智能魔法棒———硬件篇

Posted 2022-01-12 三明治开发社区

一、概述

大家都听过《哈利波特》吧，在《哈利波特》的世界中，魔法物品很多，但是没有任何一样物品能像魔杖一样重要，因为它与巫师建立起了一种难以言表的紧密联系。大家看到魔法世界里的巫师们，轻轻挥动几下他们的魔法棒，就可以施放各种各样的魔法，是不是即惊叹又羡慕。

今天给大家带来一款家庭版的魔法棒，开发者们只要轻轻挥动它，就可以控制家里的智能设备，体验一次当哈利波特的感觉，是不是特别神奇。它还可以充当探照小灯，比如东西掉到狭小又深的地方时，可以将身材修长苗条是魔法棒伸进去，点亮顶部的小灯，来寻找物品。

想拥有这样的魔法棒吗，一起来看看吧。

二、硬件设计

电路主要分为主控板和灯板两部分。

主控板搭载锂电池和充电管理系统，使魔法棒具备可循环的持久续航能力，采用一颗高精度六轴传感器，可以识别用户手势姿态，判断用户指令，还搭载涂鸦智能出品的通信模组，赋予魔法棒联网的能力，可与手机APP通讯，实现设备端，手机端，云端三方数据通信，从而实现用户通过挥动魔法棒控制智能设备，起到魔术一样的神奇效果。

灯板可以根据开发者喜好自由发挥，添加各种颜色，各种规格的灯，使魔法棒在"施法"时显的更加绚丽多彩。

整体硬件框图如下：

2.1 主控板

点击这里查看主控板完整原理图

考虑到便捷环保和重复使用，魔法棒选择3.7V锂电池供电，电池的尺寸和容量可以根据自身需求选择。原理图中的U3为TP4056，是一颗锂电池专用充放电芯片。

这是一款恒定电流/恒定电压线性充电芯片，采用了内部 PMOSFET 架构，内置防倒充电路。芯片具有热反馈功能，可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2V，而充电电流可通过一个电阻器进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值 1/10 时，TP4056 将自动终止充电循环。

V_IN为USB输入的5V电压，V_BAT连接锂电池的正极（锂电池的负极记得连GND），CE脚是芯片使能端，只有CE脚高电平的时候，TP4056才会正常工作。

• STDBY脚是电池充电完成指示端。当电池充电完成时，该脚被内部开关拉到低电平，表示充电完成。除此之外，该管脚都将处于高阻态。
• CHRG脚是漏极开路输出的充电状态指示端。当充电器向电池充电时， 该管脚被内部开关拉到低电平，表示充电正在进行；否则该管脚处于高阻态。

​ 因此，开发者可以在STDBY和CHRG脚分别加了绿色和红色两个LED。这样，当锂电池正在充电时，红灯点亮，当充电完成，绿灯点亮。

• PROG脚是恒流充电电流设置和充电电流监测端。从 PROG 管脚连接一个外部电阻到地端可以对充电电流进行编程。在预充电阶段，此管脚的电压被调制在 0.1V；在恒流充电阶段，此管脚的电压被固定在 1V。在充电状态的所有模式，测量该管脚的电压都可以根据下面的公式来估算充电电流Ibat=1200*Vprog/Rprog。

为了防止大电流充电，芯片和电池温度上升，开发者把充电最大电流设置为0.8A。根据公式可知，Rprog=1200*Vprog/Ibat。

其中Ibat取0.8A，Vprog取1V，计算得Rprog=1.5K欧姆。如果开发者想加大电流，在此基础上适当减小Rprog电阻（原理图中的R8）即可。

• TEMP脚是电池温度检测输入端。将TEMP 管脚接到电池的 NTC 传感器的输出端。如果 TEMP 管脚的电压小于输入电压的45％或者大于输入电压的 80％，意味着电池温度过低或过高，则充电被暂停。如果 TEMP 直接接 GND，电池温度检测功能取消，其他充电功能正常

这里为了减少开发周期，开发者可以将R16或者R14焊0欧姆电阻，取消该功能。如果开发者希望启用，可以联系涂鸦智能，涂鸦智能会提供专业技术支持进行帮助。点击这里查看TP4056数据手册

U4是一颗低功耗型的LDO，型号是MD5333，它的作用将锂电池输出的3.6V电压降压到3.3V，由此给控制器，传感器等设备供电。

MD5333最大的优势在于它的低功耗，它的静态漏电流只有1~2uA，可以大大减少魔法棒在待机情况下的功耗，从而保证魔法棒的续航时间。开发者也可以选择其他型号的LDO芯片，但是静态漏电流建议要在2uA以下哦。

2.1.1 控制器

控制核心依旧是开发者们所熟悉的涂鸦智能云模组。

涂鸦有各种通信协议，各种尺寸规格，各种工作温度，各种焊接方式的一系列超高性价比自研模组，开发者可根据自身的需求进行灵活选择。本次的魔法棒，如果考虑产品化，涉及低功耗等要求，推荐开发者选择低功耗蓝牙模组或者低功耗Zigbee模组。

魔法棒会用到如下几个控制引脚用于控制外设，开发者在设计电路的时候需要注意一下：

引脚名称	引脚功能
LED	LED灯控制引脚，用于控制LED灯亮灭或闪烁
KEY	按键引脚，用于唤醒涂鸦云模组，退出低功耗模式
MPU_INT	MPU6050数据就绪引脚，当数据就绪时会产生高电平以提示主控来读取数据
SCL	MPU6050 IIC接口的时钟引脚
SDA	MPU6050 IIC接口的数据引脚
CT_POW	MPU6050 电源控制引脚

2.1.2 传感器

如何识别用户挥手的手势姿态信息呢？这里就需要一颗姿态采集传感器，本方案采用的是MPU6050。

它是InvenSense公司推出的全球首个整合性6轴运动处理器件，内带3轴陀螺仪和3轴加速度传感器，并且含有一个辅助IIC接口，可用于连接外部磁力传感器，利用数字运动处理器DMP硬件加速引擎，通过主IIC接口，可以向应用端输出完整的9轴姿态融合演算数据。

MPU6050 对陀螺仪和加速度计分别用了三个16 位的ADC（0~65535），将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的。

MPU6050三个独立的振动MEMS速率陀螺仪，可检测旋转角度X轴，Y轴和Z轴。 当陀螺仪围绕任何感应轴旋转时，科里奥利效应就会产生电容式传感器检测到的振动。 所得到的信号被放大，解调和滤波产生与角速度成比例的电压。 该电压使用单独的片内数字化16位模数转换器（ADC）对每个轴进行采样。 陀螺仪传感器可以全面范围的被数字编程为每秒±250，±500，±1000或±2000度（dps）。 ADC样本速率可以从每秒8,000个采样点编程到每秒3.9个采样点，并且可由用户选择低通滤波器可实现广泛的截止频率。

MPU6050的3轴加速度计为每个轴使用单独的检测质量。 加速沿着一条特定轴在相应的检测质量上引起位移，并且电容式传感器检测到该位移位移有差别。MPU6050的架构降低了加速度计的敏感度制造变化以及热漂移。 当设备放置在平坦的表面上时，将进行测量在X和Y轴上为 0g，在Z轴上为+ 1g。 加速度计的比例因子在工厂进行校准并且在名义上与电源电压无关。 每个传感器都有一个专用ADC来提供数字输出。 数字输出的满量程范围可以调整到±2g，±4g，±8g或±16g。

点击这里查看MPU6050数据手册

传感器的引脚功能说明如下：

引脚编号	引脚名称	说明
1	CLKIN	可选的外部时钟输入，如果不用则接GND
6	AUX_DA	I2C主串行数据，用于外接传感器
7	AUX_CL	I2C主串行时钟，用于外接传感器
8	VLOGIC	数字I/O供电电压
9	AD0	I2C Slave 地址 LSB
10	REGOUT	校准滤波电容连线
11	FSYNC	帧同步数字输入
12	INT	中断数字输出（推挽或开漏）
13	VDD	电源电压及数字I/O供电电压
18	GND	电源地
19、20、21	RESV	预留，不接
20	CPOUT	电荷泵电容连线
23	SCL	I2C串行时钟SCL
24	SDA	I2C串行数据SDA
2、3、4、5、14、15、16、17	NC	悬空

2.2 功能板

这部分的电路，开发者可以任意发挥，给魔法棒附加额外的创意功能，展现各种天马行空的奇思妙想，简单的，比如加个灯，让魔法棒具备探照的功能，也可以加蜂鸣器，当按键按下，可以制造美妙的音乐。这里以灯为例，开发者可以参考下面原理图。

设计时需要注意一下几点：

• 所选LED灯的压降不能超过供电电压。
• 需要考虑LED允许的最大持续电流，选择合作阻值的限流电阻。
• 注意限流电阻的功率，选择合适封装，0603为1/10W，0805为1/8W，1206为1/4W。

三、整机搭建

开发者发挥自己的创意，综合考虑使用情况，调整PCB外形和结构尺寸，制作出一根属于自己的魔法棒。

点击这里查看主控板完整PCB

外形结构

整体效果