一把指南伞
2015-07-295.4万
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本文介绍了如何制作一款结合电子罗盘和LED灯带的指南伞。该项目旨在解决雨夜出行的安全问题，通过读取电子罗盘的六轴矢量参数并转化为航向角，使用360°等分10份的灯带显示地理北极方向。硬件清单包括FIT0352 RGB LED灯带、SEN0079六轴电子罗盘LSM303DLH、DFRduino Pro Mini V1.3等。适合家长与孩子共同完成，既锻炼了孩子的动手能力，又提高了夜间出行的安全性。
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一把指南伞 【背景】 近两个月以来，上海总是各种大雨小雨不断。一把伞就成了我们出行随身携带的日常配备。于是对伞的功能产生了兴趣。 在网上看到一款日本设计师Yang Ze-Siao设计的日伞夜灯-DSNL。它采用了多功能太阳电池板和发光二级管融合设计，白天用伞遮挡太阳，同时能存储太阳能，晚上可以当作照明灯具使用。看到后非常喜欢，这让我萌生了自己也动手改造伞的想法。  一个下雨夜晚，城市里的人们行走的脚步总是匆匆的，特别是来到一个陌生的环境，如果急切的低头看手机寻找方向，面对来往的车辆，多少会有些危险。于是想到了用电子罗盘和LED灯带组合设计一款能在夜间指引方向的指南伞，它能快速地给行人指引方向，也可以给夜间行驶的车辆以灯光的提示，保证出行的安全。 【设计思路】  相对于一个特定的区域，地理北极的朝向是恒定的。利用这个原理，我们读取电子罗盘的六轴矢量参数，经过一定的公式转化，将地理北极的方向，用航向角表示。（水平面上地理北极与电子罗盘标定的X轴的夹角）。 将伞的360°等分为10份，即以每36°代表一个方位并用三颗灯珠表示。最后将实时的地理北极方向，用该方位的灯带表示出来。因能力非常有限，可能会有不少疏漏，希望大家能够批评指正。 【所需硬件清单】 1. FIT0352 RGB LED 灯带 2. SEN0079 六轴电子罗盘LSM303DLH 3. DFR0132 DFRduino Pro Mini V1.3 4. 电源开关模块 5. 3.7V mini电池 注：所有的硬件均可以在DFRobot商城购买。 【制作过程】 Step1. 测试电子罗盘 先测试电子罗盘的功能，将六轴矢量数据转化为航向角，在串口中打印出来。水平放置芯片，观察X轴是否与北方重叠。360°转动电子舵盘，观察串口数值的返回过程。 （关于电子罗盘的倾角补偿方法，写在了后面的【硬件回顾】中。） 电路连接图：  备注： 一．对于Arduino pro mini而言，它默认的I2C接口为A4(SDA),A5(SCL)。 二．因为arduino pro mini不具备USB的转换芯片，因此用户无法直接用USB线来烧录程序。需要FTDI才能烧入程序和进行串口调试。 三. FTDI下载器的驱动已经集成在Arduino IDE的drivers目录下，无须另外下载。安装驱动时，请选择从FTDI USB Drivers文件夹中安装。 下载程序 测试代码在附件中下载。位置为umbrella文件夹>>el-compass_test.ino 。测试时需导入LSM303DLH库 电子罗盘相关语句分析 语句：Wire.begin() 说明： 开启I2C总线 （主设备）。因为LSM303DLH是通过I2C和Arduino进行通讯的。 语句：LSM303DLH compass; 说明：初始化电子罗盘，建立一个类型为LSM303DLH, 名为compass的对象。这里的对象的名字可自行更改。 语句：compass.read()； 说明：读取LSM303DLH的六轴参数，并将它们赋值给compass.m.x/y/z（三个矢量方向的磁场值），compass.a.x/y/z (三个矢量方向的加速度值) ，便于我们后面调用这些参数。 将弧度值转化为用0~360°表示： int compass_angle=round(atan2(H_y,H_x)*180/PI); //转化为角度 if(compass_angle<0) compass_angle+=360； //转化为（0~360°） 测试效果： 根据电子罗盘上标准的三个地磁矢量的方向水平放置芯片。观察串口的返回值，x轴方向与地磁北极重合时，串口返回0。逆时针转动芯片，正西方为90，南方为180。依次返回值会不断变大到360°  Step2. RBG灯带的焊接和使用 以三颗LED灯为一组对灯带进行裁剪。  拼接时留意选取灯带的正确方向  焊接，并用热熔胶封闭接口（防水）  焊接后的效果  对灯带编号 从灯带上与控制板连接的第一颗LED算起，每三颗LED灯编为一组记作LEDs_0, 依次为LEDs_1...一直到LEDs_9。 电路连线图：  下载测试程序 测试代码在附件中下载。位置为umbrella文件夹>>LED_strip_test.ino 。测试时需导入Adafruit_NeoPixel库 灯带程序相关语句分析 语句1：Color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) 说明：显示灯珠的颜色 （三个参数分别表示红，绿，蓝三色的亮度；取值范围是（0~255））如表示 红色：Color(255，0，0); 蓝色: Color(0,0,255); 紫色：Color(255,0,255); 为蓝色和红色的混合 语句2：setPixelColor(uint16_t n, uint32_t c) 说明：设置某一颗灯珠的颜色，其中n为灯珠的编号（第一颗灯珠为0，按顺序依次为1，2，3....）， c为灯珠的颜色参数，即Color(uint8_t r, uint8_t g, uint8_t b) 测试效果 通过改变测试程序loop()中colorwipe()函数中的参数a 和b的。来控制点亮不同编组的灯珠。 例： 如果想点亮LEDs_0灯组，则 void loop(){ colorWipe(Color(255，0，0),0 ,3, 50); clear(100);}  Step3. 对芯片做去针脚处理并焊接所需的接线 为了能美观，用电烙铁加焊锡将针脚去掉，改用直接焊接接线  去针脚后的效果  对控制器去针脚，但保留用于程序烧写和串口调试的针脚。  Step4. 连接各个元器件，并安装到伞内 总装电路图：  接线表格
元器件安装：  灯带安装：  外观效果：  视频效果： 【硬件回顾】 因为之前未使用过电子罗盘和加速度仪，期间饶了不少的弯路，在网上收集了一些关于电子罗盘的原理和使用帖子，经过测试，发现基本上能满足本次设计的要求。下面是一些相关使用知识的整理与大家分享，因为本人水平非常有限，可能会存在不少错误和不足的地方，望大家能够批评指正。 如何表示地磁北极的方向 电子罗盘是利用磁传感器感知地球磁场来实现测向定位的,地球上某点的磁场矢量分析如图所示。   x轴和y轴在水平面上且x轴与y轴相互垂直, z轴是垂直方向(重力方向)。磁北的方向就是地磁场He在水平面上的分量Heh的方向。对照图中3个角度进行以下说明。 1) 方位角α(磁北与x轴之间的夹角)  2) 磁偏角λ(地理北极与磁场北极之间的偏离角) 磁偏角也叫磁差,磁偏角是与地理位置有关的参量。磁偏角在上海地区为偏西4.3°,在大连为偏西7.5°。利用磁罗盘在计算真方位角(即相对地理北极)时,必须对磁差进行补偿。 结论： a，只需要知道电子罗盘输出的X和y轴方向的矢量，通过做两者的反正切即可以得出方向角α。 由于X轴视作参考坐标，那么由方向角α，边可以得出磁北的方向。 b，每个地区的磁偏角相对固定，于是查询该地区磁偏角，结合磁北方向边可以得到我们真正想要的地理北极方向。 倾角补偿的原理 1，为什么要做倾角补偿 只有在检测仪器与地表平行时才能成立。当仪器发生倾斜时，方位值的准确性将受到很大的影响。为减少该误差的影响，我们需要用加速度计来测量俯仰角和侧倾角。 2. 倾角补偿的方法 俯仰角定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。通过LSM303DLH内置的加速度传感器检测出三个轴上重力加速度的分量， 再通过式2，可以计算出(roll)侧倾角 和 （pitch）俯仰角关于侧倾角，俯仰角可参考如下示意图    将俯仰角和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来的位置“拉”回到水平的位置。 标准的转换计算式如下：  这里  和 为要转换到水平位置的值,于是由公式一，得到了倾角补偿后的航向角，最后根据当地的磁偏角做左后的修正，边得到了较为稳定的航向角，即北极的方向信息。三：一些相关的数学运算函数 PI //常量π atan2(y,x); //反正切三角函数 sq(); //取平方函数 sqrt; //取开方函数 |
学校要求我们做一个创新设计的产品
不过创意很好啊, 最好能封装一下, 从伞的外观看不出来才好