用STEP Pico开发板制作的电压表

内容介绍

硬件介绍：2023寒假一起练平台（1）基于STEP Pico 的嵌入式系统学习平台。是一个硬禾设计制造的树莓派Pico。分为两个部分，硬禾版本树莓派Pico核心模块，较树莓派Pico，修改了micro USB为type-C口，增加了一个run按键，添加了4个WS2812B的LED。扩展板上集成了12个WS2812B RGB三色灯;1个姿态传感器;1个128*64 OLED显示屏;1个蜂鸣器;1个可调电位计（用于电压表）;1路音频信号输入（用于示波器）;8位R-2R电阻网络构成的DAC（用于DDS信号发生器）。

任务选择：这次我选择的项目4 - 制作一个电压表。具体要求：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。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0-4095之间的数值，经过计算以后对应到相应的电压值，再通过OLED显示屏显示出来。
这块板块支持MicroPython、Arduino、C/C++。电子森林提供了非常详细的MicroPython的教程。这次想尝试一下使用Arduino来实现任务。开发工具选择vscode+platformio。整体流程很简单，如下图。
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任务实现：要实现任务，首先是数据来源。即获得电位器的电压值。查看电路图可知电位器接在GPIO28脚，电压范围0~3.3v。直接调用Arduino中的ADC函数analogRead()，即可获得该通道的ADC值，这里的值并不是直接返回电位器上的电压值，而是处理过的数值，其数值范围为0-1023。这里有一点点疑惑，使用Mpy读取ADC值是0-65535；那么RP2040的ADC的分辨率到底是多少位的呢？查了官方的文档：明确了rp2040的ADC位500ksps，12-bit分辨率。这样Arduino的函数实际是降低了ADC的分辨率，不知道应该如何设置能够获得到12位分辨率的值。这里姑且先使用10位分辨率的ADC值。将获得的ADC映射到0~3.3v电压上。

float readVoltage(uint16_t *adcval)
{
  // 读取ADC的值 范围 0~1024
  uint16_t val = analogRead(ADCPIN);
  *adcval = val;
  return (float)val * 3.3 / 1024.0;
}

拿到了电压值，接下来就是展示了。硬件上板子提供了一块128x64的oled显示屏。使用的是SPI接口。这里使用了Arduino的U8g2库。如果手工驱动屏幕，那需要对要显示的内容取模，然后逐一显示，还是比较麻烦的。而U8g2库则可以很轻松地支持起这个Oled显示屏，普通的字符显示变得很容易了。
这里主要需要显示的内容为当前的电压值。我选用24像素的字体，来显示电压值。额外地将ADC读取的原始值、当前电压索占百分比也同时显示出来，就是用小一点的字体（16像素）来显示。

成功显示了电位器的电压值，总觉得有显示有些单调。于是看着Oled四周有一圈WS2812B，一共12颗。WS2812B是一个单总线工作的全彩LED灯，在各种灯带中常见这个LED。能够做成很绚丽的光电效果。这里使用WS2812FX的库，来驱动WS2812B。控制着12个LED灯实现单个灯旋转闪烁的效果。颜色使用电压对应的伪彩色。即将电位器的电压0~3.3V映射到RGB的全色域。表现为从蓝色到紫色。这样就可以直观地用颜色表示当前电压了。

// 浮点数转颜色  伪彩色
float MinVol=0.0 , MaxVol=3.3, a, b, c, d;
void Getabcd() { 
  a = MinVol + (MaxVol - MinVol) * 0.2121;
  b = MinVol + (MaxVol - MinVol) * 0.3182;
  c = MinVol + (MaxVol - MinVol) * 0.4242;
  d = MinVol + (MaxVol - MinVol) * 0.8182; 
}
uint32_t GetColor(float val) {
  byte red = 0, green = 0, blue = 0;
  red = constrain(255.0 / (c - b) * val - ((b * 255.0) / (c - b)), 0, 255);
  if ((val > MinVol) & (val < a)) {
    green = constrain(255.0 / (a - MinVol) * val - (255.0 * MinVol) / (a - MinVol), 0, 255);
  } else if ((val >= a) & (val <= c)) {
    green = 255;
  } else if (val > c) {
    green = constrain(255.0 / (c - d) * val - (d * 255.0) / (c - d), 0, 255);
  } else if ((val > d) | (val < a)) {
    green = 0;
  }

  if (val <= b) {
    blue = constrain(255.0 / (a - b) * val - (255.0 * b) / (a - b), 0, 255);
  }  else if ((val > b) & (val <= d)) {
    blue = 0;
  }  else if (val > d) {
    blue = constrain(240.0 / (MaxVol - d) * val - (d * 240.0) / (MaxVol - d), 0, 240);
  }

程序主体部分就很简单了，不停地循环查询电位器的电压值，然后显示，再去控制LED灯，循环此过程。

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  u8g2.begin(); // 选择U8G2模式，或者U8X8模式
  ws2812fx.init();
  ws2812fx.setBrightness(100);
  ws2812fx.setSpeed(1000);
  ws2812fx.setColor(GREEN);
  // ws2812fx.setMode(FX_MODE_STATIC);
  ws2812fx.setMode(13);
  ws2812fx.start();
}
void loop()
{
  uint16_t adcval;
  char str[60];
  ws2812fx.service();
  float voltage = readVoltage(&adcval);
  Serial.print(adcval);
  Serial.print("    ");
  Serial.print(voltage);
  Serial.print("    ");
  Serial.println();

  u8g2.clearBuffer(); // 清除内部缓冲区
  u8g2.setFont(u8g2_font_ncenB24_tr);
  sprintf(str, "%1.1f%s", voltage, "V");
  u8g2.drawStr(35, 30, str); // write something to the internal memory
  u8g2.setFont(u8g2_font_helvR12_tr);
  sprintf(str, "%4d      %3d%s", adcval, int(adcval / 10.23), "%");
  u8g2.drawStr(20, 60, str);
  u8g2.sendBuffer(); // transfer internal memory to the display
  delay(100);
  Getabcd();
  ws2812fx.setColor(GetColor(voltage));
}

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Fi2cOzAVJySGHyE3TE34SQGXJ0Mx

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心得体会：非常感谢电子森林举办的寒假一起练活动；感谢硬禾学堂提供的课程。课程很精彩、板子很好玩！

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