ESP32C3炫酷时钟灯

工程描述

1. 项目概述

本项目是一款基于 ESP32 的多功能智能桌面摆件，将时钟、姿态感应、灯光艺术与屏幕动画集于一体。通过 MPU6050 六轴传感器感知桌面倾斜与震动，驱动 60 颗 WS2812 全彩 LED 灯环呈现丰富的动态灯效，同时搭配 0.96 英寸 IPS TFT 屏幕显示时间、状态与交互菜单。

2. 功能详述

2.1 时钟功能

大字时间显示（HH:MM:SS），底部显示日期（YYYY-MM-DD），顶部显示星期
LED 灯环模拟模拟时钟指针：时、分、秒三针分别以蓝、绿、红三色显示
两种指针模式：步进模式（三针独立显示）和进度条模式（秒针红色拖尾）
WiFi 连接状态下支持 NTP 自动对时，每 30 分钟同步一次
WiFi 状态指示：已连接显示绿色编号，未连接显示红色感叹号
支持手动设置年、月、日、时、分、秒

2.2 重力感应灯效

倾斜桌面的物理方向驱动 LED 灯环变化，共 7 种模式：

模式 1 - Dots（引力光点）

5 颗 LED 在重力方向聚集，色相随方向极慢渐变，中心亮度最高、两侧衰减。

模式 2 - Rainbow（彩虹光环）

60 颗 LED 铺满 HSV 全色相彩虹，重力反方向叠加白色高光点，旋转桌面时光点随之移动。

模式 3 - Gradient（重心光晕）

以重力方向为轴，一侧呈暖色渐变（红橙黄）、对侧呈冷色渐变（蓝紫），模拟日落光晕效果。

模式 4 - Bubble（水银气泡）

模仿水平仪中的水银气泡：一个亮白色光斑始终浮在灯环物理最高点，倾斜桌面时气泡沿环移动，具有惯性跟手感。

模式 5 - Swing（摇摆流光）

检测桌面晃动幅度，力度越大沿摇摆方向点亮的 LED 数量越多，颜色随时间缓慢循环。静止时灯环全灭。

模式 6 - Compass（罗盘指向）

通过陀螺仪积分追踪绝对方向，金色光柱锁定在固定方位角。无论桌面如何旋转，光柱始终指向同一地理方向。

模式 7 - Ripple（震动波纹）

检测加速度突变（敲击桌面），在震动位置触发一对双向扩散的彩色波纹，波峰逐渐衰减消失。

2.3 流水灯效

LED 灯环自动循环动态灯光，共 7 种模式：

模式 1 - SineWave（正弦波流光）

两列不同周期的正弦波在灯环上叠加流动，形成如丝带飘动的柔光效果。

模式 2 - Meteor（彩虹流星）

60 颗 LED 全部点亮，色相整体持续旋转，首尾相接形成闭环彩虹旋转效果。

模式 3 - Checker（棋盘格）

奇数位红色、偶数位蓝色交替排列，整体旋转，形成红蓝棋盘格滚动效果。

模式 4 - Half（红蓝半球）

灯环一半红色、一半蓝色，分界线持续旋转，两侧颜色互不干扰。

模式 5 - Segments（三色分段）

灯环均分为红、绿、蓝三段色块，缓慢整体旋转，色彩边界清晰。

模式 6 - Quad（四象限扫描）

四束白光从四个象限位置向中心汇聚，到达后再向外发散，形成十字交叉扫描效果。

模式 7 - Binary（二进制计数）

6-bit 二进制数值映射到灯环位置，数值递增时对应 LED 亮灭变化，形成滚动计数器效果。

2.4 屏幕显示模式

在设置菜单中可选择三种屏幕显示风格：

动态界面：时钟界面显示数字时间与日期，重力 / 流水界面显示当前模式名称、分类标签、简介说明与编号
静态图片：居中显示内置图片，可通过 Python 脚本将任意 JPG 转为位图数据嵌入固件
眼球动画：屏幕显示一对卡通眼球，瞳孔随当前场景动态变化 — 时钟模式瞳孔追踪秒针 360 度旋转；重力模式瞳孔跟随倾斜方向偏移；流水模式瞳孔以螺旋线旋转呈现眩晕效果

2.5 设置与校调

长按触摸键 2 秒进入设置菜单，旋转编码器选择项目，触摸单击确认进入编辑，SW 单击或双击触摸返回。

日期时间设置 — 可逐位设置年、月、日、时、分、秒。设置完成后若为 Auto 模式且 WiFi 已连接，立即执行一次 NTP 对时。

MPU6050 校准 — 六点均匀分布校准（0 度、60 度、120 度、180 度、240 度、300 度）。灯环上显示目标光点，将摆件旋转至光点与参考方向对齐后确认，依次完成全部六点。校准数据用于修正安装偏差。

亮度调节 — 五档全局亮度（20% / 40% / 60% / 80% / 100%），调节时灯环以红色实时预览当前亮度。

WiFi 管理 — 支持预置 4 组 SSID 与密码，设置内可选择并切换连接，显示当前连接状态。

显示模式 — 切换前述三种屏幕显示风格。

自动休眠 — 开关控制，时长 1 至 30 分钟可调，无操作倒计时归零后自动进入休眠。

2.6 休眠与唤醒

休眠状态下 ESP32 继续运行，维持软件时钟走时
LED 供电硬件切断，屏幕背光关闭
触摸按键、SW 按键、编码器旋转均可唤醒
唤醒后恢复至关机前的界面状态，无需重新初始化

3. 交互逻辑

3.1 按键定义

系统定义两种物理按键和一种旋转输入：

Touch（触摸按键）：支持单击、双击、长按三种手势
SW（编码器按键）：支持单击、长按两种手势
Encoder（编码器旋转）：顺时针 / 逆时针旋转，每格触发一次

3.2 全局操作

操作	非设置状态	设置状态
Touch 单击	切换当前界面的子模式	确认 / 进入编辑
Touch 双击	循环切换三大界面	返回上一级
Touch 长按 2s	进入设置菜单	—
SW 单击	循环切换三大界面	返回上一级
SW 长按 2s	关机休眠	—
编码器旋转	切换当前界面的子模式	菜单导航 / 数值增减

3.3 界面切换流程

上电 → 时钟界面 ←→ 重力界面 ←→ 流水灯界面
         ↑ Touch双击 / SW单击 循环切换 ↑

三个主界面各自独立记录当前子模式编号，界面切换后回到上次停留的子模式。

4. 物理结构建议

LED 灯环水平安装在圆形底座顶部，灯珠朝上或朝外
MPU6050 模块水平固定于底座中心，确保 X-Y 平面与桌面平行
TFT 屏幕竖立或倾斜安装于灯环内侧或底座正面
EC11 编码器旋钮露出外壳侧面，方便拇指操作
触摸按键区域标识清晰，与编码器保持一定间距避免误触
推荐使用 3D 打印或亚克力激光切割制作外壳，底座预留配重空间以增加稳定性
灯环区域使用半透明漫反射材料以获得均匀柔光效果

5. 复刻成本

以下为各组件参考价格（2026 年 6 月国内市场均价），整体复刻成本约 30~80 元。

组件	规格	参考单价
ESP32C3 开发板	ESP32-C3-WROOM-02-N4 2.4GHz WiFi+蓝牙BLE5.0无线模块模组	9~12 元
MPU6050 模块	GY-521 六轴传感器	5~8 元
WS2812 灯	60 颗全彩 LED，环形 PCB	5~15 元
TFT 显示屏	ST7735S 0.96" IPS 160x80	7~15 元
SIQ-02FVS3旋转编码器	含按键，带旋钮帽	6~7元
触摸按键	TTP223-BA6	1~3 元
其他	排针、导线、MOS 管、电阻等	3~5 元