#第九届立创电赛#高精度电压测量实验装置 - 立创电子设计大赛

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PY学习笔记

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第九届立创电子设计开源大赛

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GPL 3.0

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<div> 注：* 为必填项 请在报名阶段填写 ↓ <h3 style="line-height:1.8">* 1、项目功能介绍</h3> <hr> 作为一名检测工程师，为了进行精确的电压测试，我设计了一套高精度的电压实验装置。 本项目基于ESP32C3开发板、ADS1115IDGSR、LCD屏幕等元件，成本不到50元（详见BOM表）。ADS1115是一款具有16位分辨率的高精度模数转换器（ADC），测量的电压理论上能精确到0.00009375V。 本电压实验装置能提供四单端或两个差分输入，可用于物理实验、嵌入式开发、电压监测等领域。同时，结合其他测量模块，如DS18B20，还可以开展如温度测量等实验。 <h3 style="line-height:1.8">*2、项目属性</h3> <hr> 本项目首次公开，为原创项目。 <h3 style="line-height:1.8">* 3、开源协议</h3> <hr> 使用GPL3.0开源协议。100%开源，便于中小学生学习和二次开发。 请在竞赛阶段填写 ↓ <h3 style="line-height:1.8">*4、硬件部分</h3> <hr> 1）PCB板 电压实验装置各个模块均使用2.54排针连接，不使用任何贴片元件，方便焊接，以及元件的重复利用。因此，PCB板设计相对比较简单。 原理图： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/RGVCg1CSdTUlKzasRPk6puBWmk8PKlYdrwo4zkMy.png" alt="" width="900" height="637"> PCB图： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/hjZDtABWaHH56fV2bKgkjTxUjAYxPYe46oqcMh6h.png" alt="" width="500" height="428"> 焊接图： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/7p24zgJV0l2unjXNqfslI9SpQaOYIUCXJS1oe7BK.jpeg" alt="" width="600" height="506"> 2）主控芯片 采用ESP32-C3开发板，支持UART、GPIO、SPI、I2C、ADC、PWM等接口。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Z1nZV89IFFfGIRUGL1sO9c9on2GtIBG9cZUU1KkU.png" alt="" width="600" height="97"> 3）LCD屏幕 0.96寸LCD屏幕，基于SPI协议，用于显示测量结果。 4）ADS1115模块 ADS1115模块是基于ADS1115的4通道高分辨率的模拟到数字转换器。它的分辨率为16位，能提供四单端或两个差分输入。使用I2C协议，根据应用不同，可选择不同的I2C地址。 这是我另一个开源工程设计的ADS1115模块。这个ADS1115模块与某宝上出售的ADS1115模块一样，不同之处是调整了引脚的位置，尺寸更小，只有18mm*18mm。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/nBUpMMl0ztEIitp4BGQbqQ7TJmBmrvIqaPcmA9mv.jpeg" alt="" width="200" height="204"> 工程地址：<a href="https://oshwhub.com/cnas2023/ads1115-module" target="_blank">https://oshwhub.com/cnas2023/ads1115-module</a> 5）测试线 为了应对不同的测试需求，我们设计了3种测试线：杜邦线、磁吸线、鳄鱼夹线。 杜邦线： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ADWSz3HtM5i1arSnhEaCYaepeIHXv4RJfnuhYEC9.jpeg" alt="" width="300" height="171"> 磁吸线： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/XHzbcjkYHyG06pK2I5q4kYOdBEDULkl5OHk2irbA.jpeg" alt="" width="300" height="177"> 鳄鱼夹线： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/5eIWOzKUug66FQVGTAzFXSsX53glRvC199whHLmW.jpeg" alt="" width="300" height="192"> 6）成果图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/iH7ksxTYlPEDRShEif4zhM6FqX9T0GHY3OdAVKEw.jpeg" alt="" width="600" height="460"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/hDmSpU4Hs24IDJvH1EPUDWqwTt0THk3mMrl3lrYT.jpeg" alt="" width="700" height="566"> <h3 style="line-height:1.8">*5、软件部分</h3> <hr> 1）实验装置程序（基于Micropython） ESP32C3驱动ADS1115，将模拟信号转换为数字信号，并将电压值显示在LCD屏幕上。 测试代码如下： <pre>import time from machine import I2C, SPI, Pin import st7735_spi from lib.easydisplay import EasyDisplay from lib.ads1x15 import ADS1115 # 初始化SPI spi = SPI(1, baudrate=20000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(2), mosi=Pin(3), miso=Pin(10)) # 初始化ST7735显示屏，设置参数如宽度、高度、SPI接口、cs、dc等 dp = st7735_spi.ST7735(width=80, height=160, spi=spi, cs=7, dc=6, res=10, rotate=1, bl=8, invert=False, rgb=True) # 使用EasyDisplay简化显示操作，设置显示参数如颜色格式、字体文件、是否立即显示等 ed = EasyDisplay(dp, "RGB565", font="/font/text_lite_16px_2312.v3.bmf", show=True, color=0xFFFF, clear=False , auto_wrap=True, size=20) # 初始化ADS1115模块 i2c=I2C(0, sda=Pin(4), scl=Pin(5)) adc = ADS1115(i2c, address=72, gain=0) while True: value = adc.read(rate=0, channel1=0, channel2=None ) vol = adc.raw_to_v(value) # 在LCD屏上显示电压 print('电压为：%.3fV' %vol, value) ed.text('电压：%.3fV' %vol, 0, 0) time.sleep(1) </pre> 相关驱动详见附件。测试效果： 测试ESP32C3的3.3V引脚（3.0V-3.6V）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/TRfzIemLCGWhzMKdRxSMErUMB5mBwwgK3TFInxHS.jpeg" alt="" width="600" height="442"> 测试ESP32C3的5V引脚： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/FTxSAcXa1JYAgloAq9QWL7I2OBdyZEWv7T7U523T.jpeg" alt="" width="600" height="400"> 测试3.7V锂电池的电压（3.7V-4.2V）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Hsw0PEFiSikwa5bO5HWvqQ7IqXGgiA0Gj8q432iC.jpeg" alt="" width="600" height="439"> 2）准确性验证 我们将电压实验装置与万用表进行比对，以验证电压实验装置的准确性： 测试7号电池的电压（1.0V-1.7V）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/LSYsczuwhDDMfLrCc3R19nTbwXmvjaduqzgM8Z5t.jpeg" alt="" width="800" height="601"> 测试5号电池的电压（1.0V-1.7V）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/SfxReg2fgnxC1JZ2mdWdm8KxUZ3jzFu5moSV3DBX.jpeg" alt="" width="800" height="601"> 测试3.7V锂电池的电压（3.7V-4.2V）： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/m1PMPpMSjeoSgcetNvISeUPJZfvti2sloYZg5Oka.jpeg" alt="" width="800" height="601"> 比对数据如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/B9kNaxr66Q3yTyUxjB9yKYJPqEMfqA5BI26PMeNa.png" alt="" width="449" height="151"> 经过比对，电压实验装置的测量结果平均比万用表高0.018V，电压实验装置的稳定性和准确性还是能符合实际需求。 3）Phyphox手机物理工坊APP Phyphox 是一款基于手机的物理实验平台应用程序，它可以将手机的传感器，如加速度计、陀螺仪、磁力计等，转化为进行科学实验所需的数据采集器。 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/AJjHOzBu3aPstN1qzkIAUYduAIgu58RcHbxTThaJ.jpeg" alt="" width="400" height="747"> Phyphox 支持蓝牙数据传输，可以连接ESP32等芯片，将传感器上的数据传输到phyphox。 Phyphox官方提供了基于ESP32和micropython的BEL库，下载地址：<a href="https://gitee.com/py2012/phyphox.git" target="_blank">https://gitee.com/py2012/phyphox.git</a> 本实验装置的测量结果除了通过PC终端显示、LCD屏幕显示，还可以通过Phyphox显示在手机上，并形成可视化的图形，便于进行数据分析。 使用Phphox编辑器(<a href="https://phyphox.org/editor/" target="_blank">https://phyphox.org/editor/</a>)进行图形化的phyphox项目设计，界面如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/u1KVds7TmGVw72HXzX8jfA3jsVqPmFQzFzFeYjt5.jpeg" alt="" width="400" height="354"> 请使用phyphox APP扫描以下二维码，加载电压测量项目： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/CmMus0ev3GYY7HZjiuCthhr3G3O9zGEi4XVRFzSU.png" alt="" width="165" height="165"> 我们将电压测量实验装置的主代码进行修改如下： <pre>from phyphoxBLE import PhyphoxBLE import time from machine import I2C, SPI, Pin import st7735_spi from lib.easydisplay import EasyDisplay from lib.ads1x15 import ADS1115 # 初始化SPI spi = SPI(1, baudrate=20000000, polarity=0, phase=0, sck=Pin(2), mosi=Pin(3), miso=Pin(10)) # 初始化ST7735显示屏，设置参数如宽度、高度、SPI接口、cs、dc等 dp = st7735_spi.ST7735(width=80, height=160, spi=spi, cs=7, dc=6, res=10, rotate=1, bl=8, invert=False, rgb=True) # 使用EasyDisplay简化显示操作，设置显示参数如颜色格式、字体文件、是否立即显示等 ed = EasyDisplay(dp, "RGB565", font="/font/text_lite_16px_2312.v3.bmf", show=True, color=0xFFFF, clear=False , auto_wrap=True, size=20) # 初始化ADS1115模块 i2c=I2C(0, sda=Pin(4), scl=Pin(5)) adc = ADS1115(i2c, address=72, gain=0) def main(): p = PhyphoxBLE() p.start("EPS32C3") #启动蓝牙 while True: value = adc.read(rate=0, channel1=0, channel2=None ) vol = adc.raw_to_v(value) # 在LCD屏上显示电压 print('电压为：%.3fV' %vol, value) ed.text('电压：%.3fV' %vol, 0, 0) p.write(vol) #将电压数据发送到phyphox time.sleep(1) if __name__ == "__main__": main()</pre> 相关驱动详见附件。测试结果如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ahDYelHfiZK0XjP1Z3huADqHeKceptuQ5ZJt7DCQ.jpeg" alt="" width="400" height="322"> <h3 style="line-height:1.8">*6、BOM清单</h3> <hr> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/9CY6PnlsQBIYafHlOlwf8yVXEaRBEEvG7jv8PEOM.png" alt="" width="800" height="176"><img src="//image.lceda.cn/pullimage/wuoEoi5cw6WjkaWFX6dkUjCQ0AmI1OLbinFLPi9y.png" alt="" width="500" height="160"> <h3 style="line-height:1.8">*7、大赛LOGO验证</h3> <hr> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/7p24zgJV0l2unjXNqfslI9SpQaOYIUCXJS1oe7BK.jpeg" alt="" width="600" height="506"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/iH7ksxTYlPEDRShEif4zhM6FqX9T0GHY3OdAVKEw.jpeg" alt="" width="600" height="460"> <h3 style="line-height:1.8">* 8、演示您的项目并录制成视频上传</h3> <hr> 1）电容充放电实验 电容充放电实验是物理学中一个基本的实验。刚好我们有一套电子积木，直接拼一个测试电路出来： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/zPiZeyhv72xwSROAKC80U791q9cbeR7HIlKyZH3M.jpeg" alt="" width="800" height="414"> 将电压实验装置的正负极分别接在电容的正负极上，将软件部分的代码中<code>value = adc.read(rate=0, channel1=0, channel2=None )</code>，改为<code>value = adc.read(rate=0, channel1=0, channel2=1 )</code>，测量通道0和1之间的电压。 通电测试，先对电容进行充电： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/Dl40x5tivhbU2CAY6FjJXKEaqxz4IEsgQb4scN5J.jpeg" alt="" width="800" height="476"> 当电压稳定时，电容充满，切换开关，进行放电实验。phyphox生成的电压曲线图如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/4ODPct4cusnOt2RpMNBfES4RT31GHViwZeGKXcM3.jpeg" alt="" width="400" height="747"> 实验情况详见视频。 <h5>2）超级电容充放电实验</h5> 电子积木中的电容最大为<code>220uF</code>，充放电较快。我们使用一个<code>1F</code>的法拉电容（又称为超级电容）进行测试： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/8426VzwpBGUrZFs8abhbwrvMmHoyg3UdDpEvvyPK.png" alt="" width="200" height="335"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/NXysxUKD7XPyzlG1MoCskm6Qykk7t73EZrSWDWe5.jpeg" alt="" width="800" height="430"> 由于电容值太大，我们将电阻改为100欧后，充放电仍非常慢。1F的法拉电容充放电实在是慢，我们没有完整充满电再放电。phyphox生成的电压曲线图如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/xIG9W3UIZeae3SbCUALm5hnNJdO6slkn102ZMDOw.jpeg" alt="" width="400" height="747"> <a href="/posts/de460543d4cf4dacb5f0326612455578" target="_blank">前往查看更多详情＞</a> </div>