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[项目] 智能重力感应交互沙漏

本帖最后由云天于 2026-5-22 15:51 编辑

【项目简介】

传统沙漏靠重力驱动，翻转一次固定时间。本项目用 ESP32-S2 主控 + 16×32 HUB75 LED 矩阵 + LIS2DH 三轴加速度传感器，打造一枚"数字沙漏"。核心特性：

屏幕正放时，沙子静止在上半部
翻转屏幕，沙子开始逐颗下落，约 60 秒漏完
再次翻转，沙子"倒流"回上半部
每颗沙子从行中间向两侧扩散，模拟真实堆积形态
严格 1 秒 1 颗，时间精准可控

【硬件清单】
智能重力感应交互沙漏图1

I2C LIS2DH 三轴加速度计（https://www.dfrobot.com.cn/goods-1372.html）

32x16 RGB LED Matrix - 6mm pitch 点阵屏（https://www.dfrobot.com.cn/goods-1474.html）

ESP32-S2-DevKitC-1-N8R2开发板（https://www.dfrobot.com.cn/goods-3075.html）

【接线图】
HUB75 LED 矩阵 → ESP32-S2

智能重力感应交互沙漏图2

LIS2DH 传感器 → ESP32-S2
智能重力感应交互沙漏图3

【硬件组装】
智能重力感应交互沙漏图6

接线

两充电宝供电，一个为主控供电，一个为屏幕供电。
智能重力感应交互沙漏图8

【完整代码】


#include <ESP32-HUB75-MatrixPanel-I2S-DMA.h>
#include <Wire.h>
// ==================== 面板配置 ====================
#define R1_PIN 42
#define G1_PIN 41
#define B1_PIN 40
#define R2_PIN 38
#define G2_PIN 39
#define B2_PIN 37
#define A_PIN  45
#define B_PIN  36
#define C_PIN  35
#define D_PIN  -1
#define E_PIN  -1
#define LAT_PIN 34
#define OE_PIN  14
#define CLK_PIN 2

HUB75_I2S_CFG::i2s_pins _pins = {
  R1_PIN, G1_PIN, B1_PIN,
  R2_PIN, G2_PIN, B2_PIN,
  A_PIN, B_PIN, C_PIN, D_PIN, E_PIN,
  LAT_PIN, OE_PIN, CLK_PIN
};

HUB75_I2S_CFG mxconfig(32, 16, 1, _pins);
MatrixPanel_I2S_DMA dma_display(mxconfig);

// ==================== 屏幕参数 ====================
const int SCREEN_W = 16;
const int SCREEN_H = 32;
const int HW = 12;          // 沙漏宽度
const int HH = 26;          // 沙漏高度（24+2，上下各加一行）
const int START_X = (SCREEN_W - HW) / 2;   // = 2
const int START_Y = (SCREEN_H - HH) / 2;   // = 3
const int HALF_H = HH / 2;  // = 13

const uint16_t COLOR_BORDER = 0xFFFF;  // 白
const uint16_t COLOR_SAND   = 0xFFE0;  // 黄
const uint16_t COLOR_BG     = 0x0000;  // 黑

// ==================== LIS2DH I2C ====================
#define LIS2DH_ADDR 0x19
#define SDA_PIN 8
#define SCL_PIN 9

// ==================== 沙漏像素表 ====================
struct Pixel { int8_t x; int8_t y; };
Pixel topPixels[80];
Pixel bottomPixels[80];
int topPixelCount = 0;
int bottomPixelCount = 0;
int maxStep = 0;

// ==================== 状态机 ====================
int currentStep = 0;      // 当前步数（0=上半满, maxStep=漏完）
int targetStep = 0;       // 目标步数
int orientation = 0;      // 0=正放, 1=倒放

// ==================== LIS2DH 底层驱动 ====================
void lis2dhWrite(uint8_t reg, uint8_t val) {
  Wire.beginTransmission(LIS2DH_ADDR);
  Wire.write(reg);
  Wire.write(val);
  Wire.endTransmission();
}

uint8_t lis2dhRead(uint8_t reg) {
  Wire.beginTransmission(LIS2DH_ADDR);
  Wire.write(reg);
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(LIS2DH_ADDR, 1);
  return Wire.read();
}

void initLIS2DH() {
  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);
  lis2dhWrite(0x20, 0x57);  // CTRL_REG1: 100Hz, 正常模式, XYZ使能
  lis2dhWrite(0x23, 0x88);  // CTRL_REG4: BDU=1, HR=1, ±2g
}

void readAccel(int16_t &x, int16_t &y, int16_t &z) {
  Wire.beginTransmission(LIS2DH_ADDR);
  Wire.write(0x28 | 0x80);   // 从 OUT_X_L 自动递增读取
  Wire.endTransmission();
  Wire.requestFrom(LIS2DH_ADDR, 6);
  uint8_t xl = Wire.read(), xh = Wire.read();
  uint8_t yl = Wire.read(), yh = Wire.read();
  uint8_t zl = Wire.read(), zh = Wire.read();
  x = (int16_t)(xl | (xh << 8)) >> 4;
  y = (int16_t)(yl | (yh << 8)) >> 4;
  z = (int16_t)(zl | (zh << 8)) >> 4;
}

// ==================== 沙漏几何计算 ====================
int getOffset(int y) {
  int relY = y - START_Y;
  if (relY < HALF_H) {
    return max(0, (relY - 1) / 2);      // 上半：前2行不缩进
  } else {
    return max(0, (HH - 2 - relY) / 2); // 下半：底部2行不缩进
  }
}

void collectRow(int y, Pixel *buf, int &idx) {
  int off = getOffset(y);
  int left  = START_X + off + 1;
  int right = START_X + HW - 2 - off;
  if (left > right) return;
  int mid = (left + right) / 2;
  for (int d = 0; ; d++) {
    bool added = false;
    int xl = mid - d, xr = mid + d;
    if (d == 0) {
      if (xl >= left && xl <= right) { 
        buf[idx++] = {(int8_t)xl, (int8_t)y}; added = true; 
      }
    } else {
      if (xl >= left && xl <= right) { 
        buf[idx++] = {(int8_t)xl, (int8_t)y}; added = true; 
      }
      if (xr >= left && xr <= right && xr != xl) { 
        buf[idx++] = {(int8_t)xr, (int8_t)y}; added = true; 
      }
    }
    if (!added) break;
  }
}

void initPixels() {
  int idx = 0;
  for (int y = START_Y + 1; y < START_Y + HALF_H; y++) 
    collectRow(y, topPixels, idx);
  topPixelCount = idx;

  idx = 0;
  for (int y = START_Y + HH - 2; y >= START_Y + HALF_H; y--) 
    collectRow(y, bottomPixels, idx);
  bottomPixelCount = idx;

  maxStep = max(topPixelCount, bottomPixelCount);
}

// ==================== 绘制函数 ====================
void drawFrame() {
  for (int x = START_X; x < START_X + HW; x++) {
    dma_display.drawPixel(x, START_Y, COLOR_BORDER);
    dma_display.drawPixel(x, START_Y + HH - 1, COLOR_BORDER);
  }
  for (int y = START_Y; y < START_Y + HH; y++) {
    int off = getOffset(y);
    dma_display.drawPixel(START_X + off, y, COLOR_BORDER);
    dma_display.drawPixel(START_X + HW - 1 - off, y, COLOR_BORDER);
  }
}

void clearInside() {
  for (int y = START_Y + 1; y < START_Y + HH - 1; y++) {
    int off = getOffset(y);
    int left  = START_X + off + 1;
    int right = START_X + HW - 2 - off;
    if (left <= right)
      for (int x = left; x <= right; x++) 
        dma_display.drawPixel(x, y, COLOR_BG);
  }
}

void drawSand(int step, bool reverse) {
  clearInside();
  if (!reverse) {
    int topShow = constrain(topPixelCount - step, 0, topPixelCount);
    for (int i = topPixelCount - topShow; i < topPixelCount; i++)
      dma_display.drawPixel(topPixels[i].x, topPixels[i].y, COLOR_SAND);
    int botShow = constrain(step, 0, bottomPixelCount);
    for (int i = 0; i < botShow; i++)
      dma_display.drawPixel(bottomPixels[i].x, bottomPixels[i].y, COLOR_SAND);
  } else {
    int topShow = constrain(step, 0, topPixelCount);
    for (int i = 0; i < topShow; i++)
      dma_display.drawPixel(topPixels[i].x, topPixels[i].y, COLOR_SAND);
    int botShow = constrain(bottomPixelCount - step, 0, bottomPixelCount);
    for (int i = bottomPixelCount - botShow; i < bottomPixelCount; i++)
      dma_display.drawPixel(bottomPixels[i].x, bottomPixels[i].y, COLOR_SAND);
  }
  drawFrame();
}

// ==================== 主程序 ====================
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  initLIS2DH();
  Serial.print("LIS2DH WHO_AM_I: 0x");
  Serial.println(lis2dhRead(0x0F), HEX);

  dma_display.begin();
  dma_display.setBrightness(20);
  dma_display.fillScreen(COLOR_BG);
  dma_display.setRotation(1);

  initPixels();
  Serial.printf("Top=%d Bot=%d Step=%d\n", topPixelCount, bottomPixelCount, maxStep);

  drawSand(0, false);
}

void loop() {
  int16_t ax, ay, az;
  readAccel(ax, ay, az);

  int newOrient = orientation;
  if (az > 700)       newOrient = 0;
  else if (az < -700) newOrient = 1;

  if (newOrient != orientation) {
    orientation = newOrient;
    targetStep = (orientation == 0) ? 0 : maxStep;
  }

  if (currentStep < targetStep) {
    currentStep++;
    drawSand(currentStep, false);
    delay(1000);
  } else if (currentStep > targetStep) {
    currentStep--;
    drawSand(maxStep - currentStep, true);
    delay(1000);
  } else {
    delay(50);
  }
}
复制代码

【功能模块解析】
模块一：LED 矩阵驱动配置

HUB75_I2S_CFG mxconfig(32, 16, 1, _pins);
MatrixPanel_I2S_DMA dma_display(mxconfig);
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ESP32-HUB75-MatrixPanel-I2S-DMA 库利用 ESP32 的 I2S 外设 + DMA 驱动 HUB75 面板，CPU 只需填充显存，刷新由硬件自动完成，无闪烁。
参数 (32, 16, 1, _pins) 表示：

32 列 × 16 行物理分辨率
1 个面板级联
自定义引脚映射 _pins

竖屏模式：dma_display.setRotation(1) 将坐标系旋转 90°，使 16×32 变为 32×16 的竖屏使用体验。

模块二：沙漏几何引擎

int getOffset(int y) {
  int relY = y - START_Y;
  if (relY < HALF_H) {
    return max(0, (relY - 1) / 2);      // 上半
  } else {
    return max(0, (HH - 2 - relY) / 2); // 下半
  }
}
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这是沙漏形状的核心算法。offset 表示某一行相对于边框的缩进量。
关键设计：max(0, ...) 确保顶部和底部各有 2 行保持满宽（10 点），之后每 2 行缩进 1 点。单边像素分布：

行号:  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10 11 12 13
宽度: 10 10  8  8  6  6  4  4  2  2  0  0  0（腰部）
复制代码

总计 60 点，翻一次 60 秒漏完。
模块三：像素排序与逐点动画

void collectRow(int y, Pixel *buf, int &idx) {
  // ... 每行从中间向两边收集像素
}
复制代码

排序规则：

上半：y 从顶部往下，每行内中间 → 左 → 右
下半：y 从底部往上，每行内中间 → 左 → 右

这样 topPixels[0] 是最顶部行的中心点，topPixels[59] 是腰部边缘点。正向动画时显示数组尾部（保留腰部），隐藏头部（顶部先空），实现最顶行中心先漏、向两侧扩散的真实效果。

模块四：正向/逆向镜像渲染

void drawSand(int step, bool reverse) {
  if (!reverse) {
    // 正向：上半显示尾部（腰部保留），下半显示头部（底部堆积）
  } else {
    // 逆向：上半显示头部（顶部填满），下半显示尾部（腰部保留）
  }
}
复制代码

时间反演对称性：逆向不是简单倒放 percent，而是严格镜像——上半从顶部往下填充，下半从腰部往下消失。这样沙子"流回去"和"流下来"的视觉逻辑完全一致。
模块五：LIS2DH 裸机驱动

void initLIS2DH() {
  Wire.begin(SDA_PIN, SCL_PIN);
  lis2dhWrite(0x20, 0x57);  // 100Hz ODR
  lis2dhWrite(0x23, 0x88);  // BDU + 高分辨率
}
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不依赖外部库，直接用 Wire.h 操作寄存器：

0x20 (CTRL_REG1)：100Hz 数据率，XYZ 三轴使能
0x23 (CTRL_REG4)：BDU=1 防止高低字节撕裂，HR=1 开启 12bit 高分辨率

读取时 0x28 | 0x80 启用地址自动递增，一次读取 6 字节 XYZ 数据。

模块六：方向检测与状态机

int newOrient = orientation;
if (az > 700)       newOrient = 0;   // 正面朝上
else if (az < -700) newOrient = 1;   // 倒过来
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迟滞设计：700（约 0.7g）作为阈值，中间区间保持原状态，防止抖动。
状态机：

orientation 记录当前朝向
targetStep 根据朝向设为 0 或 maxStep
currentStep 逐秒向目标逼近

翻转后沙子不会瞬间跳变，而是从当前状态平滑继续流动，体验自然。

【效果演示】

1.正放静止	60 颗沙子在上半部，底部空
2.翻转开始漏	最顶行中心第 1 颗消失，底部中心第 1 颗出现
3.漏到一半	上半顶部已空出约 5 行，下半底部堆起约 5 行
4.漏完	上半全空，下半满 60 颗
5.再翻转	沙子从下半"倒流"回上半，严格镜像