1.项目介绍

简介：本项目基于STEP Pico，利用开发板的姿态传感器，在OLED屏上通过方形的移动来显示板子的倾斜度。

硬件介绍：

1）核心板STEP Pico

STEP Pico是一款低成本，高性能的微控制器开发板，具有灵活数字接口（完全兼容Raspberry Pi Pico）

硬件上，采用Raspberry Pi官方自主研发的RP2040微控制器芯片，搭载了ARM Cortex M0+双核处理器，高达133MHz的运行频率，内置了264KB SRAM和2MB闪存你，还板载有多达26个多功能的GPIO引脚。

软件上看，可选择树莓派提供的C/C++SDK,或者使用MicroPython进行开发，且配套有完善的开发资料教程，可方便快速入门开发并嵌入到产品中。

         图1 核心板STEP Pico                                                                                             图2 扩展板

2）扩展板：基于STEP PICO的嵌入式系统学习平台

       扩展板含有：2个按键输入；4个单色LED；12个WS2812B RGB三色灯；1个姿态传感器；1个128*64 OLED显示屏；1个蜂鸣器；1个可调电位计（用于电压表）；1路音频信号输入（用于示波器）；8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）

本次制作水平仪需要使用到的是其中的12个WS2812B RGB三色灯，姿态传感器MMA7660FC以及128*64 OLED显示屏。

3）MMA7660FC姿态传感器：

MMA7660FC是具有数字输出的I2C、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度传感器，提供低通滤波器、零重力加速度偏移和增益误差补偿，并可以转化为6位数字值，用户可配置输出数据的传输速率。该器件可通过中断引脚(INT)识别传感器的数据变化、产品的朝向和姿态等。MMA7660FC采用非常小的3 mm x 3 mm x 0.9 mm DFN封装。

4）WS2812B RGB三色灯

WS2812B是一种智能控制LED光源，其控制电路和RGB芯片集成在一个5050个组件的包装。 内部包括智能数字端口数据锁存和信号重塑放大驱动电路。 还包括一个精密内部振荡器和一个12V电压可编程恒流控制部分，有效地确保了像素点的光色高度一致。

2 实现的功能

项目的整体功能是将姿态传感器数据可视化，使用户可以姿态传感器反馈的数据手动地控制开发板的水平姿态。将从以下三个角度实现数据的可视化：

1）打印姿态数据：将姿态数据输出成三个取值范围在（-23~23）可视化数值，并在Thonny中打印出来

2）OLED显示屏显示方形：生成一个可随开发板姿态移动的正方形，用于显示开发板的姿态

3）12个WS2812B RGB三色灯通过亮灭来显示开发板目前倾斜的方向

3 框图和软件流程图

                                                         图3 框图

4 设计思路

1）打印姿态数据：通过i2c通信读取姿态传感器的数据，通过编写twos_compliment函数，将姿态数据输出成三个取值范围在（-23~23）可视化数值，并在Thonny中打印出来

2）OLED显示屏显示方形：根据OLED的屏幕大小数值128×64以及转换后的姿态数据取值范围（-23~23），设计rect函数用于绘制OLED屏幕中的正方形，将姿态数据转换成坐标，使其在屏幕中显示出来。

                                                                              图4 OLED屏幕坐标轴

3）12个WS2812B RGB三色灯通过亮灭来显示开发板目前倾斜的方向：

分别设计distance和deng函数。distance函数用于计算正方形坐标到OLED屏幕中心点的距离。deng函数用于计算正方形坐标到OLED中心点的连线与屏幕x轴的夹角，并通过夹角反馈理应亮灯的灯号

因为需要让开发板发生一定倾斜时，三色灯才会亮，所以可以理解成正方形需要偏离中心点一定距离才会亮灯，故设置distance值，使distance值≥15时，才进行亮灯的判断。

亮灯的判断逻辑基于正方形的坐标位于中心点的位置，本作者通过坐标值首先判断正方形在中心点（64，32）的左边或者右边，再计算角度的正切值，通过下图一一对应，从而返回一个灯号，用于主函数中的点亮操作。

                                                            图5 亮灯原理图

例：图中正方形由于开发板的倾斜，位于中心点左下方位置，首先偏离位置大于阈值，将会亮灯；然后，坐标位于中心点左边，并且tanΘ在（-1~-0.414）区间内，所以可以判断出Θ在（-165°，-135°）区间内，返回灯号为8，主函数中使8号灯亮。

5 功能展示

项目功能如下图展示

以图6为例，OLED屏幕中正方形由于开发板的倾斜，位于中心点左上方，当正方形偏离中心的距离达到一定程度，会使2号灯亮。同理，图7、8、9分别展示了4号灯，8号灯，10号灯的发亮情况

               图6 2号灯亮展示                                                            图7 4号灯亮展示

                     图8 8号灯亮展示                                                                        图9 10号灯亮展示

6 主要代码片段

6.1 获取姿态传感器的姿态信息

def twos_compliment(n, nbits):
    sign_bit = 1 << nbits - 1
    sign = 1 if n & sign_bit == 0 else -1
    val = n & ~sign_bit if sign > 0 else sign * ((sign_bit << 1) - n)
    return val

6.2 rect函数通过姿态传感器生成的（-23~23）的数值用于生成OLED屏幕中正方形的坐标，并对正方形进行绘制

def rect(x,y):
    rectx=59-int(64/23*x)
    recty=27-int(32/23*y)
    oled.fill(0)
    oled.fill_rect(rectx, recty, 10, 10, 1)
    oled.show()

6.3 distance函数用于计算正方形坐标到OLED屏幕中心的距离

def distance(x,y):
    rectx=64-int(64/23*x)
    recty=32-int(32/23*y)
    s = math.sqrt((rectx-64)*(rectx-64)+(recty-32)*(recty-32))
    return s

6.4 deng函数计算正方形偏离OLED屏幕中心的角度的同时，计算应该亮哪个灯

def deng(x,y,d):
    rectx=64-int(64/23*x)+0.1
    recty=32-int(32/23*y)   
    jiao=(recty-32)/(rectx-64)
    if d >=15:
        if rectx >= 64:
            if jiao < -2.414:
                return 12
            elif jiao < -1:
                return 1
            elif jiao < -0.414:
                return 2
            elif jiao < 0.414:
                return 3
            elif jiao < 1:
                return 4
            elif jiao < 2.414:
                return 5
            else:
                return 6
        else:
            if jiao < -2.414:
                return 6
            elif jiao < -1:
                return 7
            elif jiao < -0.414:
                return 8
            elif jiao < 0.414:
                return 9
            elif jiao < 1:
                return 10
            elif jiao < 2.414:
                return 11
            else:
                return 12
    else:
        return 0

6.5 屏幕不断地刷新，若没有偏离，则让所有的灯灭掉

if ws != 0:
        ws2812b.off_all()
        ws2812b.on(ws)
    else:
        ws2812b.off_all()

7 遇到的难题以及解决办法

难点1：对于正方形在OLED屏幕中的显示位置的规划

解决方法：创建rect参数，将姿态传感器返回的数值与OLED屏幕中的坐标对应起来，两个（-23，23）区间的数值结合128×64的屏幕大小进行正方形坐标在OLED屏中的映射。

难点2：12个WS2812B RGB三色灯的亮灭控制

解决方法：创建distance函数以及deng函数，计算正方形坐标与OLED屏幕的位置关系，根据夹角的tan值返回对应的灯号，在主函数进行点亮。

8 未来的计划或建议

这个寒假接触了micropython，可以一边连着设备一边实时进行调试，非常方便好用。未来希望能够在硬禾平台接触更多有趣的项目。