PiCalc 计算器

大家好！今天是 2022 年的 Pi Day。那我们就来介绍一款 Pi 计算器吧！

这是一款用 Pico 制作的计算器，我把它简称为 PiCalc。这款微小计算器虽然体格不大，但是该有的功能一个也没有少。它支持十进制数和带括号优先级算式计算。需要时从口袋里掏出来就好啦！

特性
1、默认情况下，执行的优先级类似于 BODMAS 规则。
2、右侧键包含双重用途，左下角带有一个 shift 键，用来切换右侧按键的功能。例如：要使用左括号【(】，首先单击左下角的【S】键，然后单击最后一列顶部的第二个键。最后一列的左侧键可以直接使用，无需任何 shift 键切换，但如需使用右边的键，需要先按 shift 键切换。
3、【C】表示清除单个数字，【CE】表示清除所有历史记录。如果编写的方程式无法处理，屏幕上将显示“ERROR”，单击清除键，可以重新计算。

材料清单

树莓派 Pico x 1
SSD1306 OLED 显示器 x 1
30mmx30mmx4mm 锂电池 x 1
TP4056 锂电池充电电路 x 1
6x3.5mm SMD 瞬时开关 x 20
滑动开关 x 1

键盘矩阵原理

在制作计算器之前，我们需要了解计算器的输入机制。它是基于键盘的输入时的多路复用。如图所示，按键的网格被设置为终端并按行和按列连接。

所有键的右侧端子连接到所在的行，所有左侧的端子连接到所在的列，共有八个连接处，分别为：R1、R2、R3、R4和C1、C2、C3、C4。

当使用者按下键时，我们需要找出键对应的列和行。因此，微控制器会逐行读取数据，然后逐行打开或关闭每列的电源。

例如，当输入将所有输入线拉高时，微控制器读取输入线数据。现在我们假设行是输入，我们将从 R1 开始读取，输出的读取逻辑为从 C1、C2、C3 到 C4。如果 R1 处比其他的电量要低，它将会被认为按下该按键。

电路和PCB设计

这台微型计算器的主要电路是由 20 个按键组成，以 4X5 键盘矩阵的方式排列、然后连接到 SSD1306 OLED 显示屏和底部的 Pico。

PCB 板是一个单层的设计，键盘的列线将通过焊桥线直接从外部连接，顶层的键盘矩阵与底部的 Pico 的相接，其中 PCB 的键盘排列在 Pico 的左侧。

如果你需要双层 PCB 板，可点击以下链接 https://drive.google.com/file/d/1Mwu2Uq_MpFbF08HvItbTJjrXX-PQ7kn6/view?usp=sharing ，就可以省掉下面几个步骤。

打造 PCB 板

我们采用色调剂图像转印法制作 PCB 板，PCB 采用尺寸为 30mm x 78mm 的镀铜板。

1、使用高粒度砂纸对其进行清洁，去除氧化层。
2、将 PCB 板设计图打印在一张白纸上并将图案与铜板对齐。使用热压机或熨斗加热 5 分钟，将纸上的墨粉转移到铜板上。
3、将 PCB 和纸浸泡在温水中，这样有助于取下纸张。

4、如果在过程中出现损坏，可使用永久性记号笔重新补绘电路。

蚀刻 PCB 板

1、现在将 PCB 板放入专用溶液 5 分钟，然后蚀刻掉不需要的铜。

2、使用一些丙酮从蚀刻的 PCB 板上去除多余的墨粉，PCB 板就会非常的光滑。
3、给 OLED 显示器钻一些直径为 0.8mm 的孔，方便将键盘矩阵连接到 Pico 上。

焊接组件

1、使用焊桥接线连接键盘矩阵的列。

2、你只需要焊接三行，最后一行已经与铜板相连。

3、焊接按钮。

将 PCB 板连接到 Pico

1、如图所示，使用双面胶将 Pico 粘贴在 PCB 板的背面，然后将 Pico 的电线焊接到右侧的孔中。

2、连接 OLED 显示器，将其焊接到电线的孔上，并将这些孔给遮住。

连接电池和充电电路

1、连接电池和 LiPo 保护。

2、连接充电电路 TP4056 和开关。
3、注意需要对线头继续绝缘处理，再将它们装到外壳中。

安装 Thonny IDE

我使用 Micropython SDK 对 Pico 进行编程，通过 Raspberry Pi Linux 计算机中的 Thonny IDE 完成。

1、请点 https://thonny.org/ 可获得 IDE。
2、下载并安装 IDE 后，将 Pico 连接到计算机，同时按住 Pico 上的启动选择按钮，在编程模式下启动它。
3、屏幕上会弹出一个文件夹，点击链接 https://www.raspberrypi.com/documentation/microcontrollers/#getting-started-with-micropython 获得 micropython 固件，并将其安装到这个文件夹中。
4、你也可以通过 Thonny IDE 执行，从 Run->Select Interpreter，找到 RasberryPi Pico 的 micropython，在窗口底部，你将看到一个蓝色文本按钮“安装或更新固件”。

烧录 Pico

在对 Pico 进行编程之前，需要安装 OLED 显示库。

1、选择工具菜单至管理包，搜索 SSD1306 并安装第一个，直接保存到 Pico 中。

2、使用项目文件夹中的代码来刷新 PiCalc 固件。

PiCalc 固件文件可在本项目文件库中下载：
https://make.quwj.com/project/419

现在计算器的功能就完成了，剩下的就是 3D 打印外壳。

3D 打印外壳

我使用 Eagle CAD 的 Fusion 360 同步功能，将 PCB 的 3D 文件传输到 Fusion 360，然后建模。

外壳主要需要打印三个部分：键盘矩阵，顶盖和底盖。

3D 打印采用 PLA，20% 填充完成，无需支撑。

3D 打印文件可在本项目文件库中下载：
https://make.quwj.com/project/419

装饰键盘


我将键盘上的符号用纸打印出来再逐个裁剪后粘贴到键盘上，要注意符号的尺寸。

键盘符号文件可在本项目文件库中下载：
https://make.quwj.com/project/419

组装

如图所示，这款计算机带有开关和 TP4056（充电/保护电路）的凹口、 USB 插槽和滑动开关。

使用双面胶带粘贴电池，不推荐使用热熔胶粘贴电池。将键盘插入网格并将 PCB 安装至顶部，最后将外壳的卡扣扣上。


所有的组件组合在一起，这台微型计算器就完成了。