本发明涉及一种基于3d微功耗磁力计的智能旋钮系统及实现方法。
背景技术：
目前，大多数旋钮的核心依然是碳膜电位器，电阻体部分由碳黑，石墨等成分混合而成，工作原理类同滑阻，由旋钮结构中的机械部分直接接触阻体，有功耗高，精度低，滑动噪声大，耐潮性能弱等缺点，此外随着旋钮工作时间增加，电刷和电阻元件之间易产生磨损，造成阻值偏移并降低工作寿命。少数旋钮采用传感器设计，其通常采用模拟信号输出，稳定性差且精度还取决于后端模数转换模块，增大电路的面积。并且此种设计的旋钮通常无法侦测垂直方向上的动作，需额外设计开关电路或者电位器电路，增加电路设计的复杂性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于3d微功耗磁力计的智能旋钮系统及实现方法，该系统具有体积小，功耗低，测量精度高，使用寿命长等优点，可在多个领域取代传统旋钮设计；此外，由于其可进行三维定位和温度侦测，使后端的应用功能拓展更为丰富灵活。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于3d微功耗磁力计的智能旋钮系统，包括mcu控制模块及与该mcu控制模块连接的通信模块、rgbled模块、显示模块、传感器模块，所述mcu控制模块包括相互连接的51单片机和stc15f104单片机，所述显示模块包括锁存电路、与锁存电路连接的晶体管显示模块，所述51单片机与所述锁存电路、通信模块连接，所述51单片机与传感器模块之间通过滤波电路连接，所述stc15f104单片机与所述rgbled模块连接。
在本发明一实施例中，还包括一位于所述传感器模块的mlx90393芯片正上方的磁体、及带动磁体旋转的旋钮，且该磁体与传感器模块的mlx90393芯片同轴放置。
在本发明一实施例中，所述mlx90393芯片、rgbled模块的灯珠均设置于一pcb板上，且rgbled模块的灯珠沿一圆周等间距分布，mlx90393芯片位于rgbled模块的灯珠中心。
在本发明一实施例中，还包括从下而上依次设置的第一至第四方形亚克力板及一圆环垫圈，第一至第四方形亚克力板的中间均开设有圆孔，第一方形亚克力板、第二方形亚克力板的圆形开孔半径均为r1、第三方形亚克力板的圆形开孔半径为r2、第四方形亚克力板的圆形开孔半径为r3，r1＞r3＞r2，且r1大于rgbled模块的灯珠所分布圆周半径，所述pcb板设于第一方形亚克力板、第二方形亚克力板之间，使得mlx90393芯片正好位于第一至第四方形亚克力板圆形开孔中心，所述圆环垫圈外径小于r3，内径大于r2，以使得圆环垫圈正好设置于第四方形亚克力板圆形开孔，且圆环垫圈中间的开孔不遮挡相对设置的mlx90393芯片、磁体。
在本发明一实施例中，所述mlx90393芯片、磁体之间的垂直距离为5～8mm。
在本发明一实施例中，所述晶体管显示模块由若干个八段数码管组成。
在本发明一实施例中，所述传感器模块采用mlx90393芯片，所述mlx90393芯片的int、scl/sclk、sda/mosi、int/trig引脚通过滤波电路与所述51单片机连接，mlx90393芯片的senb/cs、vdd_io、vdd引脚连接至3.3v电源，mlx90393芯片的vdd_io还分别通过电阻r0、电阻r1、电容c1与mlx90393芯片的sda/mosi、scl/sclk、vss引脚连接，mlx90393芯片的vdd引脚还通过电容c0与mlx90393芯片的vss引脚连接，mlx90393芯片的vss、a0、a1引脚相连接至gnd端。
本发明还提供了一种基于上述所述基于3d微功耗磁力计的智能旋钮系统的实现方法，该方法实现如下，
以旋钮的中心为原点，构建坐标系xy；标定旋钮边缘上一点，旋钮转动一周，该点的运动轨迹为一个以原点为圆心的圆；设该点的起始位置为x轴正方向，旋钮旋转后该点和原点连线与x轴正方向的夹角为旋转角度θ；根据传感器模块返回的x和y轴16位二进制数据，即可判定所处象限：
(1)旋钮处于第一象限时：
0x0000<x≤x1
0x0000≤y＜y1
θ＝arctan(y/x)
且0≤θ＜90；
(2)旋钮处于第二象限时：
x2＜x＜0xffff
0x0000<y≤y1
且90≤θ＜180；
(3)旋钮处于第三象限时：
x2≤x＜0xffff
y2＜y≤0xffff
且180≤θ＜270；
(4)旋钮处于第四象限时：
0x0000＜x＜x1
y2≤y＜0xffff
且270≤θ＜360；
根据上述方式定位旋钮位置并确定θ后，根据rgbled模块的灯珠总数量n，通过式子θ/(360/n)，即可判断需要点亮的rgbled模块的灯珠数量；或亮起指定rgbled模块的灯珠，定位旋钮转动位置。
在本发明一实施例中，还可根据z轴方向的16位二进制数据换算得到磁体垂直方向上与芯片的距离；即测得旋钮不按下时，z轴方向返回的数据为z1，当旋钮按下时，该数据将为z2，在z1和z2间设定阈值，当z轴数据大于该阈值时，检测到旋钮按下，从而完成rgbled模块的灯珠显示模式的切换。
在本发明一实施例中，该系统还可实现温度检测，并通过晶体管显示模块显示，实时温度可根据以下公式换算：
其中，tdigital为mlx90393返回的16位温度数据，tref为0xb668。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明基于新型三轴霍尔型传感器mlx90393构建嵌入式系统，完成了单片机与mlx90393的i2c通信并接收回三轴方向上的16位二进制磁场强度数据和实时温度数据。通过本发明中设计的角度换算公式和温度换算公式，实现了三维空间内的旋钮定位和实时温度显示，利用高速单片机stc15f104根据定位信息控制串行数字信号rgbled。用户可于操作模式一，通过转动旋钮控制rgbled点亮个数；于操作模式二，通过转动旋钮控制连续点亮的三个rgbled位置。此外，用户可通过按压旋钮于两个操作模式之间切换，并且垂直按下时rgbled全部点亮为红色。本发明凭借其体积小，功耗低，测量精度高，使用寿命长等优点，可在多个领域取代传统旋钮设计。此外，由于其可进行三维定位和温度侦测，使后端的应用功能拓展更为丰富灵活。
附图说明
图1为系统框图。
图2为命令列表。
图3为传感器模块原理图。
图4为程序流程图。
图5为操纵轨迹坐标图。
图6为串行数据位示意图。
图7为亚克力板尺寸。
图8为整体侧视图。
图中：1-旋钮，2-磁体，3-圆环垫圈，4-pcb，5-mlx90393，6-sk6812rgbled灯珠。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种基于3d微功耗磁力计的智能旋钮系统，包括mcu控制模块及与该mcu控制模块连接的通信模块、rgbled模块、显示模块、传感器模块，所述mcu控制模块包括相互连接的51单片机和stc15f104单片机，所述显示模块包括锁存电路、与锁存电路连接的晶体管显示模块，所述51单片机与所述锁存电路、通信模块连接，所述51单片机与传感器模块之间通过滤波电路连接，所述stc15f104单片机与所述rgbled模块连接。还包括一位于所述传感器模块的mlx90393芯片正上方的磁体、及带动磁体旋转的旋钮，且该磁体与传感器模块的mlx90393芯片同轴放置。
所述mlx90393芯片、rgbled模块的灯珠均设置于一pcb板上，且rgbled模块的灯珠沿一圆周等间距分布，mlx90393芯片位于rgbled模块的灯珠中心。还包括从下而上依次设置的第一至第四方形亚克力板及一圆环垫圈，第一至第四方形亚克力板的中间均开设有圆孔，第一方形亚克力板、第二方形亚克力板的圆形开孔半径均为r1、第三方形亚克力板的圆形开孔半径为r2、第四方形亚克力板的圆形开孔半径为r3，r1＞r3＞r2，且r1大于rgbled模块的灯珠所分布圆周半径，所述pcb板设于第一方形亚克力板、第二方形亚克力板之间，使得mlx90393芯片正好位于第一至第四方形亚克力板圆形开孔中心，所述圆环垫圈外径小于r3，内径大于r2，以使得圆环垫圈正好设置于第四方形亚克力板圆形开孔，且圆环垫圈中间的开孔不遮挡相对设置的mlx90393芯片、磁体。所述mlx90393芯片、磁体之间的垂直距离为5～8mm。
所述晶体管显示模块由若干个八段数码管组成。所述传感器模块采用mlx90393芯片，所述mlx90393芯片的int、scl/sclk、sda/mosi、int/trig引脚通过滤波电路与所述51单片机连接，mlx90393芯片的senb/cs、vdd_io、vdd引脚连接至3.3v电源，mlx90393芯片的vdd_io还分别通过电阻r0、电阻r1、电容c1与mlx90393芯片的sda/mosi、scl/sclk、vss引脚连接，mlx90393芯片的vdd引脚还通过电容c0与mlx90393芯片的vss引脚连接，mlx90393芯片的vss、a0、a1引脚相连接至gnd端。
本发明还提供了一种基于上述所述基于3d微功耗磁力计的智能旋钮系统的实现方法，该方法实现如下，
以旋钮的中心为原点，构建坐标系xy；标定旋钮边缘上一点，旋钮转动一周，该点的运动轨迹为一个以原点为圆心的圆；设该点的起始位置为x轴正方向，旋钮旋转后该点和原点连线与x轴正方向的夹角为旋转角度θ；根据传感器模块返回的x和y轴16位二进制数据，即可判定所处象限：
(1)旋钮处于第一象限时：
0x0000<x≤x1
0x0000≤y＜y1
θ＝arctan(y/x)
且0≤θ＜90；
(2)旋钮处于第二象限时：
x2＜x＜0xffff
0x0000<y≤y1
且90≤θ＜180；
(3)旋钮处于第三象限时：
x2≤x＜0xffff
y2＜y≤0xffff
且180≤θ＜270；
(4)旋钮处于第四象限时：
0x0000＜x＜x1
y2≤y＜0xffff
且270≤θ＜360；
根据上述方式定位旋钮位置并确定θ后，根据rgbled模块的灯珠总数量n，通过式子θ/(360/n)，即可判断需要点亮的rgbled模块的灯珠数量；或亮起指定rgbled模块的灯珠，定位旋钮转动位置。
还可根据z轴方向的16位二进制数据换算得到磁体垂直方向上与芯片的距离；即测得旋钮不按下时，z轴方向返回的数据为z1，当旋钮按下时，该数据将为z2，在z1和z2间设定阈值，当z轴数据大于该阈值时，检测到旋钮按下，从而完成rgbled模块的灯珠显示模式的切换。
该系统还可实现温度检测，并通过晶体管显示模块显示，实时温度可根据以下公式换算：
其中，tdigital为mlx90393返回的16位温度数据，tref为0xb668。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明紧跟工业电子设计发展需求，以三轴霍尔型传感器mlx90393为核心研究对象，构建嵌入式系统处理其返回的信号，并以串行数字信号rgbled应用为例，设计一款智能旋钮。该系统中，霍尔传感器与mcu采用i2c通信，测量分辨率高达16位，精度高。芯片功耗低，测量电流仅为2ma至3ma，待机模式下为2.4μa。体积小,采用3×3mm的qfn封装,并且磁体不与霍尔传感器直接接触，无机械磨损，不易受环境影响，使用寿命长。mlx90393可通过侦测三轴方向上的磁场强度数据，实现三维定位功能，同时可侦测实时温度数据，为旋钮的操作方式和功能拓展提供更多可能。可广泛运用于车载系统，智能家居，无人机控制系统等热门领域，为人机交互设计提供更多解决方案。本设计以其应用的三种操作模式为例，分析由mlx90393为核心的旋钮设计。
(1)操作模式一：根据mlx90393测得的x和y轴磁场强度数据判定旋钮的转角，由旋转角度分辨率换算决定rgbled工作个数。
(2)操作模式二：定位旋钮的转动位置，在该处点亮三个rgbled。
(3)操作模式三：根据mlx90393测得的轴磁场强度数据(z)，改变rgbled的颜色并切换操作模式一和操作模式二。
此外，处于任何操作模式，单片机皆可根据mlx90393返回的温度数据(t)，计算得到当前室温并显示于晶体管。
本发明系统框图如图1所示，系统模块主要包括：传感器模块，mcu控制模块，晶体管显示模块，rgbled模块。传感器模块由mlx90393及其外部电路构成，与控制模块交互并完成测量任务。mcu控制模块由51单片机和stc15f104高速单片机构成。晶体管显示模块由数个八段数码管及锁存电路组成，用于实时监控从mlx90393返回单片机的数据。rgbled模块包括20个sk6812rgbled灯珠。各模块功能及核心工作原理如下所述：
传感器模块的核心mlx90393是最新一代的三轴霍尔型传感器，基于triaxis技术设计，能够精确侦测xyz轴上的磁场强度以及温度数据，通过路径的线性位移，角度检测和3d定位方面的应用，可完成多种形式的人机界面(hmi)设计。处于待机状态时，该芯片仅消耗2.5μa的电流，可实现系统低功耗下长时间待机。该芯片具有三种测量模式：突发模式(burstmode),连续单次测量模式(singlemeasurementmode)和变化唤醒模式(wakeuponchangemode)，可通过程序设定测量模式，命令列表如图2所示。
本发明中，设定连续单次测量模式并测量xyz轴的磁场强度数据和温度数据，则cmd1byte＝0011_1111。该命令被mlx90393接收的同时，即进行一次测量，每种数据的分辨率均高达16位，满量程由5mt到50mt，完成测量后存储于mlx90393的寄存器中，待收到上位机的数据读取命令(readmeasurement)后，向上位机发送数据。数据的发送顺序与测量命令设定的顺序相反，即本次设计中，按照txyz的顺序返回数据。传感器模块原理图如图3所示。
mcu控制模块由51单片机和高速单片机构成。51单片机与mlx90393采用i2c通信方式获取旋钮定位信息，mlx90393需设置端口cs＝1,器件地址位设置为a1＝0,a0＝0。通信程序流程图如图4所示。step1：开启i2c通信后，依次发送器件地址和写标志位0x18，连续单次测量模式(singlemeasurementmode)指令0x3f，器件地址和读标志位0x19，最后读回状态字节。step2：开启i2c通信后，依次发送器件地址和写标志位0x18，测量数据读取(readmeasurement)指令0x4f，器件地址和读标志位0x19，最后由上位机发送足够的时钟脉冲，依次读回状态字节和温度t，x、y、z轴数据。
51单片机还需对返回的x、y、z三轴磁场强度数据和温度数据t进行处理，以实现三维定位功能和实时温度侦测。以旋钮的中心为原点，构建坐标系。标定旋钮边缘上一点，旋钮转动一周，该点的运动轨迹为一个以原点为圆心的圆。设该点的起始位置为圆与x轴正方向上的交点，转角为θ。根据传感器模块返回的x和y轴数据，判定该点所处的象限，其后可由三角函数关系，计算得到该点所处的转动位置，即完成对旋钮转角θ的定位。
设x在其正方向，即θ＝0处，所取得的极值为x1。在其负方向，即θ＝180处，所取得的极值为x2。y在其正方向，即θ＝90处，所取得的极值为y1。在其负方向，即θ＝270处，所取得的极值为y2。如图5所示。
本发明中，磁体位于传感器模块的正上方，且磁体与mlx90393同轴放置，旋钮转动时，磁体随之转动。该结构情况下：
0x0000≤x≤x1即表示处于x轴正方向；
x2≤x≤0xffff即表示处于x轴负方向；
0x0000≤y≤y1即表示处于y轴正方向；
y2≤y≤0xffff即表示处于y轴负方向。
磁体妥善放置并调整其与mlx90393的距离至合适位置后，可转动旋钮且通过晶体管显示模块对mlx90393的输出数据进行观测并记录。由传感器模块返回的x和y轴16位二进制数据，即可判定所处象限，数据分析如下：
(1)旋钮处于第一象限时：
0x0000<x≤x1
0x0000≤y＜y1
θ＝arctan(y/x)
且0≤θ＜90。
(2)旋钮处于第二象限时：
x2＜x＜0xffff
0x0000<y≤y1
且90≤θ＜180。
(3)旋钮处于第三象限时：
x2≤x＜0xffff
y2＜y≤0xffff
且180≤θ＜270。
(4)旋钮处于第四象限时：
0x0000＜x＜x1
y2≤y＜0xffff
且270≤θ＜360。
本发明以智能旋钮用于驱动20个rgbled为例，在默认模式(操作模式一)下，通过对旋钮定位，每转过18度即多点亮一盏灯珠。主程序根据上述原理定位旋钮位置并确定θ后，由关系式int[θ/18]换算所得，即为操作模式一时，需要点亮的rgbled个数。在旋钮转动位置点亮三个灯珠，即为操作模式二。
mlx90393还可在z轴方向上对旋钮进行定位。51单片机通过对mlx90393的寄存器进行相应的设置，即可根据z轴方向的16位二进制数据换算得到磁体垂直方向上与芯片的距离。根据上述原理完成调试后，测得旋钮不按下时，z轴方向返回的数据为z1，当旋钮按下时，该数据将为z2，在z1和z2间设定阈值，当z轴数据大于该阈值时，检测到旋钮按下，并且高速单片机发送指令，点亮所有led并为红色，即为操作模式三。单片机每检测到旋钮按下一次并放开，完成操作模式一和操作模式二的切换。
此外，实时温度可根据以下公式换算：
其中，tdigital为mlx90393返回的16位温度数据，tref为0xb668。
rgbled模块选用sk6812灯珠，采用串行数字信号控制，除了5v供电端和gnd端，仅由一根信号线即可控制20个灯珠的亮度及颜色，避免了传统rgbled的大量接线的缺陷。灯珠之间采用串接的方式连接，将din和dout端口连接，每个灯珠接收由din输入的24bits数据，依序表明8bitsgreen，8bitsred，8bitsblue数据，并将其余数据通过dout转发到下一个灯珠。每一bit数据采用pmw调制的方式表示，如图6所示
51单片机为12t单片机，机器周期约为1ms，无法输出sk6812灯珠所需的串行数字信号。因此本设计通过选用高速1t单片机stc15f104来驱动rgbled模块，由于共有20个sk6812灯珠，当stc15f104接收到来自51单片机的控制信号，需向rgbled模块发出480位串行数据，完成后发送reset信号将数据置位。
晶体管显示模块由数个八段数码管及锁存电路组成，用于实时监控从mlx90393返回单片机的数据，并显示当前温度。当电路以及机械结构件调试完毕即可缺省。
本发明选用径向充磁稀土永磁铁，直径9mm，厚度2mm，表面磁强度1500gauss。结构件需使磁体与mlx90393满足同轴条件，并且二者的垂直距离满足5mm到8mm。结构件选用亚克力材料，底座需四块方形亚克力板，厚度分别为10mm,3.8mm,2mm,15mm,中心处圆形过孔尺寸分别为80mm,80mm,20mm,40mm,四脚处分别留有直径7mm的过孔，其中一块的尺寸如图7所示。加入垫圈，pcb板，磁体和旋钮组装完成后的侧视图如图8示。通过调整垫圈的厚度来改变磁体到mlx90393的距离，进而调整磁轴的数据输出。
本发明基于mlx90393的智能旋钮系统，在克服了过去旋钮设计的诸多缺陷的同时，为后续的设计和开发提供更多可能性。相比传统旋钮功耗更低，测量电流仅为2ma至3ma，待机模式下为2.4μa，可于2.2～3.6v低压工作。体积更小且磁体不与霍尔传感器直接接触，无机械磨损，使用寿命长。相比以往采用角度传感器的旋钮设计，各个磁分量分别采用16位数字信号输出，精度高，无需额外的模数转换电路。除了x，y数据，还可侦测z轴方向的数据，实现三维精确定位，并且可侦测实时温度数据，为旋钮的操作方式提供更多可能。可广泛运用于车载系统，智能家居，无人机控制系统等热门领域，为人机交互设计提供更多解决方案。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。