基于STEP Pico制作电子可视化水平仪

内容介绍

项目介绍：

本项目基于STEP Pico板卡以及Thonny编程环境制作了一个水平仪。该水平仪通过OLED屏进行可视化显示，OLED屏被分为左右两部分：在屏幕的左侧有一个小球，当板卡处于水平位置时，小球处在屏幕左侧的正中央，当板卡产生各个角度的倾斜时，小球随着板卡的倾斜在屏幕上滚动；在屏幕的右侧显示板卡的倾斜信息，包括坐标信息以及板卡的倾斜状态。

设计思路：

本项目设计从STEP Pico板卡的硬件模块出发，根据mma7660这一芯片的功能特点进行设计。mma7660是一个加速度传感器，可以获取XYZ三轴收到的加速度大小，然后由IIC进行输出。在Thony平台上，我们可以通过程序控制获取mma7660得到的三个方向的加速度，并根据自己的需求将其进行某一范围内的量化。根据这一量化值，就可以根据数值区间划分得出板卡的倾斜状态，并据此控制OLED屏幕的显示。

框图：

硬件介绍：

1. mma7660：

mma7660是一种加速度传感器，可以在-1.5g~1.5g范围内获取XYZ三轴的加速度大小，并由数字IIC进行传输，具有低功耗的特点，其中的低通滤波器可以用于0g的增益误差的补偿。模拟工作电压在2.4~3.6V，数字工作电压在1.71~3.6V，可以进行三轴取向/运动的检测，被广泛运用在手机、PDA以及游戏的运动检测等。

mma7660是一种电容式g-sensor，与压阻不同的是，电容式传感器很难在同一个结构中同时感受到三个轴的变化，通常是XYZ分开来的。mma7660加速度传感器主要由两部分组成：G-单元和信号调理ASIC电路（见下图）。 FqlEq-QebrEODsyNDqqu808pWw4i

2. OLED

OLED属于一种电流型的有机发光器件，是通过载流子的注入和复合而致发光的现象，发光强度和注入的电流成正比。OLED在电场的作用下，阳极产生的空穴和阴极产生的电子就会发生移动，分别向空穴传输层和电子传输层注入，迁移到发光层。当二者在发光层相遇时，产生能量激子，从而激发发光分子最终产生可见光。OLED器件由基板、阴极、阳极、空穴注入层、电子注入层、空穴传输层、电子传输层、空穴阻挡层、电子阻挡层和发光层等部分组成，其结构图大致如下：

FtcjQ-J4vuPj3hXvkdOmVlRUgT4q

实现的功能：

本项目实现电子可视化水平仪，主要由两部分组成，一部分是会随着板卡倾斜而滚动的小球，另一部分是板卡倾斜状态的文字显示。

功能展示图如下，屏幕右侧下方显示的字符中，CT表示板卡基本处于水平状态。UP表示板卡朝上倾斜，DW表示板卡朝下倾斜，LEFT表示板卡朝左倾斜，RIGHT表示板卡朝右倾斜。

根据小球所处的位置，将显示区域分为了九个部分，所以文字显示部分共有九种状态：CT、UP、DW、RIGHT、LEFT、UP RIGHT、UP LEFT、DW RIGHT、DW LEFT。当小球处在不同的区域时，字符显示区会显示不同的状态。高清展示图如下所示（允许上传的最清晰的了，由于OLED屏幕刷新速度和手机相机捕捉速度不匹配的问题，有的照片部分字符无法显示）。可以看到图中的小球出现位置与字符显示相对应。

FnfcKV4Iilg7tlsN0DiVfepeYCoh FmRIxjcMlNVl0buF_c9M-9sxYGh3 FkM8Obg0bre_okk39Ut3Y-tcs611

Fm1XHrfpVAYpB5Wr10vfov6J9IJg Fne7CyWKvWapU6G3hU1Y7Wpb_rQ1 FqW42q_lBsarP7KlckWP_vuogTB-

FopjDvp0i1nJys9oF3u4pSGK4scW FqgYimOyDBDZngywpTJ0jCWAYPTq FtYWkE2OsUT1NpwCR_g1jYtC5zIp

主要代码片段：

数据获取部分：

i2c1 = I2C(1, scl=Pin(pin_cfg.i2c1_scl), sda=Pin(pin_cfg.i2c1_sda))
acc = MMA7660(i2c1)
acc.on(True)
d = bytearray(3)

acc.getSample(d)
for i in range(3):
   r[i] = twos_compliment(d[i], 6)

坐标转换部分：

ball_xx = 0
ball_yy = 0
ball_k = 4

ball_x = -int(r[1]/22*64)+20
ball_y = -int(r[0]/22*64)+24
det_x = ball_x - ball_xx
det_y = ball_y - ball_yy

小球运动轨迹优化部分：

    if det_x>ball_k :
        ball_x = ball_xx + 1
    elif det_x<-ball_k :
        ball_x = ball_xx - 1
    else :
        ball_x = ball_xx
    if det_y>ball_k :
        ball_y = ball_yy + 1
    elif det_y<-ball_k :
        ball_y = ball_yy - 1
    else :
        ball_y = ball_yy
    if ball_x>52 :
        ball_x = 52
    if ball_x<0 :
        ball_x = 0
    if ball_y>56 :
        ball_y = 56
    if ball_y<0 :
        ball_y = 0

    ball_xx = ball_x
    ball_yy = ball_y

小球运动区域划分部分：

    if(r[0]<-5):
        if(r[1]>-5 and r[1]<5):
            oled.text("UP",88,50)
        elif(r[1]<-5):
            oled.text("UP RIGHT",64,50)
        elif(r[1]>5):
            oled.text("UP LEFT",70,50)
    elif(r[0]>5):
        if(r[1]>-5 and r[1]<5):
            oled.text("DW",88,50)
        elif(r[1]<-5):
            oled.text("DW RIGHT",64,50)
        elif(r[1]>5):
            oled.text("DW LEFT",70,50)
    else:
        if(r[1]>-5 and r[1]<5):
            oled.text("CT",88,50)
        elif(r[1]<-5):
            oled.text("RIGHT",80,50)
        elif(r[1]>5):
            oled.text("LEFT",84,50)

遇到的主要问题及解决措施：

在本项目的进行过程中，遇到的问题主要有两点：第一个是如何从mma7660传感器上获取数据，即在python语言中如何对IIC协议进行使用；第二个是在项目的最初版本中，小球可以随着板卡的倾斜而运动，但是由于OLED屏幕刷新的频率和mma7660更新数据的频率之间存在差异，导致小球在屏幕上的运动不连续，存在着“跳跃”的情况。

解决：对于第一个问题，我查阅了mma7660的使用手册，并且观看了项目的直播、录播课程，掌握了python环境下的数据获取；对于第二个问题，我通过思考，分析出问题的关键在于想让小球“滚动”而不是“跳跃”，二者之间的本质区别在于滚动的小球坐标是不可能发生突变的，所以我规定了一个阈值，当相邻两次mma7660获取的数据之差大于这个阈值的时候，小球的坐标发生改变，且每次改变的幅度是一样的。通过对阈值大小和幅度大小的调整，可以修改此水平仪的灵敏性。

不足之处：

本项目虽然完成要求的基本内容，但是仍然存在很多不足之处：比如在小球的成像方面，本项目选取英文的句点代替小球，没有去设计小球的具体图像；小球随着板卡倾斜是匀速倾斜的，没有将加速度这一因素考虑在其中。

未来的规划：

在项目开始还想在小球滚动的同时，按照我的设计让办卡上的RGB三色灯进行发光，根据发光强弱的设计，可以达到单从12个灯上就看出板卡倾斜状态的效果。但是后期因为学业任务以及各种不可抗力，导致这一部分没有实现，希望未来如果条件允许的话可以将这一部分进行完善。