基于STEP Pico实现电压表的制作

内容介绍

一、项目介绍

项目要求：利用板上的电位计调节电压从0-3.3V之间变化，在OLED显示屏上显示电压值，可以以数字的方式，也可以以图形的方式来显示

拓展和优化：①以不少于两种输出方式显示电压值变化②OLED自带数值显示不美观且蹩脚，加入一种新的字体显示

实现方式：调节电位计产生0-3.3V之间变化的电压，树莓派Pico内部的ADC对该电压进行采集，得到0-65535之间的数值，经过计算后对应到相应的电压值，再通过OLED显示屏显示出来

二、硬件介绍

2.1 核心板：STEP Pico 是一款低成本，高性能的微控制器开发板，具有灵活数字接口，完全兼容Rasberry Pi Pico。硬件上，采用Rasberry Pi官方自主研发的RP2040微控制器芯片，搭载了ARM Cortex M0+双核处理器，高达133MHz的运行频率，内置264KB SRAM和2MB闪存，还板载有26个多功能GPIO引脚，支持SPI、I2C、PWM,。软件上，可选择树莓派提供的C/C++SDK，或者使用MicroPython进行开发，简单易上手。

2.2 扩展板：该项目用到的硬件有，一个可调电位计，一个OLED显示屏和12个WS2812b的led彩灯。电位计作为可调电压信号源，充当系统的输入，OLED和WS2812b作为显示器件充当该系统的输出。

三、设计思路

3.1 设计思路

项目的设计思路其实非常简单，首先用办卡自带的ADC模块进行一个数据采集和模数转换的操作，转换后的电压是靠16位二进制数表示的，之后将这16位二进制数通过一点的数学关系转换成对应的十进制数，将十进制数输出出来即可，可以是灯泡亮灭的形式，也可以是数值显示的形式，要将数值变换成波形，只需要调用一些oled module下的函数即可完成。波形以打点的方式显示，不直观且没有连贯性，考虑oled.line的向量显示方式。

3.2 项目流程图

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四、实现的功能

通过调节电位计实现电压变化，并将变压的变化输出出来。输出的方式有两种，第一种通过ws2812b的led灯的亮暗程度表示，电压越高，灯泡越亮，3.3V时灯泡达到最亮，0V时灯泡全灭；第二种通过OLED屏显示电压的数值，精度为小数点后一位，不用OLED自带字体，加入一种新的字体，并把数值转换成波形，实时显示在OLED屏幕上，电压越高，波形电平越高，电压越低，波形电平越低。以下是项目功能实现过程中的两张图片，分别显示初始0.0V和调节电位计过程中的一个中间值1.6V。

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4.1 代码实现：

4.1.1 module的调用

from board import pin_cfg
from time import sleep
import ws2812b
from machine import ADC, Pin
from oled import oled
import font6
import freesans20 #调用字体
from writer import Writer
import math

ADC 模块的调用，是将电压信号转换至数字信号的关键，然后writer是输出新字体的函数，math是python自带的函数，主要用在之后的数值转换中

4.1.2 初始化

wri = Writer(oled, freesans20)

#定义一个led输出值函数
def light_value(l):
    return "#{0:02x}{1:02x}{2:02x}".format(l, l, l)

这里主要是初始化一个led输出函数，方便之后直接用转换好的数值进行LED的亮暗控制。

4.1.3 数据采集和模数转换

#调用ADC获取电压值
pot = ADC(Pin(pin_cfg.pot))

调用ADC，函数返回值pot即为实时采集到的电位计的电压数值。

4.1.4 数制转换

while True:
    v_256 = math.floor(pot.read_u16() * 255 / 65535)
    v_64 = int(pot.read_u16() * 63.0 / 65535.0,)
    #求反逻辑，电压值保留一位小数
    v_3 = round(abs((pot.read_u16() * 3.3 / 65535.0)-3.3),1)

Led灯从0-255表示灯的亮暗程度，v_256作为函数“light_value”的输入控制led。OLED显示屏的范围是128*64，v_64规定波形显示范围。V_3表示显示的电压值，Round表示四舍五入取整，加绝对值是要实现反逻辑，为了和波形即灯的亮灭保持一致。

4.1.5 控制输出

   #反逻辑控制灯泡亮暗
    ws2812b.on_all(light_value((255 - v_256)))
   
    for i in range(127):
        hist[i] = hist[i + 1]
    hist[127] = v_64
    
    oled.fill(0)
    #显示波形
    for i in range(128):
        #oled.pixel(i, hist[i], 1)
        if i >= 1:
           oled.line(i - 1, hist[i - 1], i, hist[i], 1)
    #新字体显示电压数值
    wri.set_textpos(oled, 0, 0)
    wri.printstring(str(v_3)+"V")
    oled.show()
    sleep(0.1)

五、难题及解决办法

第一个问题是电压数值和波形显示不符，即电压显示3.3V，电平为低，且led灯全灭，所以要在数制转换的时候加入反逻辑，即对led输出函数来说，0代表全亮而255代表全灭，相应的0代表高电平，3.3V。而255代表低电平0.0V。

然后第二个问题，代码调试的时候电压显示为负值，加入abs函数使其为正。

第三个问题刚开始波形是以散点的方式显示，不能直观看出波形的变化趋势，加入oled.line函数，将散点转化为向量显示，使波形的显示更加平滑。

第四个问题OLED显示新数据会覆盖旧的而旧的数据不会消除，加入oled.fill(0)之后问题得到解决。

六、未来计划

该项目已经实现简易的电压表，但只能显示电位计变化范围内的电压，后续可以将核心板和面包板以及一些外接电路连接，实现更为复杂的电压测量，或者对该项目代码进行优化，可优化的地方有：

在进行数值计算时，会产生取整函数输出不稳定的情况，因为它不是完全的整型运算，取了对应的近似值，必然会数值的不稳定，导致led在0.0V的时候会出现闪烁。

板上的OLED屏幕分辨率较低，在拍照取证时闪烁不停，无法显示全部信号信息，可以使用分辨率更高的屏幕。

主控芯片rp2040的资源有限，可以更换采样率更高的芯片，从而实现更高的性能。