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#第九届立创电赛#高精度电压测量实验装置

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简介：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。

第九届立创电子设计开源大赛

开源协议

：

GPL 3.0

创建时间：2024-10-04 15:36:06更新时间：2024-11-01 19:46:39

描述

注：* 为必填项

请在报名阶段填写 ↓

* 1、项目功能介绍

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。

*2、项目属性

本项目首次公开，为原创项目。

* 3、开源协议

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 ↓

*4、硬件部分

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：

PCB图：

焊接图：

2）主控芯片

采用ESP32-C3开发板，支持UART、GPIO、SPI、I2C、ADC、PWM等接口。

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。

工程地址：https://oshwhub.com/cnas2023/ads1115-module

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：

磁吸线：

鳄鱼夹线：

6）成果图

*5、软件部分

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：

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)

相关驱动详见附件。测试效果：

测试ESP32C3的3.3V引脚（3.0V-3.6V）：

测试ESP32C3的5V引脚：

测试3.7V锂电池的电压（3.7V-4.2V）：

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）：

测试5号电池的电压（1.0V-1.7V）：

测试3.7V锂电池的电压（3.7V-4.2V）：

比对数据如下：

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。

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：https://gitee.com/py2012/phyphox.git

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(https://phyphox.org/editor/)进行图形化的phyphox项目设计，界面如下：

请使用phyphox APP扫描以下二维码，加载电压测量项目：

我们将电压测量实验装置的主代码进行修改如下：

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()

相关驱动详见附件。测试结果如下：

*6、BOM清单

*7、大赛LOGO验证

* 8、演示您的项目并录制成视频上传

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：

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value = adc.read(rate=0, channel1=0, channel2=None )，改为value = adc.read(rate=0, channel1=0, channel2=1 )，测量通道0和1之间的电压。

通电测试，先对电容进行充电：