基于树莓派RP2040利用MMA7660重力感应传感器制作一个水平仪

内容介绍

1 项目介绍

基于树莓派RP2040，使用micropython编程语言，利用MMA7660重力感应传感器和ST7789LCD显示器制作一个水平仪。在LCD屏上显示一款水平仪，通过一个滚动的小球或气泡，来显示当前板子的倾斜度，当板子处于水平位置的时候，小球停在屏幕的正中间，倾斜板子，小球偏移，并能够显示偏移的角度（二维信息）。

2 设计思路（框图）

我的设计思路是先分别测试实现显示器和重力传感器的功能。导入MMA7660固件，调用machine库中的I2C函数，通过查阅电路图获取引脚信息，使用getSample函数获取重力传感器的参数。导入ST7789固件，使用矩形填充函数在设计完UI界面后，我将重力传感器的参数导入，然后将这个参数转为坐标，该坐标为圆心绘制圆，以实现滚动小球的功能。

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3 简单的硬件介绍

我使用的硬件有，两块亚克力板，一根USB数据线，基于树莓派RP2040的嵌入式系统学习板，其中使用到了RP2040微控制器、MMA7660重力感应传感器和ST7789LCD显示器。

4 实现的功能及图片展示

4.1 实现滚动小球的功能

使用getSample函数获取重力传感器的参数后，即为倾斜的角度，然后将这个参数转为坐标，设置半径，该坐标为圆心绘制圆，并将其显示在屏幕上。

4.2 显示倾斜角度和标尺的功能

倾斜板子，小球偏移，并将倾斜的角度显示在屏幕右上方。

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5 主要代码片段及说明

先导入仓库中的board文件、st7789和mma7660固件以及字体文件，通过查看电路图获取对应引脚信息。

5.1 实现UI界面设计和RGB色彩显示功能

导入ST7789固件后，可以看到已经预设了几种颜色参数。

BLACK = const(0x0000)

BLUE = const(0x001F)

RED = const(0xF800)

GREEN = const(0x07E0)

CYAN = const(0x07FF)

MAGENTA = const(0xF81F)

YELLOW = const(0xFFE0)

WHITE = const(0xFFFF)

在主模块中，从ST7789导入需要使用到的颜色作为color参数。

from st7789 import BLUE, WHITE, RED

绘制UI界面时，可以使用ST7789中的矩形填充函数，

    def fill_rect(self, x, y, width, height, color):

        self.set_window(x, y, x + width - 1, y + height - 1)

        chunks, rest = divmod(width * height, _BUFFER_SIZE)

        pixel = _encode_pixel(color)

        self.dc.on()

        if chunks:

            data = pixel * _BUFFER_SIZE

            for _ in range(chunks):

                self.write(None, data)

        if rest:

            self.write(None, pixel * rest)

通过设置左上角坐标，长宽参数，即可绘制主屏幕、垂直副轴和水平副轴。然后使用text函数显示标尺刻度，UI界面即可设计完成。

display.fill(BLUE)

display.fill_rect(10, 50, 180, 180, WHITE)

display.fill_rect(10, 10, 180, 30, WHITE)

display.fill_rect(200, 50, 30, 180, WHITE)

    display.text(font1,"""-90""".format(a), 15, 145, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""-45""".format(a), 55, 145, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""0""".format(a), 105, 145, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""45""".format(a), 135, 145, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""90""".format(a), 170, 145, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""90""".format(a), 105, 55, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""45""".format(a), 105, 90, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""-45""".format(a), 105, 175, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""-90""".format(a), 105, 215, BLUE, WHITE)

5.2 获取MMA7660重力感应传感器参数

通过查看电路图获取对应引脚信息，分别使用machine库中的I2C和SPI函数将两个固件的总线导入。

i2c1 = I2C(1, scl=Pin(pin_cfg.i2c1_scl), sda=Pin(pin_cfg.i2c1_sda))

acc = MMA7660(i2c1)

acc.on(True)

st7789_res = 0

st7789_dc  = 1

disp_width = 240

disp_height = 240

CENTER_Y = int(disp_width/2)

CENTER_X = int(disp_height/2)

print(uos.uname())

spi_sck=machine.Pin(2)

spi_tx=machine.Pin(3)

spi0=machine.SPI(0,baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)

display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,

                          reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),

                          dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),

                          xstart=0, ystart=0, rotation=0)

进入while true循环后，使用getSample函数获得重力传感器的参数，将其转换为坐标，使用ST7789的text函数将其显示在屏幕右上方。

    display.text(font1,"""X:{0}""".format(a), 200, 10, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""Y:{0}""".format(c), 200, 20, BLUE, WHITE)

    display.text(font1,"""Z:{0}""".format(r[2]), 200, 30, BLUE, WHITE)

然后以该坐标为圆心，设置半径，根据圆的极坐标公式分别绘制主界面和垂直、水平轴的滚动小球。

    for theta in range(60):

        x = int(a + 100 + 14 * math.cos(theta))

        y = int(b + 140 + 14 * math.sin(theta))

        display.fill_rect(x, y, 3, 3, RED)

        x = int(a + 100 + 14 * math.cos(theta))

        y = int(24 + 14 * math.sin(theta))

        display.fill_rect(x, y, 3, 3, RED)

        x = int(214 + 14 * math.cos(theta))

        y = int(b + 140 + 14 * math.sin(theta))

        display.fill_rect(x, y, 3, 3, RED)

最后使用矩形绘制函数不断刷新界面即可。

    display.fill_rect(a + 85, b + 125, 33, 33, WHITE)

    display.fill_rect(a + 85, 10, 32, 30, WHITE)

    display.fill_rect(200, b + 125, 30, 32, WHITE)

    display.fill_rect(200, 10, 40, 30, WHITE)

    display.fill_rect(99, 50, 3, 180, BLUE)

    display.fill_rect(10, 139, 180, 3, BLUE)

    display.fill_rect(54, 10, 3, 30, BLUE)

    display.fill_rect(99, 10, 3, 30, BLUE)

    display.fill_rect(144, 10, 3, 30, BLUE)

    

    display.fill_rect(200, 94, 30, 3, BLUE)

    display.fill_rect(200, 139, 30, 3, BLUE)

    display.fill_rect(200, 184, 30, 3, BLUE)

6 遇到的主要难题及解决方法

6.1 如何在屏幕上绘制圆

可以通过math库使用圆的极坐标公式绘制，也可以使用ST7789的blit_buffer函数导入圆的图片文件。

        x = int(a + 100 + 14 * math.cos(theta))

        y = int(b + 140 + 14 * math.sin(theta))

6.2 如何刷新屏幕

通过使用ST7789的矩形填充函数，每绘制一次就在圆球所在区域进行局部刷新，然后重新绘制坐标线和圆，不断重复上述步骤。

6.3 屏幕刷新速度过慢的问题

屏幕刷新速度过慢可能是因为使用数学函数绘制的问题，可除了上述使用局部刷新的方法之外，通过使用矩形填充函数绘制4乘4矩形代替绘制单个像素点，可提升刷新速度。

6.4 心得体会

虽然我已经是一名大三的学生，但是在此之前我完全没有接触过和该项目有关的软硬件知识。由于我所学的专业是通信工程，在此之前只浅显地接触过C语言，而且对什么是嵌入式、库、调用和python等知识不甚了解。因此，在刚开始着手进行项目时，我因为对这个树莓派RP2040一无所知，在畏难情绪影响下，我并没有打算脚踏实地从头开始学起，而是盘算着走个捷径。因此我在网上查找这十个项目的源代码，希望能自己拼接一下就能在板卡上跑起来，然后直接提交了事。然而，因为缺乏相关知识，我甚至不知道如何运行程序，看着IED上的不断报错，我觉得自己不能再浪费时间。我下定决心从头学习一遍

考虑到我使用的语言是micropython，所以我打算先从头开始，学习一遍python语言。我大概花了两三天左右学完了python，了解了python的调用方法，比如python的调用路径存放在sys.path变量里面等等知识，虽然我们现在所做的项目并没有用到这些。在学完python后，我确定了选择水平仪作为我的项目，根据该项目的要求，我又研究了该树莓派平台一些硬件的使用，譬如RP2040、ST7789和MMA7660的使用，在分别测试其功能后，我将各个模块拼接了起来，并最终完成了该项目。

7 未来的计划或建议等

我已经成功实现了水平仪的滚动小球和倾斜角度显示的功能，但目前的缺点是刷新速度太慢，滚动惯性不灵敏等问题，我计划下一步优化绘制和刷新方式，增加过滤器，提升刷新率和小球滚动效果，并更换UI界面为图片，不再使用函数绘制，以提高美观性。