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基于树莓派RP2040的电子沙漏
用摇杆在RP2040的LED显示驱动上选择要进入的5s/11s/14s电子沙漏，用A键确定，翻RP2040利用MMA7660重力感应传感器使电子沙漏倒置
标签
嵌入式系统
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RP2040
LED灯板
2022暑假在家练
zhi
更新2022-09-06
集美大学诚毅学院
890

1.项目介绍

用摇杆在RP2040的LED显示驱动上选择要进入的5s/11s/14s电子沙漏，用A键确定，在运行过程中会锁定该电子沙漏运行状态，翻RP2040利用MMA7660重力感应传感器使电子沙漏倒置，再翻回就会快速跳出运行，并能对其他周期的电子沙漏进行选择

2.设计思路

  1. 配置LED灯板，分别调试出3个电子沙漏的正置运行状况
  2. 在main.py中配置LCD显示驱动，设置菜单界面，增加摇杆和按键的功能，并在对应功能下增加3个电子沙漏的正置运行状况
  3. 配置三轴姿态传感器MMA7660，获取参数。并修改出3个电子沙漏的倒置情况
  4. 把姿态传感器和倒置情况融合进main.py，并增删程序，使其呈现出所想要的状态

3.运行流程

在开始运行之后，先进入RP2040的菜单界面，利用摇杆选取对应秒数的电子沙漏，按A键确定而开始运行，在运行时可以翻RP2040而使电子沙漏呈现倒置状态并重新开始运行。在运行时菜单界面会进行锁定，无法进行选择，但再翻回RP2040时即可摆脱运行状态，在菜单界面选择其他模式的电子沙漏

FoMuUtt8zywiwZQzStcglF_OAqNg

4.硬件介绍

该项目使用2x LED灯板和树莓派Pico核心芯片RP2040：双核Arm Cortex M0+内核，可以运行到133MHz，264KB内存；性能强大、高度灵活的可编程IO可用于高速数字接口，片内温度传感器、并支持外部4路模拟信号输入，内部ADC采样率高达500Ksps、12位精度，支持MicroPython、C、C++编程。包括一些板上功能，例如我所用到的240*240分辨率的彩色IPS LCD，控制器为ST7789；四向摇杆+2个轻触按键+一个三轴姿态传感器MMA7660用做输入控制；板上外扩2MB Flash，预刷MicroPython的UF2固件；一个三轴姿态传感器MMA7660；双排16Pin连接器（有SPI、I2C以及2路模拟信号输入）

5.代码介绍

1.菜单界面

menu()里是LED上显示的初始界面， fturn():显示目前选择项，对目前所选项标蓝，fset()是在目前所选走后进行刷新的作用，使屏幕只呈现出一个标蓝处

display.fill(st7789.WHITE)  
turn = 0  
def fturn():#显示目前选择项  
    if turn == 0:  
        display.fill_rect( 10, 30, 220, 40, st7789.BLUE)  
        display.text( font2, "5s", 95, 33, color=st7789.BLACK, background=st7789.BLUE)  
    if turn == 1:  
        display.fill_rect( 10, 90, 220, 40, st7789.BLUE)  
        display.text( font2, "11s", 90, 93, color=st7789.BLACK, background=st7789.BLUE)  
    if turn == 2:  
        display.fill_rect( 10, 150, 220, 40, st7789.BLUE)  
        display.text( font2, "14s", 90, 153, color=st7789.BLACK, background=st7789.BLUE)  
         
def fset():  
    if exturn == 0:  
        display.fill_rect( 10, 30, 220, 40,st7789.CYAN)  
        display.text( font2, "hourglass5s", 30, 33,color=st7789.BLACK, background=st7789.CYAN)  
         
    if exturn == 1:  
        display.fill_rect( 10, 90, 220, 40,st7789.CYAN)  
        display.text( font2, "hourglass11s", 25, 93,color=st7789.BLACK, background=st7789.CYAN)  
         
    if exturn == 2:  
        display.fill_rect( 10, 150, 220, 40,st7789.CYAN)  
        display.text( font2, "hourglass14s", 25, 153,color=st7789.BLACK, background=st7789.CYAN)  
def menu():  
    display.fill_rect( 10, 30, 220, 40,st7789.CYAN)  
    display.text( font2, "hourglass5s", 30, 33,color=st7789.BLACK, background=st7789.CYAN)  
    display.fill_rect( 10, 90, 220, 40,st7789.CYAN)  
    display.text( font2, "hourglass11s", 25, 93,color=st7789.BLACK, background=st7789.CYAN)  
    display.fill_rect( 10, 150, 220, 40,st7789.CYAN)  
    display.text( font2, "hourglass14s", 25, 153,color=st7789.BLACK, background=st7789.CYAN)

2.三轴姿态传感器MMA7660的运用

使用三轴姿态传感器MMA7660，正放时y为负，倒为负

def y():
	acc.getSample(d)#水平仪，正放时y为负，倒置为负
	for i in range(3):
		r[i] = twos_compliment(d[i], 6)
		print(r[0])

3.LED灯板的使用

设置出在LED灯板上5s的矩形沙漏轮廓

def hourglass():#5s矩形沙漏
	fbuf.fill_rect(2,1,12,1,1)
	fbuf.fill_rect(2,6,12,1,1)
	fbuf.fill_rect(2,2,1,4,1)
	fbuf.fill_rect(13,2,1,4,1)

设置出在LED灯板上11s的沙漏轮廓

def hourglass1():#11s沙漏
	fbuf.fill_rect(2,2,1,4,1)
	fbuf.fill_rect(13,2,1,4,1)
	fbuf.fill_rect(2,1,3,1,1)
	fbuf.fill_rect(11,1,3,1,1)
	fbuf.fill_rect(2,6,3,1,1)
	fbuf.fill_rect(11,6,3,1,1)
	for i in range(5,11):
		fbuf.fill_rect(i,i-4,1,1,1)
		fbuf.fill_rect(15-i,i-4,1,1,1)

设置出在LED灯板上14s的沙漏轮廓

def hourglass2():#14s矩形沙漏
	fbuf.fill_rect(1,1,6,1,1)
	fbuf.fill_rect(1,6,5,1,1)
	fbuf.fill_rect(9,1,6,1,1)
	fbuf.fill_rect(10,6,5,1,1)
	fbuf.fill_rect(7,2,2,2,1)
	fbuf.fill_rect(1,2,1,4,1)
	fbuf.fill_rect(14,2,1,4,1)
	fbuf.fill_rect(6,4,1,2,1)
	fbuf.fill_rect(9,4,1,2,1)

获取时间，运用时间差使其成为变量（与后面对应时长的沙漏运行状态配合使用）

    rtc = RTC()#获取时间
	time1=rtc.datetime()
	start_time=time1[5]*60+time1[6]
	time2=rtc.datetime()
	end_time=time2[5]*60+time2[6]
	settime=6/12/15#与后面对应时长的沙漏使用对应的时间
	while (end_time-start_time <settime):
		fbuf.fill(0)
		time2=rtc.datetime()
		end_time=time2[5]*60+time2[6]
		i=end_time-start_time

在循环中设置出在LED灯板上进行5s运行时的矩形沙漏正置情况（并在后面的程序调试中都是首选从5s这简单的程序运行中开始，既增加个选项，又减少调试时间）

fbuf.fill_rect(3+i,2,5,5,1)
hourglass()
show(buffer)

设置出在LED灯板上进行5s运行时的矩形沙漏倒置情况

fbuf.fill_rect(8-i,2,5,5,1)
hourglass()
show(buffer)

在循环中以if语句设置出在LED灯板上进行11s运行时的矩形沙漏正置情况

		if i<5:
			fbuf.fill_rect(4,2,1,4-i,1)
			fbuf.fill_rect(5,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(6,3,1,2,1)
			fbuf.fill_rect(9,4,i,1,1)
			y()
		if i<8 and i>=5:
			fbuf.fill_rect(5,1,1,9-i,1)
			fbuf.fill_rect(6,3,1,2,1)
			fbuf.fill_rect(9,4,4,1,1)
			fbuf.fill_rect(12,5,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(12,9-i,1,i-4,1)
			y()
		if i==8:
			fbuf.fill_rect(5,1,1,9-i,1)
			fbuf.fill_rect(11,5,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(9,4,4,1,1)
			fbuf.fill_rect(12,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(6,3,1,2,1)
			y()
		if i<11 and i>=9:
			fbuf.fill_rect(11,5,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(6,2,1,11-i,1)
			fbuf.fill_rect(9,4,4,1,1)
			fbuf.fill_rect(12,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(11,12-i,1,i-8,1)
			y()
		if i==11:
			fbuf.fill_rect(11,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(10,3,1,2,1)
			y()
		hourglass1()
		show(buffer)

在循环中以if语句设置出在LED灯板上进行11s运行时的矩形沙漏倒置情况

		if i<5:
			fbuf.fill_rect(11,2,1,4-i,1)
			fbuf.fill_rect(10,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(9,3,1,2,1)
			fbuf.fill_rect(7-i,4,4,1,1)
			y()
		if i<9 and i>=5:
			fbuf.fill_rect(10,1,1,9-i,1)
			fbuf.fill_rect(9,3,1,2,1)
			fbuf.fill_rect(3,4,4,1,1)
			fbuf.fill_rect(3,5,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(3,9-i,1,i-4,1)
			fbuf.fill_rect(4,5,1,i-7,1)
			y()
		if i<12 and i>=9:
			fbuf.fill_rect(4,5,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(9,2,1,11-i,1)
			fbuf.fill_rect(5,4,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(6,4,1,11-i,1)
			fbuf.fill_rect(5,3,1,i-10,1)
			fbuf.fill_rect(3,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(4,12-i,1,i-7,1)
			y()
		hourglass1()
		show(buffer)

在循环中以if语句设置出在LED灯板上进行14s运行时的矩形沙漏正置情况

		if i<3:
			fbuf.fill_rect(7-2*i,2,i,1,1)
			fbuf.fill_rect(9,2,3,4,1)
			fbuf.fill_rect(12,2,1,4-i,1)
			y()
		if i<5 and i>=3:
			fbuf.fill_rect(5,2,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(9,2,3,4,1)
			fbuf.fill_rect(12,2,1,4-i,1)
			fbuf.fill_rect(2,2,1,i-1,1)
			y()
		if i<9 and i>=5:
			fbuf.fill_rect(i-1,2,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(9,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(11,2,1,8-i,1)
			fbuf.fill_rect(3,2,1,i-5,1)
			fbuf.fill_rect(2,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(4,2,1,i-7,1)
			y()
		if i<13 and i>=9:
			fbuf.fill_rect(5,2,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(9,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(10,2,1,12-i,1)
			fbuf.fill_rect(4,2,1,i-9,1)
			fbuf.fill_rect(2,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(4,3,1,i-11,1)
			y()
		if i<15 and i>=13:
			fbuf.fill_rect(9,2,1,14-i,1)
			fbuf.fill_rect(2,2,3,4,1)
			fbuf.fill_rect(5,2,1,i-12,1)
			y()
		hourglass2()
		show(buffer)

在循环中以if语句设置出在LED灯板上进行14s运行时的矩形沙漏倒置情况

		if i<3:
			fbuf.fill_rect(8+2*i,2,i,1,1)
			fbuf.fill_rect(4,2,3,4,1)
			fbuf.fill_rect(3,2,1,4-i,1)
			y()
		if i<5 and i>=3:
			fbuf.fill_rect(10,2,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(4,2,3,4,1)
			fbuf.fill_rect(3,2,1,4-i,1)
			fbuf.fill_rect(13,2,1,i-1,1)
			y()
		if i<9 and i>=5:
			fbuf.fill_rect(16-i,2,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(5,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(4,2,1,8-i,1)
			fbuf.fill_rect(12,2,1,i-5,1)
			fbuf.fill_rect(13,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(11,2,1,i-7,1)
			y()
		if i<13 and i>=9:
			fbuf.fill_rect(10,2,1,1,1)
			fbuf.fill_rect(6,2,1,4,1)
			fbuf.fill_rect(5,2,1,12-i,1)
			fbuf.fill_rect(11,2,1,i-9,1)
			fbuf.fill_rect(12,2,2,4,1)
			fbuf.fill_rect(11,3,1,i-11,1)
			y()
		if i<15 and i>=13:
			fbuf.fill_rect(6,2,1,14-i,1)
			fbuf.fill_rect(11,2,3,4,1)
			fbuf.fill_rect(10,2,3,i-12,1)
			y()
		hourglass2()
		show(buffer)

在5s的循环中和11s和14s的if语句中加入MMA7660参数的运用y()

若在循环中倒，则会跳出该循环

		if r[0]<0:
			break

通过对摇杆转化的turn和对A键是否按下的判定（按下时button_A =0，未按下时=1）进入对应的电子沙漏的循环

while True:
	y()
	button_A = key()[2]
	fturn()
	if status == 0 :
		if (key()[1]/1000-33.5) >0:
			exturn = turn
			turn += 1
			turn = turn%5
			exturn = exturn%5
			fset()
		elif (key()[1]/1000-33.5) < -4:
			exturn = turn
			turn -= 1
			turn = turn %5
			exturn = exturn%5
			fset()
	if turn==0 and button_A ==0 :
		if r[0]<0:
			y()
			moveup()
		if r[0]>0:
			y()
			movedown()
	if turn==1 and button_A ==0 :
		if r[0]<0:
			move1up()
		if r[0]>0:
			move1down()
	if turn==2 and button_A ==0 :
		if r[0]<0:
			move2up()
		if r[0]>0:
			move2down()

6.板卡实现效果

FlWLEY4m_zY0xZzUar9MOjP3PIMw

在初始时会停在5s沙漏处，按A键确认进入该电子沙漏模式。该矩形沙漏因没有障碍物而形成一堆堆下落的情况。

通过下拉摇杆去选择其他秒数的沙漏

Fkup0hwf9L5R5eivI8TUCgPKRlgn

11s沙漏是较为常见的形状,因为想象的是流沙式，所以在几秒后会形成一条，慢慢地、一颗颗地往旁边挪

FoYY9xjgVEULIUs91C8YBPMK_WNi

14s是根据项目1中的电子沙漏所呈现的图而呈现的一颗颗快速下落的情况

其中因想改变周期时长而改变沙漏外形，在运行时都能通过上下翻RP2040而改变沙漏的方向（变成倒置），并开始新的沙漏操作。同时在沙漏运行时不能选择其他沙漏，但能通过在倒置时通过翻回原先状态而破除该电子沙漏的运行，而对其他电子沙漏进行选择

7.遇到的难题和解决方法

1.使led灯板在规定的时间内呈现流动状态

解决方法：经过多种尝试后，运用会有变化感的RTC在用datetime实现按时钟变换后，用2个时间间的间隔使其呈现出沙漏似的流动状态。

2.根据倒置情况变换并且重新运行（而不是依照原本的时间间隔而换方向继续流动到结束）

解决方法：设定y的模块函数，在沙漏运行的循环中加入y()并对相关条件语句进行修改，，用print观察对应数值的变化而最终确定好y()的位置。同时也是为了减少doesn’t match的程序问题，而把对应的正倒置的电子沙漏设定对应的模块函数。从而在程序修改中更为方便。

8.总结及未来计划

项目总结：在初期对多种项目的探索学习中对元器件有个更深刻的了解，同时也在电子沙漏的实现过程中，深刻感受相关硬件的运用。同时做出的项目在目前来说感觉还有些不足，还需继续努力去加强嵌入式学习。作为一名准大三的学生，我相信着“实践出真知”，也很庆幸我坚持了下来，从而能在这过程中、在这暑假里学到了许多。

计划：我打算以后有时间的话，会继续利用现有套件不断精进嵌入式这项技术，并期待着有天我能把它真正运用到现实生活中。

软硬件
附件下载
电子沙漏.zip
团队介绍
汤莉萍
团队成员
zhi
汤莉萍
zhi本体
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