内容介绍

2026 ADI机器控制设计竞赛 - 基于ADMT4000模块设计的多圈密码转盘锁

1. 所选任务介绍

本次项目任务名称为“多圈密码转盘锁”。核心目标是利用高精密多圈绝对值磁编码器 ADMT4000，模拟传统机械保险箱的拨盘解锁机制。与传统单圈角度传感器不同，本任务要求系统能够识别用户手动旋转的“圈数”和“最终角度”，通过预设的复杂序列（如：顺时针转 2 圈至刻度 5，再逆时针转 3 圈至刻度 8 等）来完成解锁。

系统需具备以下关键特性：

多维输入识别：同时检测旋转方向、转动圈数（最高 46 圈）及停止位置的刻度值（0-9）。
状态保持：具备断电记忆功能，意外断电或重启后，仍能保持当前的锁定/解锁状态及解锁进度。
实时反馈：通过串口实时显示操作数据，并可选配 LED 提供视觉反馈。
安全逻辑：输入错误立即重置，解锁后大幅度转动自动重新上锁。

2. 项目描述

本项目设计并实现了一套智能电子机械锁系统。系统摒弃了传统的矩阵键盘或触摸输入，转而采用更符合机械美学的“旋转拨盘”交互方式。

用户通过旋转带有磁铁的旋钮，ADMT4000 传感器实时捕捉绝对位置信息。主控芯片 ESP32-S3 对采集的数据进行解算，内部运行一个严谨的状态机，判断用户的旋转方向、转动圈数以及停止位置的刻度值。只有当用户严格按照预设的“方向 - 圈数 - 刻度”序列操作时，系统才会判定解锁成功，并通过WS2812灯和串口消息给予反馈。

若中途操作错误（如方向反了、圈数不够、微调时回退过多），系统将立即重置进度并要求从头开始。此外，项目引入了 非易失性存储（NVS），确保了锁具状态在掉电后不丢失，极大地提升了系统的实用性和安全性，完美复刻了真实保险箱的操作体验。

3. 简短的硬件介绍

本项目硬件架构简洁高效，主要包含以下核心组件：

主控模块：ESP32-S3 开发板
- 双核高性能 MCU，内置 Wi-Fi/蓝牙。
- 拥有丰富的 GPIO 资源和完善的 peripherals（如 SPI, NVS, LED Strip 驱动），足以支撑复杂的逻辑运算、浮点计算和多任务处理。
角度传感器：ADMT4000 多圈磁编码器
- 核心器件。基于各向异性磁阻（AMR）技术，无需电池即可记录多达 46 圈 的旋转历史。
- 通过 SPI 接口 通信，提供高精度分辨率和高精度的圈数计数，是本项目实现“密码拨盘”功能的关键。
反馈指示：WS2812B 可编程 RGB LED 灯
- 用于直观展示系统状态：
- - 蓝色常亮：表示锁定状态。
  - 绿色常亮：表示解锁成功。
  - 红色闪烁：提示操作错误或重置。
  - 黄绿交替：提示步骤完成或微调中。
其他组件
- 径向永磁体：安装于旋钮内部，作为传感器的信号源。
- 电源与连接：usb+杜邦线连接。

4. 方案框图 + 设计思路

4.1 方案框图

4.2 设计思路

系统上电后，首先初始化 SPI 总线与 ADMT4000 通信，读取故障寄存器确保传感器工作正常。随后从 NVS 加载上次保存的锁状态（是否已解锁、当前进行到第几步、解锁参考圈数）。

主循环中，程序以约 20ms 的频率轮询 ADMT4000 的绝对角度寄存器（0x03）和单圈角度寄存器（0x05），执行以下逻辑：

状态机管理：系统维护一个 current_step 变量。对于每一步，定义了两个关键参数：min_turns（最小转动圈数及方向）和 target_scale（目标刻度 0-9）。
过程检测：
- 圈数阶段：实时计算当前圈数相对于起始点的差值，判断是否满足方向和圈数要求。
- 微调阶段：一旦圈数达标，进入“微调模式”，等待用户将角度对准目标刻度。
防误触与重置：在微调过程中，若检测到反向转动超过阈值，视为操作失误，立即调用重置函数清零所有进度。
解锁与重锁：
- 所有步骤完成后，标记为解锁状态，记录当前总圈数作为“参考点 (g_unlock_reference_turns)”。
- 在解锁状态下，若检测到相对于参考点的转动超过半圈（0.5 圈），则自动重新上锁，模拟真实保险箱的关闭机制。
持久化：每完成一步或状态改变，立即写入 NVS 保存，确保断电不丢状态。

5. 原理图、PCB 设计

由于本项目侧重于算法验证与原型开发，硬件连接采用模块化插接方式，未专门设计 PCB。

硬件连接表：

ESP32-S3 GPIO	ADMT4000 引脚	功能说明
GPIO_8	CS	片选信号
GPIO_15	MOSI	主机输出 (Master Out Slave In)
GPIO_17	MISO	主机输入 (Master In Slave Out)
GPIO_16	SCK	时钟信号
GPIO_18	COIL_RESET	线圈复位控制
GPIO_48	DIN	WS2812 LED 灯数据输入
3.3V / GND	VCC / GND	电源供电

这种连接方式灵活便捷，便于调试 SPI 通信时序和排查硬件故障。实际应用中可将其集成至小型 PCB 以缩小体积。

6. 软件流程图 + 调试软件说明 + 关键代码说明

6.1 软件流程简述

初始化：启动 NVS，加载历史状态，初始化 SPI 和 LED。
数据显示：根据当前状态（锁定/解锁/步骤中）打印提示信息。
数据采集：读取 ADMT4000 原始数据，转换为浮点型圈数（Turns）和刻度（Scale 0.0-9.9）。
逻辑判断：
- 若已解锁：监测转动幅度，若 |Current - Reference| > 0.5 圈，则执行 lock_lock()。
- 若锁定中：比对当前转动量与目标步长。
- - 圈数未够：持续监测方向和增量，若反向转动过大则重置。
  - 圈数已够：进入刻度比对，若误差 < 0.08 则进入下一步。
状态更新：每完成一步或状态改变，写入 NVS 保存。
循环延时：短暂延时后进入下一轮循环。

6.2 调试软件说明

使用 ESP-IDF 自带的 idf.py monitor 串口监视工具（波特率 115200）。

动态仪表盘：代码利用 ANSI 转义码实现终端界面的局部刷新。show_real_time_status 函数实时显示“当前步骤”、“已转圈数”、“剩余圈数”、“当前刻度”及“误差值”，提供了类似仪表盘的调试体验，无需滚动查看历史日志。
状态日志：关键事件（解锁成功、错误重置、NVS 读写）均通过 ESP_LOGI 输出带标签的日志。

6.3 关键代码深度解析

A. 多圈角度到“密码盘刻度”的映射算法

ADMT4000 输出的是连续的浮点圈数（例如 12.345 圈），而传统密码锁需要的是 0-9 的表盘刻度。核心转换函数 get_scale_from_turns 实现了这一逻辑，并引入了软件校准机制。

float get_scale_from_turns(float turns) {
    // 1. 应用校准偏移：消除机械安装时的初始角度误差
    // g_scale_offset 是通过实验测得的常数，确保物理 0 位对应逻辑 0.0
    float corrected_turns = turns - g_scale_offset;
    
    // 2. 提取小数部分：只关心当前在第几圈的什么位置，不关心总圈数
    float fraction = corrected_turns - floorf(corrected_turns);
    
    // 3. 处理负数情况：C 语言的取整对于负数行为特殊，需强制归一化到 [0, 1)
    if (fraction < 0) fraction += 1.0f;
    
    // 4. 映射到 0-10 刻度：小数部分 * 10 即对应表盘刻度 (0.0 ~ 9.9)
    float scale = fraction * 10.0f;
    
    // 5. 边界保护：防止浮点误差导致 scale 等于 10.0
    if (scale >= 10.0f) scale -= 10.0f;
    if (scale < 0) scale += 10.0f;
    
    return scale;
}

技术亮点：该算法不仅完成了单位转换，还通过 g_scale_offset 变量解决了传感器安装无法绝对对齐物理零点的问题，无需调整硬件即可通过软件修正精度。

B. 基于状态机的密码验证逻辑

解锁过程被建模为一个严谨的状态机，核心在于区分“圈数验证阶段”和“刻度微调阶段”，并通过 g_turns_verified 标志位进行切换。

// 阶段一：圈数与方向验证
if (!g_turns_verified) {
    bool direction_ok = false;
    // 根据预设密码的正负值判断目标方向 (正：顺时针，负：逆时针)
    if (required_turns > 0) {
        if (total_delta >= required_turns) direction_ok = true;
    } else {
        if (total_delta <= required_turns) direction_ok = true;
    }
    
    if (direction_ok) {
        // 圈数达标，锁定峰值，进入微调模式
        g_turns_verified = true;
        g_peak_delta = total_delta; 
        printf("\n[OK] 圈数达标！请微调对准刻度 %.0f...\n", target_scale);
    } else {
        // 错误检测：若在未达到目标前就向反方向转动超过阈值，视为作弊/误操作
        float wrong_dir_threshold = 0.5f;
        if ((required_turns > 0 && total_delta < -wrong_dir_threshold) ||
            (required_turns < 0 && total_delta > wrong_dir_threshold)) {
            reset_lock_progress(); // 立即重置所有进度
        }
    }
} 
// 阶段二：刻度微调与防回退检测
else {
    float scale_diff = fabs(current_scale - target_scale);
    // 处理刻度跨越 0/10 边界的情况 (如从 9.9 到 0.1)
    if (scale_diff > 5.0f) scale_diff = 10.0f - scale_diff;
    
    if (scale_diff <= SCALE_TOLERANCE) {
        // 精度满足要求，判定本步成功
        g_current_step++;
        // ... (进入下一步或解锁)
    } else {
        // 防回退机制：在微调阶段，如果往回转动超过惩罚阈值，重置
        bool is_reversing = false;
        if (required_turns > 0) {
            if (total_delta < g_peak_delta - REVERSE_PENALTY_THRESHOLD) is_reversing = true;
        } else {
            if (total_delta > g_peak_delta + REVERSE_PENALTY_THRESHOLD) is_reversing = true;
        }
        
        if (is_reversing) {
            printf("\n[错误] 检测到回退！重置...\n");
            reset_lock_progress();
        }
    }
}

技术亮点：

分段验证：先确认“转够了没”，再确认“停准了没”，符合人类操作保险箱的逻辑。
防回退惩罚：引入 REVERSE_PENALTY_THRESHOLD，允许用户手抖微调，但禁止大幅度的反向回转，有效防止暴力试探密码。
环形刻度处理：在计算刻度误差时，专门处理了 9.9 到 0.1 的跨零边界情况，确保算法在表盘首尾连接处的正确性。

C. NVS 非易失性存储（断电记忆）

为了实现“断电后状态保持”，项目使用了 ESP32 的 NVS (Non-Volatile Storage) 分区。关键在于保存三个核心变量：unlocked (是否已解锁), step (当前进行到第几步), ref_turns (解锁时的参考圈数)。

void save_lock_state_to_nvs(bool unlocked, int step, float ref_turns) {
    nvs_handle_t nvs_handle;
    // 以读写模式打开命名空间
    esp_err_t err = nvs_open(NVS_NAMESPACE, NVS_READWRITE, &nvs_handle);
    if (err != ESP_OK) return;
    
    // 1. 保存布尔状态 (转为 uint8_t)
    nvs_set_u8(nvs_handle, NVS_KEY_UNLOCKED, unlocked ? 1 : 0);
    
    // 2. 保存当前步骤索引
    nvs_set_u8(nvs_handle, NVS_KEY_STEP, (uint8_t)step);
    
    // 3. 保存浮点数参考圈数 (使用 blob 类型存储 float)
    nvs_set_blob(nvs_handle, NVS_KEY_REF_TURNS, &ref_turns, sizeof(float));
    
    // 4. 提交事务，确保数据写入 Flash
    nvs_commit(nvs_handle);
    nvs_close(nvs_handle);
}

恢复逻辑：在 lock_task 启动初期，系统会调用 load_lock_state_from_nvs。

若读取到 unlocked=true，系统直接进入“监控重锁”模式，不再要求输入密码，直到转动幅度超过 RELOCK_THRESHOLD (0.5 圈)。
若读取到 unlocked=false 但 step > 0，系统会提示“继续第 X 步操作”，允许用户在断电后从中断处继续解锁，极大提升了用户体验。

D. 自动重锁机制（看门狗逻辑）

在解锁状态下，系统并非永久开放，而是监测相对于解锁时刻的累计转动量。

if (g_is_unlocked) {
    // 计算当前圈数与解锁时记录圈数的绝对差值
    float total_turn_distance = fabs(current_turns - g_unlock_reference_turns);
    
    // 更新上一次采样值用于瞬时速度计算 (可选)
    g_last_unlock_turns = current_turns;
    
    // 核心判断：若累计转动超过半圈 (0.5)，判定为关门动作，触发重锁
    if (total_turn_distance > RELOCK_THRESHOLD) {
        printf("\n[自动锁定] 检测到累计转动%.3f圈 > %.1f圈，锁已重新锁定\n", 
               total_turn_distance, RELOCK_THRESHOLD);
        lock_lock(); // 执行重锁流程：清零状态、保存 NVS、LED 报警
    }
}

技术亮点：此逻辑模拟了真实机械锁的“关门即上锁”特性。g_unlock_reference_turns 作为锚点，确保了即使用户在解锁后随意旋转，只要幅度不大（如在开门状态下微调），不会误触发重锁；一旦大幅度旋转（模拟关门），立即安全锁定。

E. 异常处理与系统复位

reset_lock_progress 函数是系统的“安全熔断机制”。当检测到方向错误、回退过多或超时等异常情况时调用。

void reset_lock_progress() {
    // 1. 软件状态清零
    g_current_step = 0;
    g_turns_verified = false;
    g_peak_delta = 0.0f;
    g_last_turns = -999.0f; // 设为无效值，迫使主循环在下一次重新捕获起始点
    
    // 2. 持久化清零：确保即使此时断电，重启后也是重置状态
    save_lock_state_to_nvs(g_is_unlocked, g_current_step, g_unlock_reference_turns);
    
    // 3. 硬件反馈：LED 红色闪烁报警
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        led_strip_set_pixel(led_strip, 0, 60, 0, 0); // Red
        led_strip_refresh(led_strip);
        vTaskDelay(150 / portTICK_PERIOD_MS);
        led_strip_set_pixel(led_strip, 0, 0, 0, 0);   // Off
        led_strip_refresh(led_strip);
        vTaskDelay(150 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

技术亮点：不仅重置内存变量，还同步更新 Flash 中的 NVS 数据，并配合 LED 视觉反馈，形成了完整的“检测 - 执行 - 反馈”闭环，防止系统在错误状态下卡死。

7. 实物演示及说明

在实际演示中，将磁铁固定在旋钮中心，正对 ADMT4000 传感器表面（间距约 2-5mm）。

上电初始：LED 呈蓝色呼吸状，串口显示“系统已锁定，请输入密码”，并列出第一步指令（如：顺时针 1.0 圈 -> 刻度 6）。

操作过程：用户顺时针旋转旋钮。串口实时跳动显示“已转：+0.xx 圈”。当圈数超过 1.0 时，提示“圈数达标，请微调”。用户缓慢回旋至刻度 6.0 附近，当误差进入容许范围，LED 变为黄绿交替闪烁，串口提示“第 1 步完成”，并自动进入第 2 步指令。

错误测试：若在第一步未完成时反向旋转，LED 立即快速闪烁红色，串口报错“检测到反向转动！重置”，进度归零。
解锁成功：完成所有预设步骤后，LED 转为绿色常亮，串口打印“>>> 解锁成功！ <<<”。

断电测试：在解锁状态下断开电源再重新上电，系统依然保持绿色常亮，并提示“转动超过半圈将自动锁定”，验证了 NVS 存储的有效性。

8. 遇到的难点及解决方法

难点一：刻度校准与机械误差
- 问题：理论上的 0 刻度与实际传感器读数存在固定偏差，导致无法精确对准。
- 解决：引入全局变量 g_scale_offset。在调试阶段，先读取传感器在物理 0 位的数值，计算出偏差量填入代码，实现了软件层面的精准校准，无需反复拆装硬件和复位。
难点二：抖动与误判
- 问题：用户在接近目标刻度时手抖，导致数值在阈值边缘跳变，引发状态反复切换。
- 解决：增加了 SCALE_TOLERANCE（容差范围，设为 0.08）和 REVERSE_PENALTY_THRESHOLD（回退惩罚阈值）。只有当稳定处于容差范围内才判定成功；且允许微小的往复抖动，只有明显的反向大动作才触发重置。
难点三：多圈数据的连续性处理
- 问题：ADMT4000 输出的是绝对圈数，但在计算“相对转动量”时，若直接相减可能因噪声产生跳变。
- 解决：在每一步开始时记录 g_step_start_turns 作为基准，后续所有计算均基于 current_turns - g_step_start_turns 的差值，有效隔离了绝对位置噪声的影响。
难点四：刻度跨零计算
- 问题：当目标刻度为 0 或 9 附近时，简单的减法会导致误差计算错误（如 9.9 到 0.1 的实际误差很小，但直接相减很大）。
- 解决：在计算 scale_diff 时加入逻辑判断：if (scale_diff > 5.0f) scale_diff = 10.0f - scale_diff;，正确处理了圆环刻度的最短路径问题。

9. 对本次活动的心得体会

首先，传感器选型决定上限。ADMT4000 强大的多圈计数能力是实现复杂密码逻辑的基础，如果仅用普通电位器或单圈编码器，该项目将变得复杂。

其次，状态机思维至关重要。面对复杂的交互逻辑（方向、圈数、刻度、断电恢复、自动重锁），采用清晰的状态机模型（锁定、验证圈数、验证刻度、解锁、重锁）让代码结构井然有序，避免了大量的 if-else 嵌套陷阱，提高了代码的可读性和可维护性。

最后，感谢本次竞赛的主办方及 ADI ，提供了如此宝贵的实践平台和像 ADMT4000 这样新颖的元器件支持。