自制魅魔頭盔

60 多年過去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對它情有獨鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個擬輝光管時鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對過去經(jīng)典的敬意。

“聽說在很久以前的原始人時期，有一只形跡可疑的魔獸。它在待命時可以偽裝成路邊的霓虹燈來隱藏自己，用陰暗的閃光恐嚇對手，還能放出迷霧和泡泡困住敵人，令其無處可逃，最終難逃被抓住的命運?！?/p>

這段文字來自我一個好朋友的小說設(shè)定。當(dāng)我第一次看到這個設(shè)定的時候，我剛剛和同學(xué)玩過一場密室游戲。所以我的第一反應(yīng)是這不就是一個可以在密室游戲里用上的小玩具嘛！所以，我就有了制作一個具有以上功能的可穿戴設(shè)備的想法。

設(shè)計方案

首先是外觀設(shè)計。在我們看到的神話故事中，大部分魔獸（見圖 1）顯著的特征就是兩眼閃著綠光。所以我第一時間就想到了制作一個眼鏡，在上面增加兩個全彩 LED 發(fā)出綠光，同時在左右眼鏡腿上分別放置噴霧模塊和泡泡機用于實現(xiàn)放出迷霧和泡泡的功能。但是在制作魅魔眼鏡完原型機（見圖 2）后，我放棄了這個想法。兩個 LED 能實現(xiàn)的綠光光效有限，相對于上面說到的霓虹燈功能差了不少，眼鏡片有限的面積也很難增加 LED。自制的眼鏡框結(jié)構(gòu)不太合理，戴上眼鏡不太穩(wěn)定，最要命的是泡泡機過于沉重，導(dǎo)致眼鏡經(jīng)常會從鼻梁上滑下來，在奔跑的時候會更明顯，使用體驗極差。

圖 1 魔獸

圖 2 魅魔眼鏡原型機

基于上面的痛點，我決定在第二版中使用常見的電動車頭盔（見圖 3）進(jìn)行改造。頭盔前面的半透明面罩足夠大，可以用于放置燈環(huán)。頭盔上面有一個3D 打印的小盒子，里面集成了噴霧模塊、泡泡機和主控系統(tǒng)。經(jīng)過實測，戴上頭盔以后視野會受限，但只能靠摸頭盔頂部的開關(guān)來控制頭盔。所以我給它加上了 MPU6050 加速度傳感器，實現(xiàn)點頭切換燈效、左偏開啟 / 關(guān)閉泡泡機、右偏開啟 / 關(guān)閉噴霧的功能，方便操作。

圖 3 電動車頭盔

硬件設(shè)計

燈環(huán)

魅魔頭盔共有兩個燈環(huán)（見圖 4），每個燈環(huán)裝有 12 個 LED，分別安裝在頭盔左右眼的位置，中間鏤空方便使用者觀察外界。

圖 4 燈環(huán)

在 LED 的選擇上，為了降低體積、提高 LED密度，我使用了 WS2812-2020（2mm×2mm）封裝的全彩 LED。這種 LED 分為兩種，一種是正常的全彩 LED，里面有 RGB 三色 LED，它的優(yōu)點是自由度高、價格低，缺點是極其占用單片機的 I/O 接口；魅魔頭盔的 24 個 LED 一共需要 72 個 I/O 接口，而且為了調(diào)光調(diào)色，這 72 個接口還需要是 PWM 接口，這顯然浪費了資源，所以我使用的是 WS2812 LED（見圖 5），它的內(nèi)部除了 RGB 三色 LED，還集成了控制芯片，能以級聯(lián)的方式控制 24 個 LED，不僅節(jié)約了單片機的 I/O 接口，還簡化了布線。同時該LED 支持 Adafruit_NeoPixel、Freenove WS2812等多種驅(qū)動庫，方便后期開發(fā)。選購 LED 的時候建議選擇霧面 LED，發(fā)光效果更好。

圖 5 WS2812 LED

噴霧模塊

魅魔頭盔的噴霧功能使用加濕模塊（見圖 6）實現(xiàn)。加濕模塊一般由超聲波片、驅(qū)動模塊以及外圍的結(jié)構(gòu)件組成。通電以后，超聲波片高速震動，把棉棒上的水霧化形成噴霧。

圖 6 加濕模塊

在選購噴霧模塊時，要注意噴霧模塊的開啟方式。大部分市售的噴霧模塊通電以后不會立即噴霧，需要按一下開關(guān)才能噴霧，增加了我們用單片機控制的難度。有些模塊的背面有短接點，短接焊盤可以實現(xiàn)上電就噴霧。所以在選購時要買這種帶短接點的模塊，這樣就可以通過供電來控制噴霧模塊了。此外，還要注意噴霧模塊的電壓，大部分噴霧模塊是用 5V 電壓供電的，但是在 3.7V 鋰電池電壓下也能正常工作。

泡泡機

魅魔頭盔的吹泡泡功能采用泡泡機（見圖 7）實現(xiàn)。通電后電機轉(zhuǎn)動從 A 口吸入空氣，D 口吸入泡泡液，經(jīng)混合以后從 B 口吹出泡泡。C 口會返回多余的泡泡液和空氣，維持泡泡液瓶內(nèi)氣壓平衡。我也建議選購成品泡泡機拆出里面的機芯來使用。因為這種泡泡機內(nèi)置了一個 3.7V 500mAh 鋰電池，可以直接作為本項目的電池，性價比極高。

圖 7 泡泡機

主板上燈環(huán)、泡泡機、噴霧模塊的驅(qū)動電路是典型的三極管驅(qū)動電路，大家可以掃描目錄頁電子資源二維碼獲取電路圖。

主控

魅 魔 頭 盔 的 主 控 對 性 能 要 求 不 高， 常 見 的Arduino、ESP32、STM32 等芯片都能勝任，只要芯片支持單總線通信和I2C通信即可。我選擇了相對比較熟悉的 ESP32 作為主控。為了便于焊接，我用的是 ESP32-WROOM-32E 模塊（見圖 8）。它集成了雙核 240MHz 的 ESP32-D0WD-V3 芯片，原生支持 FreeRTOS 操作系統(tǒng)，對后續(xù)開發(fā)有所幫助。該模塊有 4MB、8MB、16MB 這 3 種 Flash 可供選擇。頭盔的功能比較簡單，使用 4MB Flash 的版本就可以完全滿足需要。

圖 8 ESP32-WROOM-32E 模塊

MPU6050

前面提到魅魔頭盔使用點頭和偏頭來控制各功能，這一功能可以使用水銀開關(guān)（傾斜開關(guān)）來實現(xiàn)，但誤觸率較高，我在本項目中用了 MPU6050 加速度傳感器（見圖 9）來測量傾角。MPU6050 使用3.3V 供電，通過 I2C 接口和單片機通信。

圖 9 加速度傳感器

USB轉(zhuǎn)串口電路

USB 轉(zhuǎn)串口電路用于給 ESP32 上傳程序，主要 使 用 CH340 模 塊，USB Type-C 接 口 用 于 電源輸入和上傳程序，電阻 R10、R11 用于兼容雙頭USB Type-C 數(shù)據(jù)線。

相比傳統(tǒng)的 USB Type-C 數(shù)據(jù)線，雙頭 USB Type-C 數(shù)據(jù)線從物理上無法區(qū)分供電端和受電端，如果不加電阻 R10、R11，使用雙頭 USB Type-C數(shù)據(jù)線充電時充電器就識別不到是什么設(shè)備，加上這2 個電阻后，魅魔頭盔就可以被標(biāo)識為受電設(shè)備，能順利充電。

充電和供電電路

充電部分使用 TP4056 模塊，這是一個很常用的線性降壓充電芯片，只需要很少的外圍元器件就可以實現(xiàn)完整的鋰電池充電功能，支持 5~6.5V 電壓輸入，最大電流可達(dá) 1.2A。

XC6206P332MR 是一款壓差在 100mV 以內(nèi)、最大電流 600mA 的低壓差 LDO，用于將鋰電池的電壓降到 3.3V 給 ESP32 及 CH340 供電。同時兼顧鋰電池低壓保護(hù)功能，當(dāng)電池電壓下降到 3.4V 時，XC6206P332MR 會停止輸出，保護(hù)電池不過度放電。

電源開關(guān) SK-3260D-01-L3 如圖 10 左側(cè)所示，比較少見。你也可以買圖 10 右側(cè)所示的常規(guī)開關(guān)，然后彎折引腳來實現(xiàn)同樣的效果。

圖 10 兩種開關(guān)

在此基礎(chǔ)上使用立創(chuàng) EDA 專業(yè)版設(shè)計好魅魔頭盔主板和燈板，PCB 設(shè)計如圖 11 和圖 12 所示，3D預(yù)覽如圖 13 和圖 14 所示。

圖 11 主板 PCB 設(shè)計

圖 12 燈板 PCB 設(shè)計

圖 13 主板 3D 預(yù)覽

圖 14 燈板 3D 預(yù)覽

PCB焊接

首先焊接燈板（見圖 15），在燈板上涂抹錫膏，隨后使用加熱臺完成焊接。

圖 15 焊接燈板

WS2812-2020 封裝的 LED 比較小，且 EDA軟件里面的絲印符號與實物不一致，焊接時需要仔細(xì)對照 EDA 和廠商給出的引腳圖，避免焊反。此外，在打板時建議選擇普通的 FR4 硬板，如果選擇了 FPC 軟板，焊接時比較容易彈飛 LED 或者虛焊。尤其是對于級聯(lián)設(shè)計的 WS2812-2020，如果存在虛焊，后面的 LED 都亮不了，實測后果慘重。

主板的焊接相對比較簡單，先使用加熱臺和錫膏焊接貼片元器件，再用電烙鐵焊接開關(guān)，焊接完成的主板如圖 16 所示。

圖 16 焊接完成的主板

頭盔主控部分外殼（見圖 17）采用 Autodesk 123D Design 設(shè)計，包括一個外殼和一個上蓋。

圖 17 頭盔主控部分外殼

組裝

1.組裝噴霧部分，將噴霧片壓入模塊外殼，裝上棉棒，塞入 3D 打印外殼。將超聲波片的導(dǎo)線通過外殼上的預(yù)留孔穿到中間倉。

2.組裝泡泡機部分，用電烙鐵在 3D 打印外殼適當(dāng)位置鉆孔，然后用熱熔膠固定泡泡機。

3.連接超聲波霧化片和噴霧驅(qū)動模塊，并裝入電池。

4.在主板上焊接 MPU6050 模塊（注意方向），連接各個組件，并用熱熔膠固定主板。

5.在外殼后部開一個小口，引出連接燈板的導(dǎo)線（注意區(qū)分線序），合上上蓋，將 3D 打印外殼粘到頭盔上。

6.使用熱熔膠粘貼燈板，并焊接燈板導(dǎo)線，為了提升顯示效果、隱藏?zé)舭灞旧?，我把透明的頭盔面罩換成了茶色的。

7.魅魔頭盔就組裝完成了。

程序設(shè)計

完整程序可掃描目錄頁電子資源二維碼獲取，在此僅講解幾個重要部分。

角度傳感

首先在程序開頭添加程序 1，調(diào)用 MPU6050庫并設(shè)置 3 個變量用于儲存 3 軸角度值。

然后初始化 MPU6050，并設(shè)置相應(yīng)的量程，如程序 2 所示。

最后，循環(huán)獲取 3 軸角度數(shù)據(jù)，如程序 3 所示。

注意程序最后的 delay（20），角度采集程序每 20ms 運行一次。

角度判斷

采集到角度后，需要對其進(jìn)行判斷。如程序 4所示，dx<-70 時代表點頭，當(dāng)前光效的 LED 變量加 1，7 種光效都循環(huán)后回到 1；dy>25 時代表左偏頭，會改變 Paopao 變量的值，實現(xiàn)偏頭開啟泡泡機，再偏一次關(guān)閉泡泡機；dy<25 時代表右偏頭，判斷方式同理。

millis1、millis2、millis3 變量用于實現(xiàn)延時。點頭時有可能因為程序運行過快導(dǎo)致點一次頭被識別成多次的情況。而加入 delay 延時又會導(dǎo)致程序卡在這里，使燈光和角度采集暫停，影響正常使用。所以加入了一個變量 millis1 記錄上一次點頭的上電運行時間。如果下一次點頭比這個時間多 1s，才會認(rèn)為是正常點頭，否則會視為是同一次點頭。millis2、millis3 變量同理。

角度判斷完畢后，還要執(zhí)行對應(yīng)的動作，如程序 5 和程序 6 所示，這部分比較簡單。其中程序 5負(fù)責(zé)控制噴霧和泡泡的開關(guān)，程序 6 負(fù)責(zé)控制燈效。

燈效

燈效程序太長暫時省略，在此僅介紹必要程序。首先在程序開頭增加程序 7，用于初始化 LED 和設(shè)置參數(shù)。

然后初始化 LED 并清屏，如程序 8 所示。注意每次清屏后都要更新 LED 顯示狀態(tài)，否則無法實現(xiàn)清屏。

程序 9 可實現(xiàn)燈光控制，a 代表控制的是幾號燈（0～23），(x,y,z) 為 RGB 值。注意每次設(shè)置顏色后都要更新 LED 顯示狀態(tài)。

我設(shè)置了多種燈光效果，其中動感霓虹如圖 18所示，流光浮華如圖 19 所示。

圖 18 動感霓虹

圖 19 流光浮華

程序調(diào)試

在編寫完程序上傳以后，會出現(xiàn)切換燈效、開關(guān)泡泡機、開關(guān)噴霧反應(yīng)很慢的問題。這是因為燈效中用到了延時，導(dǎo)致一個燈效運行完才能采集一次MPU6050 角度數(shù)據(jù)，也就是說需要一直低頭，直到當(dāng)前光效顯示完畢后才能切換光效，不符合我們輕輕點一下頭就能切換光效的初衷。

這個問題最好的解決方案是使用 FreeRTOS操作系統(tǒng)，將角度采集、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、燈效等幾個場景作為獨立的線程并行運行。FreeRTOS 的用戶程序只能運行在一個核心上，意味著低優(yōu)先級任務(wù)是在高優(yōu)先級任務(wù)的延遲時間內(nèi)完成的，會遇到任務(wù)先后執(zhí)行混亂的問題，導(dǎo)致某些光效始終無法觸發(fā)。

我采用了一個更簡單的方法。角度采集程序每20ms 運行一次，我們只要把所有的延時換成角度采集程序就可以了。比如延時 200ms 就重復(fù)執(zhí)行 10次角度采集程序，延時 1000ms 就重復(fù)執(zhí)行 50 次角度采集程序，同時把角度判斷程序中的程序 4 和程序 5 放在角度采集程序中，就完美解決了燈效顯示時無法傳感角度的問題。

成果展示

制作完成的魅魔頭盔如圖 20 所示，怎么樣，還不錯吧！

圖 20 成品圖

結(jié)語

從一段小說到一個成品，從一個想法到最后的實現(xiàn)，中間失敗了很多次，也學(xué)到了很多知識。最后感謝我的好朋友小 ai（化名）給我提供的靈感，感謝各位同行開源的工程以及各位前輩的指導(dǎo)和建議，希望大家能喜歡這個作品。