基于RP2040的电子沙漏，使用RP2040游戏机开发板，灯板是74HC595驱动的8*8LED矩阵

# 基于RP2040的电子沙漏 <img src="docs/image/电子沙漏封面.jpg" alt="电子沙漏封面" style="zoom: 25%;" /> ## 0 文件介绍 - docs文件夹存放了项目使用到的一些模块的原理图； - sandy-clock文件夹存放了源代码，可直接使用pycharm打开，具体配置可见下文5.1节； - sandy-clock文件夹中，main为主文件； - main_pc为在电脑上运行的算法验证文件，与单片机硬件无关，可在python命令行中运行，每帧均可输入-180~180度的重力方向值，观察沙粒运动情况； - 其他文件均为main.py的库文件，均与硬件相关，在单片机上运行时需要一同上传上去。 ## 1 项目需求 目标：实现一个可以定时调节速度的电子沙漏 具体要求: 1. 自行设计一个电子沙漏的物理结构，将提供的两个LED灯板和RP2040 Game Kit固定 2. 通过RP2040 Game Kit上的按键和LCD屏幕设定沙漏一个周期的时间，实现如上图中LED的效果 3. 通过RP2040 Game Kit上的姿态传感器来感知沙漏的方向变化，并开始新的沙漏操作 ## 2 硬件介绍 项目使用的开发板为搭载RP2040芯片的游戏机开发板。 RP2040 Game Kit是基于树莓派RP2040的嵌入式系统学习平台，通过USB Type-C连接器供电，采用RP2040作为主控，具有双核Arm Cortex M0+内核和264KB内存，可通过MicroPython或C/C++编程，性能强大。板上四向摇杆 + 2个轻触按键 + 一个三轴姿态传感器MMA7660用做输入控制，并有240*240分辨率的彩色LCD屏显示，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。可玩性极高，可移植多款复古游戏，还可作为电赛的控制、显示接口平台，搭配传感器、模拟电路外还可以完成更多创意项目。 <img src="docs/image/image-20220829162033830.png" alt="image-20220829162033830" style="zoom:80%;" /> 硬件框图如下：  本项目使用了全彩LCD、按键与姿态传感器模块，并使用spi扩展接口控制LED灯板 ## 3 完成的功能 3.1 电子沙漏中沙粒随重力方向下落  3.2 可调节电子沙漏计时时间  3.3 设计折叠屏机械结构，装配美观 <img src="docs/image/image-20220829163017739.png" alt="image-20220829163017739" style="zoom:67%;" /> ## 4 实现思路 - RP2040采用micropython框架进行开发，使用micropython的面向对象特性。 - RP2040获取板载姿态传感器数据，推算出重力方向，并据此计算沙漏中沙粒的下落情况。 - 通过调节相邻沙粒在缝隙间穿梭的间隔帧数，调节时间，并在lcd屏幕上显示。 - 使用solidworks绘制折叠屏的3D模型，完成打印并组装。 ## 5 实现过程 本项目的软件框架图如下： <img src="docs/image/image-20220829203637829.png" alt="image-20220829203637829" style="zoom: 80%;" /> ### 5.1 环境配置 由于pycharm优秀的代码提示特性，且pycharm支持RP2040的micropython开发，项目初期使用pycharm开发沙粒受重力作用运动的算法。随后，使用Thonny将代码上载到RP2040开发板中。 使用pycharm开发micropython需要在Settings>>Plugins>>搜索安装micropython插件： <img src="docs/image/image-20220829170019352.png" alt="image-20220829170019352" style="zoom: 67%;" /> 然后进入Settings>>Languages&Frameworks>>MicroPython 界面，将选项设置成下图的形式： <img src="docs/image/image-20220829165950900.png" alt="image-20220829165950900" style="zoom: 67%;" /> 随后，pycharm即可识别出`import machine` 等 MicroPython 相关包，并正确进行`Pin()` 、`Timer()` 等模块的代码提示。 ### 5.2 重力算法开发 代码方面，首先，定义Sandy类，表示每个沙粒，每个沙粒占据一个1*1的位置，其成员变量包括x，y轴坐标与一个标志位，这个标志位用来标志现在沙粒是在上面这个块还是下面这个块。其代码如下： ```python class Sandy: def __init__(self, block, x, y): self.block = block # 0->up,1->low self.x = x self.y = y ``` 定义SandyClock类，该类为电子沙漏的顶层类，其成员变量报告：首先是两个8*8数组分别表示上下两个块每个像素的状态；一个沙粒的list，用于存放并索引到电子沙漏里存放的沙粒，还有一个三维向量用于标记重力方向。另外，为了实现调速等扩展功能，还需要添加时间相关变量。最后，SandyClock类构造函数如下： ```python class SandyClock: # 板子是上面的还是下面的 LOW_BLOCK = 0 UP_BLOCK = 1 # 这个位置是否有沙砾 NO_SANDY = 0 HAS_SANDY = 1 # 是否在底边上 IN_BOTTOM = 0 NOT_IN_BOTTOM = 1 IN_X_SLOPE = 2 IN_Y_SLOPE = 3 current_time = 0 # 构造函数 def __init__(self, sandy_list=None, size=None): # 棋盘大小，如果用的不是8*8矩阵，可以在这里改 if size is None: size = [8, 8, 8, 8] self.up_block_x = size[0] self.up_block_y = size[1] self.low_block_x = size[2] self.low_block_y = size[3] # 沙砾集合 if sandy_list is None: sandy_list = [] for i in range(self.low_block_x): sandy_list.append(Sandy(SandyClock.LOW_BLOCK, 0, i)) for i in range(self.low_block_x): sandy_list.append(Sandy(SandyClock.LOW_BLOCK, 2, i)) for i in range(self.low_block_x): sandy_list.append(Sandy(SandyClock.LOW_BLOCK, 4, i)) for i in range(self.low_block_x): sandy_list.append(Sandy(SandyClock.LOW_BLOCK, 6, i)) # for i in range(self.up_block_x): # sandy_list.append(Sandy(SandyClock.UP_BLOCK, 0, i)) self.sandy_list = sandy_list # 生成棋盘 self.up_block = [[SandyClock.NO_SANDY] * self.up_block_x for _ in range(self.up_block_y)] self.low_block = [[SandyClock.NO_SANDY] * self.low_block_x for _ in range(self.low_block_y)] # 把有沙子的地方赋值为1 for index, sandy in enumerate(sandy_list): if sandy.block == SandyClock.LOW_BLOCK: self.low_block[sandy.x][sandy.y] = SandyClock.HAS_SANDY elif sandy.block == SandyClock.UP_BLOCK: self.up_block[sandy.x][sandy.y] = SandyClock.HAS_SANDY else: print("傻逼") # 重力方向 self.gravity = [1, 1, 0] # 调速累加值 self.keyframe_acc = 0 self.keyframe_target = 5 self.cross_crack_flag = False ``` 每运行一轮，代码会有如下流程： 1. 检测用户按键，修改相应变量； 2. 获取重力的方向； 3. 对存放沙粒的list做随机排序 4. 对沙粒list中的沙粒逐个判定移位 代码如下： ```python # 运行一轮 def process(self): self.check_button() self.update_keyframe() # 获得重力 self.gravity = self.update_gravity() # print(self.gravity, end="") # TODO:加上如果y与之前的y乘积是负数，说明翻过来了，清零 # 根据沙砾的高度排序，算内积 # 从下往上排序 # self.sandy_list.sort(key=lambda sandy:( sandy.x * self.gravity[0] + sandy.y * self.gravity[1] ),reverse=True ) # 从上往下排序 # self.sandy_list.sort(key=lambda sandy:( sandy.x * self.gravity[0] + sandy.y * self.gravity[1] )) # 猴排，micropyth