转移

完整状态机图见项目图片（主图、子图拆解）。

LCD Keypad Shield 按键映射

5 个按键共用 A0 模拟口，通过分压电阻产生不同电压：

按键消抖与事件上报

#define NONE 0
#define SELECT 1
#define LEFT 2
#define DOWN 3
#define UP 4
#define RIGHT 5

int oldState = NONE;

static int readButton() {
  int result = analogRead(0);
  if (result < 50) return RIGHT;
  if (result < 150) return UP;
  if (result < 300) return DOWN;
  if (result < 550) return LEFT;
  if (result < 850) return SELECT;
  return NONE;
}

static void raiseEvents() {
  int buttonPressed = readButton();
  delay(80);                // 消抖延时
  oldState = buttonPressed;
  if (oldState != NONE && readButton() == NONE) { // 检测下降沿 (释放)
    switch (oldState) {
      case SELECT: stateMachine->getSCI_Button()->raise_mode(); break;
      case LEFT:   stateMachine->getSCI_Button()->raise_set(); break;
      case DOWN:   stateMachine->getSCI_Button()->raise_light(); break;
      case UP:     stateMachine->getSCI_Button()->raise_light_r(); break;
      case RIGHT:  stateMachine->getSCI_Button()->raise_onoff(); break;
    }
  }
}

主程序框架

DigitalWatch* stateMachine = new DigitalWatch();
CPPTimerInterface* timer_sct = new CPPTimerInterface();
DisplayHandler* displayHandler = new DisplayHandler();

void setup() {
  stateMachine->setSCI_Display_OCB(displayHandler); // 注册显示回调
  stateMachine->setTimer(timer_sct);                // 注册定时器接口
  stateMachine->init();
  stateMachine->enter();
}

long current_time = 0, last_cycle_time = 0;

void loop() {
  raiseEvents();                                    // 1. 处理按键事件
  last_cycle_time = current_time;
  current_time = millis();
  timer_sct->updateActiveTimer(stateMachine,        // 2. 更新定时器 (驱动 every 100ms)
                               current_time - last_cycle_time);
  stateMachine->runCycle();                         // 3. 运行状态机周期
}

DisplayHandler 关键实现

class DisplayHandler : public sc::io::Display_OCB {
  LiquidCrystal lcd;
public:
  DisplayHandler() : lcd(8,9,4,5,6,7) {} // LCD Keypad Shield 引脚
  void updateLCD(int first, int second, int third, const char* text) override {
    lcd.setCursor(0,0);
    // 格式化显示 HH:MM:SS 或 文本模式
    if (text) { lcd.print(text); }
    else {
      char buf[17];
      sprintf(buf, "%02d:%02d:%02d", first, second, third);
      lcd.print(buf);
    }
  }
};

获取与运行示例

1. 安装 YAKINDU SCT (非商业免费，30 天试用后需申请免费许可)
2. File → New → Example → YAKINDU Statechart Examples → Arduino - Digital Watch (C++)
3. 连接硬件，使用 Sloeber/Eclipse 或 Arduino IDE 编译上传

扩展与学习价值

• 掌握模型驱动开发 (MDD) 流程：建模 → 仿真 → 代码生成 → 集成
• 理解分层状态机、历史机制、正交区域 等高级建模概念
• 可移植到其他单片机 (STM32, ESP32 等) 仅需替换定时器/显示/按键驱动层
• 扩展功能：添加闹钟铃声 (蜂鸣器)、RTC 模块 (DS3231) 断电走时、蓝牙同步手机时间

资源链接

• YAKINDU SCT 下载：yakindu.org
• Sloeber Eclipse for Arduino：sloeber.io
• 项目源码/模型文件：见 Code 部分