基于嵌入式Qt的多功能电子台历

发表于 2022-12-21 更新于 2023-08-27 分类于嵌入式本文字数： 12k 阅读时长 ≈ 11 分钟

嵌入式系统是指将计算机系统集成到其它产品中的技术。这种技术的目的是使用计算机系统来控制和协调其它产品的运行，并通过计算机系统来实现更复杂和更高效的功能。

1．嵌入式系统概念简述

嵌入式系统通常由以下几个部分组成：

微处理器：这是嵌入式系统的核心，用于执行指令并控制其它部件的运行。
存储器：包括ROM、RAM和Flash等不同类型的存储器，用于保存程序和数据。
接口：包括串口、并口、SPI、I2C等不同类型的接口，用于连接外部设备和传输数据。
外设：包括显示器、键盘、鼠标、打印机、传感器等不同类型的外设，用于实现更多的功能和交互。

嵌入式系统应用广泛，可以用于汽车、家电、医疗、军事等不同领域。

2．环境搭建

安装虚拟机首先，需要在电脑上安装好Parallels Desktop软件。打开Parallels Desktop软件，在软件的主界面中点击“创建新虚拟机”按钮。在弹出的向导窗口中，选择“安装操作系统”，并点击“继续”按钮。接下来，选择“Ubuntu”作为要安装的操作系统，并点击“继续”按钮。在接下来的界面中，输入虚拟机的名称、用户名和密码，并设置虚拟机的内存、硬盘大小等参数。点击“完成”按钮，开始安装Ubuntu虚拟机。安装过程中，会提示选择安装方式，选择“安装Ubuntu”即可。安装完成后，在Parallels Desktop的主界面中，会看到刚才创建的Ubuntu虚拟机，双击虚拟机图标即可启动虚拟机。

在虚拟机中，输入用户名和密码，登录Ubuntu系统，即可使用Ubuntu虚拟机。
安装Linux系统并进行NFS及交叉编译工具链等的配置设置NFS共享目录：在Ubuntu系统上安装NFS服务器软件包： sudo apt-get install nfs-kernel-server 创建共享目录/nfs-share，并设置相应的权限： sudo mkdir /nfs-share sudo chmod -R 777 /nfs-share 编辑/etc/exports文件，添加对/nfs-share目录的共享配置： sudo nano /etc/exports 在/etc/exports文件中添加如下内容： /nfs-share *(rw,sync,no_subtree_check) 重启NFS服务器，使配置生效： sudo service nfs-kernel-server restart 在开发板上挂载共享目录： sudo mount -t nfs [虚拟机IP地址]:/share 经过以上步骤后，虚拟机上的/share目录就会被共享到开发板上，开发板可以通过/share目录访问虚拟机上的文件。交叉编译工具链配置：

由于我的物理机CPU为Apple M1 Pro，属于ARM64架构，使用命令lscpu | grep “Architecture”查看架构如下图所示，与开发板架构一样，所以我无需配置交叉编译，直接使用gcc编译即可
配置编译Kernel和Roofs
1. 下载 Linux 的内核源代码。
2. 针对所使用的目标平台，对源代码进行配置。
  
  ① 查看源码
  
  ② 编辑make_deb.sh文件
  
  ③执行“make ARCH=arm menuconfig” 配置内核
3. 交叉编译 Linux 源代码得到内核映像文件 zImage。
4. 编译配置Qt4.8.7环境在Ubuntu ARM64系统中安装编译工具和库文件： sudo apt-get install build-essential libncurses5-dev libssl-dev bison flex 下载Qt4.8.7源代码，并解压到当前目录： wget https://download.qt.io/archive/qt/4.8/4.8.7/qt-everywhere-opensource-src-4.8.7.tar.gz tar xvfz qt-everywhere-opensource-src-4.8.7.tar.gz 进入Qt4.8.7源代码目录，并执行配置命令： cd qt-everywhere-opensource-src-4.8.7 ./configure -platform linux-arm-gnueabi-g++ 执行./configure命令后，会根据系统环境和你提供的参数，自动生成Qt4.8.7编译所需的Makefile文件。编译Qt4.8.7： make sudo make install 经过以上步骤后，就可以在Ubuntu ARM64系统中编译并安装Qt4.8.7了。

3．Linux设计

DHT11：

A. 电路原理图

B. 驱动控制电平分析 DHT11温湿度传感器上电后，总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。 DHT11传感器的DATA引脚检测到外部信号有低电平时，等待外部信号低电平结束，延迟后DHT11的 DATA引脚处于输出状态，输出80微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出 80 微秒的高电平通知外设准备接收数据，微处理器的 I/O 此时处于输入状态，检测到 I/O 有低电平（DHT11 回应信号）后，等待80微秒的高电平后的数据接收。当主机变为输入模式后，检测到总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一bit数据都以50us低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是“0”还是“1”。

蜂鸣器：

A. 电路原理图

B. 驱动控制电平分析观察蜂鸣器接口电路图(如上图所示)，其中的蜂鸣器接在 NPN 型三极管的集电极，而三极管的基极接到了芯片的 GPIO1_19 引脚上，当该引脚输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器响，当输出低电平时，三极管截止，蜂鸣器不响; C. 驱动程序及其分析编写驱动程序，在 Ubuntu 的/nfs-share 目录下新建一个名为 buzzer 的目录，然后在该目录下通过 vim 创建一个名为 bz_drv.c 的文件，并输入如下所示的内容，完成后存盘退出

#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/device.h>
volatile unsigned long *(CCM_CCGR1) = NULL; //指向CCM模块中CCGR1寄存器的指针，用于控制模块的时钟。
volatile unsigned long *(IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_RTS_B) = NULL; //指向IOMUXC模块中的寄存器，用于控制UART1的RTS引脚的复用
volatile unsigned long *(IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_RTS_B) = NULL; //指向IOMUXC模块中的寄存器，用于控制UART1的RTS引脚的引脚配置
volatile unsigned long *(GPIO1_GDIR) = NULL; //指向GPIO1模块中的寄存器，用于控制GPIO1引脚的方向
volatile unsigned long *(GPIO1_DR) = NULL; //指向GPIO1模块中的寄存器，用于控制GPIO1引脚的输出值
static struct class *bz_drv_class; //一个指向设备类的指针，用于在内核中注册设备。
static int bz_dev_open(struct inode *inode, struct file *file) {
   *(CCM_CCGR1) |= 0xC000000; //在 CCM_CCGR1 寄存器中设置控制字段，以启用 UART1 模块
   *(IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_RTS_B) = 0x5; //配置 UART1 的 RTS_B 接口
   *(IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_RTS_B) = 0x1F038;  //配置 UART1 的 RTS_B 接口
   *(GPIO1_GDIR) |= 0x80000; //配置 GPIO1 接口的方向，使其成为输出接口
   return 0;
}
static ssize_t bz_dev_write(struct file *filp, const char *buf, size_t count, loff_t * f_pos)
{
   int val = 1; //声明参数val，并赋值1
   unsigned long n;
   n = copy_from_user(&val, buf, count); //从用户空间获取val参数的值
   if(val==0)//打开蜂鸣器
   *(GPIO1_DR) |= (1<<19); 
   else//关闭蜂鸣器
   *(GPIO1_DR) &= ~(1<<19); 
   return 0;
}
static struct file_operations bz_dev_fops = {
   .owner = THIS_MODULE, //表示模块的所有权，即指向当前模块的指针
   .open = bz_dev_open, //函数指针，用于打开设备文件
   .write = bz_dev_write, //函数指针，用于向设备文件写入数据
};
int major;
static int bz_dev_init(void) {
   major = register_chrdev(0, "buzzer", &bz_dev_fops); //注册一个字符设备，并获取主设备号
   bz_drv_class = class_create(THIS_MODULE, "buzzer"); //创建一个设备类
   device_create(bz_drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buzzer"); //在该设备类下创建一个设备
   CCM_CCGR1 = (volatile unsigned long *)ioremap(0x20C406C, 4); //将物理地址映射到内核虚拟地址，以便能够访问寄存器
   IOMUXC_SW_MUX_CTL_PAD_UART1_RTS_B = (volatile unsigned long *)ioremap(0x20E0090, 4); //将物理地址映射到内核虚拟地址，以便能够访问寄存器
   IOMUXC_SW_PAD_CTL_PAD_UART1_RTS_B = (volatile unsigned long *)ioremap(0x20E031C, 4); //将物理地址映射到内核虚拟地址，以便能够访问寄存器
   GPIO1_GDIR = (volatile unsigned long *)ioremap(0x0209C004, 4); //将物理地址映射到内核虚拟地址，以便能够访问寄存器
   GPIO1_DR = (volatile unsigned long *)ioremap(0x0209C000, 4); //将物理地址映射到内核虚拟地址，以便能够访问寄存器
   return 0;
}
static void bz_dev_exit(void) {
   device_destroy(bz_drv_class, MKDEV(major, 0)); //销毁设备
   class_destroy(bz_drv_class); //销毁设备类
   unregister_chrdev(major, "buzzer"); //注销字符设备，卸载设备驱动程序
} 
module_init(bz_dev_init); //定义了模块的初始化函数，在模块加载时被调用
module_exit(bz_dev_exit); //定义了模块的清除函数，在模块卸载时被调用
MODULE_LICENSE("GPL"); //定义了模块的许可证类型，通常是GPL（GNU General Public License）
MODULE_INFO(intree,"Y"); //定义了模块的一些信息，并将值设为“Y”，表示模块包含在内核树中。

网络更新程序：服务端使用Java部署在服务器上，用来处理客户端的HTTP Get请求，服务端代码及注释如下

import com.sun.net.httpserver.HttpExchange;
import com.sun.net.httpserver.HttpServer;

import java.io.IOException;
import java.io.OutputStream;
import java.net.*;
import java.time.ZoneId;
import java.time.ZonedDateTime;
import java.time.format.DateTimeFormatter;

public class Main {
    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // 创建一个HttpServer对象，并设置它监听的端口号
        HttpServer server = HttpServer.create(new InetSocketAddress(8000), 0);
        // 为服务端程序添加一个处理器，用于处理客户端发来的请求
        server.createContext("/time", (HttpExchange exchange) -> {
            // 获取当前时间
            ZonedDateTime now = ZonedDateTime.now();
            // 转化为东八区时间
            ZonedDateTime chinaTime = now.withZoneSameInstant(ZoneId.of("Asia/Shanghai"));
            // 将时间格式化为yyyy-MM-dd HH:mm:ss
            DateTimeFormatter formatter = DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");
            // 将时间格式化为字符串
            String formattedDateTime = chinaTime.format(formatter);
            // 调试输出
            System.out.println(formattedDateTime);
            // 设置响应的内容类型为文本
            exchange.getResponseHeaders().set("Content-Type", "application/json; charset=utf-8");
            // 将时间字符串写入响应体
            exchange.sendResponseHeaders(200, formattedDateTime.length());
            OutputStream os = exchange.getResponseBody();
            os.write(formattedDateTime.getBytes());
            os.close();
        });
        // 启动服务端程序，开始处理客户端请求
        server.start();
    }
}

2客户端直接调用Qt自带类库发起Get请求，并获取响应体内容（即格式化后的日期和时间），代码如下所示

void MainWindow::on_syncButton_clicked()//网络校准按钮点击时发送HTTP GET请求，请求地址为http://localhost:8000/time(localhost为本机地址，也可以指定服务器域名)，响应体为格式化后的yyyy-MM-dd
{
    // 创建一个QNetworkAccessManager对象，用于发送网络请求
     QNetworkAccessManager manager;
     // 发送一个GET请求到http://localhost:8000/time
     QNetworkReply* reply = manager.get(QNetworkRequest(QUrl("http://localhost:8000/time")));
     // 等待响应完成
     QEventLoop loop;
     QObject::connect(reply, SIGNAL(finished()), &loop, SLOT(quit()));
     loop.exec();
     // 获取响应体的内容
     QByteArray responseData = reply->readAll();
     // 将响应体的内容转换为字符串
     QString responseString = QString::fromUtf8(responseData);
     QDateTime networkTime = QDateTime::fromString(responseString,"yyyy-MM-dd hh:mm:ss");
     setTime(networkTime.time().hour(),networkTime.time().minute(),networkTime.time().second(),networkTime.date().year(),networkTime.date().month(),networkTime.date().day());
}

4．Qt设计

日历实现

从控件库中拖动一个Calendar Widget和一个Label到mainwindow

对日历控件做如下设置

ui->calendarWidget->setVerticalHeaderFormat(QCalendarWidget::NoVerticalHeader);//去除年和月标题
ui->calendarWidget->setGridVisible(true);//网格模式
ui->calendarWidget->setSelectionMode(QCalendarWidget::NoSelection);//设置不可修改
ui->calendarWidget->setNavigationBarVisible(false);//去除导航栏

创建一个线程，getDate(int,int,int)函数获取当前时间时分秒，run()函数判断当前时间是否是23:59:59，如果是则发送信号使日历+1，如下所示

#include "refreshcalendarwidget.h"
#include <QTime>
refreshCalendarWidget::refreshCalendarWidget()
{
}
void refreshCalendarWidget::getDate(int hh,int mm,int ss)//获取当前时间
{
    recordHour = hh;
    recordMinute = mm;
    recordSeconde = ss;
}
void refreshCalendarWidget::run()
{
    while(1)//循环判断是否需要对日历进行+1操作
    {
        if (recordHour == 23 && recordMinute == 59 && recordSeconde == 59)
            emit sendDate(true);
        else
            emit sendDate(false);
        sleep(1);
     }
}

日历设计界面

时钟实现创建两个线程，一个线程在程序启动时就开始运行，循环获取系统时间，在LCD Number中显示，另一个线程在用户启动它时用setTime(int,int,int)函数获取设置的时间，然后使用重复获取系统时间的方法来计算时间差，然后调用QDateTime的secsTo()函数判断时间差是否为1s，达到更新时间的目的，关键代码如下所示

#include "timethread.h"
#include <QTime>
timeThread::timeThread()
{
}
void timeThread::setTime(int hh,int mm,int ss)//设置自定义的时间
{
     qtime.setHMS(hh,mm,ss,0);
     recordTime = QDateTime::currentDateTime();//获取当前系统时间
}
void timeThread::run()
{
    while(1)//循环判断系统时间和手动设置的时间差是否为1秒
    {
        if (QDateTime::currentDateTime().secsTo(recordTime) != 0)
        {
            recordTime = QDateTime::currentDateTime();//更新记录的时间
            qtime = qtime.addSecs(1);//手动设置的时间+1秒
        }
        emit refreshTime(qtime.toString("hh:mm:ss"));//发送时间到主线程
        usleep(100);
     }
}

时钟设计界面

时钟显示代码

void MainWindow::DisplayTime(QString time)//程序打开时默认显示系统时间
{
    ui->lcdNumber->display(time);
}

void MainWindow::updateTime(QString time)//手动设置时间后显示时间
{
    if (isSet)//如果是手动设置的时间则将时间传给myNow
        myNow = time;
    ui->lcdNumber->display(time);
}

温湿度实现新建一个线程，run()函数里面循环读入/dev/dht11文件的数据，并从数据中取出温湿度并发送到主线程，关键代码如下所示

#include "dhtthread.h"
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

dhtThread::dhtThread()
{
}
void dhtThread::run()//打开/dev/dht11并循环读取温湿度数据
{

    char dht[16];
    int dhtfd = open("/dev/dht11",O_RDONLY);

    while(1)
    {
        read(dhtfd,dht,16);
        emit sendDHT(QString::number(dht[2]),QString::number(dht[0]));
        sleep(1);
     }
}

温湿度设计界面

温湿度显示代码

void MainWindow::displayDHT(QString temperature, QString humidity)//显示温湿度
{
    ui->temperatureLabel->setText(temperature);
    ui->humidityLabel->setText(humidity);
}

闹铃实现 1创建一个窗体，窗体内放入三个Spin Box，分别获取时分秒 2创建一个线程，使用setAlarm(int,int,int)函数获取1中设置的值，使用getTime(int,int,int)函数获取当前系统时间，run()函数循环判断两者是否相等，相等则发送信号，蜂鸣器响起函数alarmRing(bool)被执行，从而实现闹钟功能，关键代码如下所示

#include "alarmthread.h"
#include <QTime>
alarmThread::alarmThread()
{
}
void alarmThread::setAlarm(int hh,int mm,int ss)//设置闹钟时间
{
     alarmTime.setHMS(hh,mm,ss,0);
}
void alarmThread::getTime(int hh,int mm,int ss)//获取当前时间
{
     nowTime.setHMS(hh,mm,ss,0);
}

void alarmThread::run()
{
    while(1)//循环判断是否响起闹钟
    {
        if (alarmTime.hour() == nowTime.hour() && alarmTime.minute() == nowTime.minute() && alarmTime.second() == nowTime.second())
        {
            emit alarmRing(true);
        }
        else
            emit alarmRing(false);
        msleep(100);
     }
}

void MainWindow::alarmRing(bool ring)//闹钟
{
   if (ring)//闹钟响起
   {
       ringDialog->setModal(true);
       ringDialog->show();
       //打开蜂鸣器
       Buzzerfd = open("/dev/buzzer", O_RDWR);
       val = 0;
       write(Buzzerfd, &val, 1);

   }
   if (isSet == true)
        *time = QTime::fromString(myNow,"hh:mm:ss");
   else
       time->setHMS(QDateTime::currentDateTime().time().hour(),QDateTime::currentDateTime().time().minute(),QDateTime::currentDateTime().time().second(),0);
   alarmthread->getTime(time->hour(),time->minute(),time->second());
}

闹铃设计界面

闹铃控制代码在闹钟窗体放置一个Check Box，发送信号时带上其值，主线程判断是否开启闹钟，关键代码如下

void MainWindow::getAlarm(int hh, int mm,int ss,bool isOn)//设置闹钟
{
    if (isOn)//闹钟是否启用
    {
        alarmthread->setAlarm(hh,mm,ss);
        alarmthread->start();
    }
}

日历及时间设置实现 1新建一个窗体，放入3个Spin Box，1个Calendar Widget，分别设置时分秒和日期，然后发送信号到主线程的槽函数setTime(int,int,int,int,int,int)，槽函数启动手动设置时间的线程，关键代码如下所示

void MainWindow::setTime(int hh,int mm, int ss,int yyyy,int MM,int dd)//设置LCD显示的时间为手动设置的时间
{
    QString str = QString("%1-%2-%3").arg(yyyy).arg(MM).arg(dd);
    QDate date = QDate::fromString(str,"yyyy-M-d");
    TimeshowThread->terminate();//将默认显示系统时间的线程关闭
    TimeThread->setTime(hh,mm,ss);
    TimeThread->start();
    isSet = true;//将标志设置为真，表示当前LCD显示的时间已经修改为手动设置的时间
    ui->calendarWidget->setSelectedDate(date);
}

日历及时间设置设计界面

5．实际运行效果

6．小结

电子台历在嵌入式开发板上的实现是一个很有趣的项目，通过它可以学习到很多有关嵌入式开发的知识。在实现过程中，需要熟悉嵌入式开发板的使用，并对相关的硬件设备有一定的了解。需要编写驱动和代码来实现各种功能，例如网络对时、手动设置时间、设置蜂鸣器闹钟和使用 dht11 温湿度传感器实时显示温湿度，这些都是很实用的功能，也能够增加用户体验。总的来说，这是一个非常有趣和实用的项目，对于学习嵌入式开发有很大的帮助。在实现过程中，需要不断学习和实践，才能够掌握嵌入式开发的相关技能。

7．源码

GitHub