Skip to content
BranchesTags

Repository files navigation

SandClock STM32

Digital sand clock reconstructed and ported to STM32F411CEU6 BlackPill.

Цифровые песочные часы, реконструированные и перенесённые на STM32F411CEU6 BlackPill.

The project is based on the idea of the original Arduino project by AlexGyver:

Original project: https://github.com/AlexGyver/DigiSand

This repository contains my STM32 version, adapted for my own hardware build, wiring, display orientation and firmware structure.

Русская версия

Описание

SandClock STM32 — это цифровые песочные часы на базе микроконтроллера STM32F411CEU6 BlackPill.

Проект использует две последовательно соединённые светодиодные матрицы MAX7219 8×8 и акселерометр MPU6050. Акселерометр определяет положение устройства, а прошивка симулирует пересыпание цифрового песка между двумя матрицами.

Изначально проект был собран по мотивам Arduino-проекта DigiSand от AlexGyver, но позже был перенесён на STM32. Версия на STM32 работает быстрее, стабильнее и имеет запас производительности для дальнейших улучшений.

Возможности

  • STM32F411CEU6 BlackPill вместо Arduino Nano.
  • Две последовательно соединённые матрицы MAX7219 8×8.
  • Акселерометр MPU6050 для определения ориентации.
  • Симуляция цифрового песка.
  • Настройка времени таймера внешними кнопками.
  • Настройка яркости матриц.
  • Сохранение настроек во Flash-памяти микроконтроллера.
  • Автоматическое сохранение настроек после изменения.
  • Индикация состояния акселерометра встроенным светодиодом.
  • Поддержка программной настройки ориентации акселерометра и матриц.
  • В планах: добавление пищалки / пьезодинамика.

Аппаратная часть

Основные компоненты:

Компонент Описание
Микроконтроллер STM32F411CEU6 BlackPill
Дисплей 2 × MAX7219 8×8 LED matrix
Датчик положения MPU6050
Кнопки 2 внешние кнопки
Дополнительно Пьезодинамик / пищалка в будущей версии

Подключение

Матрицы MAX7219

Две матрицы MAX7219 8x8 соединены последовательно.

В этой версии проекта MAX7219 подключены не к аппаратному SPI, а к обычным GPIO STM32. Передача данных выполняется программно, по SPI-подобному интерфейсу.

Сигнал MAX7219 Пин STM32 Назначение
CLK PB3 MAX7219_CLK
CS PB4 MAX7219_CS
DIN PB5 MAX7219_DIN
VCC 5V Питание матриц
GND GND Общая земля

Матрицы соединяются последовательно:

STM32 PB5 / MAX7219_DIN -> DIN первой матрицы
DOUT первой матрицы       -> DIN второй матрицы
CLK и CS                  -> общие для обеих матриц

MPU6050

Акселерометр MPU6050 подключен к шине I2C1.

Сигнал MPU6050 Пин STM32 Назначение
SCL PB6 I2C1_SCL
SDA PB7 I2C1_SDA
VCC 3.3V Питание модуля
GND GND Общая земля

Для STM32 безопаснее питать модуль MPU6050 от 3.3V. Некоторые платы MPU6050 имеют собственный стабилизатор и могут принимать 5V, но логика STM32 остается 3.3-вольтовой.

Кнопки

Внешние кнопки EXT_BTN1 и EXT_BTN2 работают как входы с внутренней подтяжкой STM32 к питанию.

Внешние резисторы не нужны.

Кнопка Пин STM32 Назначение
EXT_BTN1 PB8 Первая внешняя кнопка
EXT_BTN2 PB9 Вторая внешняя кнопка
UKEY PA0 Встроенная сервисная кнопка

Подключение:

GND ---- кнопка ---- PB8  EXT_BTN1
GND ---- кнопка ---- PB9  EXT_BTN2

Не подключайте эти кнопки к 3.3V.

Прошивка ожидает, что при нажатии кнопка замыкает входной пин на землю.

Встроенная кнопка UKEY используется как сервисная / тестовая кнопка.

Встроенный светодиод

Сигнал Пин STM32 Назначение
ULED PC13 Индикация состояния MPU6050

Служебные интерфейсы

Интерфейс Пины STM32 Назначение
SWD PA13 / PA14 Прошивка и отладка
USART1 PA9 / PA10 Последовательный порт, если понадобится

Управление

EXT_BTN1

  • Короткое нажатие: увеличить таймер на 1 секунду.
  • Удержание: увеличивать таймер по 10 секунд.

EXT_BTN2

  • Короткое нажатие: уменьшить таймер на 1 секунду.
  • Удержание: уменьшать таймер по 10 секунд.

EXT_BTN1 + EXT_BTN2

  • Одновременное нажатие: сбросить песок в стартовую камеру.

UKEY

  • Короткое нажатие: сбросить песок.
  • Удержание: переключать яркость матриц.

При изменении времени дисплей на несколько секунд показывает значение в формате MMSS, затем возвращается к анимации песка.

Индикация ULED

Встроенный светодиод ULED на PC13 показывает состояние акселерометра:

Поведение светодиода Значение
Медленное мигание MPU6050 работает и читается
Быстрое мигание MPU6050 не отвечает

Сохранение настроек во Flash

Прошивка хранит пользовательские настройки во внутренней Flash-памяти STM32.

Сохраняются:

  • установленное время таймера;
  • яркость матриц.

Сохранение происходит автоматически примерно через 2 секунды после последнего изменения времени или яркости.

Последний сектор Flash зарезервирован под настройки, поэтому linker script ограничивает область программы первыми 384 KB Flash-памяти.

Настройка осей и ориентации матриц

Если акселерометр или матрицы установлены иначе, ориентацию можно исправить программно.

Для этого используются define в файле:

Core/Inc/sand_clock_config.h

Основные настройки:

#define SAND_CLOCK_IMU_X_AXIS
#define SAND_CLOCK_IMU_X_SIGN
#define SAND_CLOCK_IMU_Y_AXIS
#define SAND_CLOCK_IMU_Y_SIGN
#define SAND_CLOCK_IMU_Z_AXIS
#define SAND_CLOCK_IMU_Z_SIGN

#define SAND_CLOCK_DISPLAY_MIRROR_X
#define SAND_CLOCK_DISPLAY_MIRROR_Y

Текущая прошивка уже настроена под мою сборку. Верх / низ и лево / право исправлены программно.

Текущий статус

Проект находится в состоянии рабочего прототипа.

Уже работает:

  • вывод на две матрицы MAX7219;
  • каскадирование двух матриц;
  • чтение MPU6050;
  • определение ориентации устройства;
  • симуляция цифрового песка;
  • управление таймером кнопками;
  • изменение яркости;
  • сохранение настроек во Flash;
  • индикация состояния акселерометра.

Планируемые улучшения

  • Добавить пищалку / пьезодинамик.
  • Добавить звуковой сигнал окончания таймера.
  • Добавить звук при перевороте устройства.
  • Уложить проводку внутри корпуса.
  • Заменить отладочную BlackPill с пинами на новую плату без гребёнок.
  • Улучшить сборку корпуса.

Отличия от Arduino-версии

Эта версия перенесена на STM32F411CEU6 BlackPill.

Преимущества STM32-версии:

  • более высокая производительность;
  • плавная симуляция песка;
  • больше памяти;
  • больше возможностей для дальнейшего расширения;
  • удобная работа с периферией STM32;
  • сохранение настроек во внутреннюю Flash-память.

Благодарности

Оригинальный проект:

Этот репозиторий содержит мою STM32-адаптацию проекта.

English version

Description

SandClock STM32 is a digital sand clock based on the STM32F411CEU6 BlackPill microcontroller board.

The project uses two chained MAX7219 8×8 LED matrix modules and an MPU6050 accelerometer. The accelerometer detects the device orientation, while the firmware simulates digital sand falling between the two LED matrices.

The project was inspired by the original Arduino-based DigiSand project by AlexGyver and later ported to STM32. The STM32 version is faster, more stable and has more performance headroom for future improvements.

Features

  • STM32F411CEU6 BlackPill instead of Arduino Nano.
  • Two chained MAX7219 8×8 LED matrix modules.
  • MPU6050 accelerometer for orientation detection.
  • Digital sand simulation.
  • Timer adjustment using external buttons.
  • Matrix brightness adjustment.
  • Settings stored in internal MCU Flash memory.
  • Automatic settings save after changes.
  • Accelerometer status indication using the onboard LED.
  • Software configuration for IMU and display orientation.
  • Planned: piezo buzzer / small speaker support.

Hardware

Main components:

Component Description
Microcontroller STM32F411CEU6 BlackPill
Display 2 × MAX7219 8×8 LED matrix
Orientation sensor MPU6050
Buttons 2 external buttons
Optional Piezo buzzer / small speaker in a future version

Connections

MAX7219 display connection

Two MAX7219 8x8 matrix modules are connected in a chain.

In this project the MAX7219 modules are not connected to the hardware SPI peripheral. They use ordinary STM32 GPIO pins, and the SPI-like protocol is implemented in firmware.

MAX7219 signal STM32 pin Function
CLK PB3 MAX7219_CLK
CS PB4 MAX7219_CS
DIN PB5 MAX7219_DIN
VCC 5V Matrix power
GND GND Common ground

The two matrix modules are connected in a chain:

STM32 PB5 / MAX7219_DIN -> DIN of the first matrix
DOUT of the first matrix -> DIN of the second matrix
CLK and CS               -> shared by both matrices

MPU6050

The MPU6050 accelerometer is connected to the I2C1 bus.

MPU6050 signal STM32 pin Function
SCL PB6 I2C1_SCL
SDA PB7 I2C1_SDA
VCC 3.3V Module power
GND GND Common ground

Using 3.3V power is the safer option with STM32. Some MPU6050 breakout boards include a regulator and may accept 5V, but STM32 logic is still 3.3 V.

Buttons

External buttons EXT_BTN1 and EXT_BTN2 are configured as active-low inputs with internal STM32 pull-up resistors.

External resistors are not required.

Button STM32 pin Function
EXT_BTN1 PB8 First external button
EXT_BTN2 PB9 Second external button
UKEY PA0 Onboard service button

Connection:

GND ---- button ---- PB8  EXT_BTN1
GND ---- button ---- PB9  EXT_BTN2

Do not connect these buttons to 3.3V.

The firmware expects a pressed button to short the input pin to ground.

The onboard UKEY button is used as a service / test button.

Onboard LED

Signal STM32 pin Function
ULED PC13 MPU6050 status indication

Service interfaces

Interface STM32 pins Function
SWD PA13 / PA14 Programming and debugging
USART1 PA9 / PA10 Serial port, if needed

Controls

EXT_BTN1

  • Short press: increase timer by 1 second.
  • Hold: increase timer repeatedly by 10 seconds.

EXT_BTN2

  • Short press: decrease timer by 1 second.
  • Hold: decrease timer repeatedly by 10 seconds.

EXT_BTN1 + EXT_BTN2

  • Press both buttons at the same time: reset sand to the starting chamber.

UKEY

  • Short press: reset sand.
  • Hold: cycle display brightness.

When the timer value is changed, the display shows the current value in MMSS format for a few seconds, then returns to the sand animation.

ULED indication

The onboard ULED on PC13 shows the MPU6050 status:

LED behavior Meaning
Slow blink MPU6050 is online and readable
Fast blink MPU6050 is not responding

Flash settings storage

The firmware stores user settings in the internal Flash memory of the STM32.

Stored settings:

  • timer value;
  • matrix brightness.

Settings are saved automatically about 2 seconds after the last timer or brightness change.

The last Flash sector is reserved for settings storage. Because of this, the linker script limits the application area to the first 384 KB of Flash memory.

Axis and display orientation configuration

If the accelerometer or LED matrices are installed differently, the orientation can be corrected in software.

The configuration is located in:

Core/Inc/sand_clock_config.h

Main configuration defines:

#define SAND_CLOCK_IMU_X_AXIS
#define SAND_CLOCK_IMU_X_SIGN
#define SAND_CLOCK_IMU_Y_AXIS
#define SAND_CLOCK_IMU_Y_SIGN
#define SAND_CLOCK_IMU_Z_AXIS
#define SAND_CLOCK_IMU_Z_SIGN

#define SAND_CLOCK_DISPLAY_MIRROR_X
#define SAND_CLOCK_DISPLAY_MIRROR_Y

The current firmware is already configured for my physical build. Matrix direction and accelerometer orientation are corrected in software.

Current status

The project is a working prototype.

Already working:

  • output to two MAX7219 matrices;
  • chained MAX7219 modules;
  • MPU6050 reading;
  • device orientation detection;
  • digital sand simulation;
  • timer control using buttons;
  • brightness adjustment;
  • settings storage in Flash;
  • accelerometer status indication.

Planned improvements

  • Add piezo buzzer / small speaker.
  • Add timer finish sound.
  • Add sound when the device is flipped.
  • Improve internal wiring.
  • Replace the debug BlackPill board with a clean board without pin headers.
  • Improve the final assembly.

Differences from the Arduino version

This version was ported to STM32F411CEU6 BlackPill.

Advantages of the STM32 version:

  • higher performance;
  • smoother sand simulation;
  • more memory;
  • more room for future expansion;
  • convenient STM32 peripheral support;
  • settings stored in internal Flash memory.

Credits

Original project:

This repository contains my STM32 adaptation of the project.

About

Цифровые песочные часы на STM32. Digital sand clock on STM32F411 BlackPill with MAX7219 LED matrices and MPU6050.

Topics

alexgyverdigital-clockmax7219mpu6050sand-simulationstm32stm32f411ceu6

Resources

Readme
Activity

Stars

1 star

Watchers

0 watching

Forks

0 forks
Report repository

Releases

Packages

Contributors

Languages