基于Arduino Nano的DIY示波器

基于Arduino Nano的DIY示波器：打造屬于你的口袋實驗室

前言

在電子愛好者的世界里，示波器是不可或缺的工具之一。它能夠幫助我們觀察和分析各種電子信號的波形，從而更好地理解和調試電路。然而，市面上的示波器價格往往較高，對于一些初學者或預算有限的愛好者來說，可能是一個不小的負擔。幸運的是，隨著開源硬件和軟件的發(fā)展，我們可以通過一些簡單的組件和代碼，自己動手制作一個功能強大的示波器。今天，我們將詳細介紹如何使用Arduino Nano和SH1106 OLED顯示屏，打造一個屬于自己的DIY示波器。

項目簡介

這個項目的目標是制作一個基于Arduino Nano的便攜式示波器，它具備以下特點：

• 緊湊的設計：基于Arduino Nano的緊湊設計，便于攜帶和使用。
• OLED顯示屏：使用SH1106 128x64 I2C OLED顯示屏，實時顯示波形。
• 功能豐富：支持垂直和水平縮放、頻率和占空比計算、設置保存、觸發(fā)極性檢測以及波形凍結功能。
• 成本低廉：使用常見的電子元件，總成本遠低于市售示波器。
• 開源代碼：基于開源代碼，易于修改和擴展。

硬件需求

制作這個DIY示波器，你需要準備以下硬件組件：

1. Arduino Nano：作為核心控制器。
2. SH1106 128x64 I2C OLED顯示屏：用于顯示波形和其他信息。
3. 輕觸按鈕：4個，分別用于選擇、向上、向下和保持功能。
4. 電壓分壓電阻：用于調整輸入信號的電壓范圍。
5. 肖特基二極管：用于防止過電壓。
6. 電容：104型號，用于濾波。
7. 面包板或自制PCB：用于組裝電路。
8. 跳線：用于連接各個組件。
9. 電源：5V穩(wěn)壓電源。

電路設計

電路圖概述

整個電路的設計相對簡單，主要分為以下幾個部分：

• 信號輸入：通過電壓分壓電路和可選的衰減器，將信號輸入到Arduino Nano的模擬輸入引腳A0。
• OLED顯示屏連接：使用I2C接口，連接到Arduino Nano的A4（SDA）和A5（SCL）引腳。
• 按鈕連接：使用肖特基二極管將按鈕信號合并，并連接到數(shù)字引腳D2，用于中斷操作。
• 保護電路：肖特基二極管用于防止過電壓，電阻用于正確縮放輸入電壓。

詳細電路圖

以下是電路的詳細連接方式：

• 信號輸入：
  • 輸入信號通過一個電壓分壓電路連接到A0引腳。
  • 為了保護Arduino Nano，使用一個肖特基二極管防止輸入電壓過高。
• OLED顯示屏：
  • SDA引腳連接到A4。
  • SCL引腳連接到A5。
  • VCC和GND分別連接到電源和地。
• 按鈕：
  • 4個按鈕分別連接到D2引腳，每個按鈕之間通過肖特基二極管隔離。
  • 按鈕的另一端連接到地。
• 電源：
  • 使用5V穩(wěn)壓電源為整個電路供電。

PCB設計

為了使項目更加緊湊和美觀，可以設計一個定制的PCB。PCB設計包括以下部分：

1. Arduino Nano插座：方便插入和更換Arduino Nano。
2. OLED顯示屏：預留空間和接口。
3. 按鈕：4個按鈕的安裝位置。
4. 電壓分壓和衰減電路：集成在PCB上。
5. 電源接口和去耦元件：確保電源穩(wěn)定。

PCB布局

PCB的布局應盡量簡潔，減少布線長度，提高信號質量。以下是PCB布局的建議：

• 將Arduino Nano插座和OLED顯示屏放置在PCB的中心位置。
• 按鈕分布在顯示屏的周圍，方便操作。
• 電源接口和去耦元件放置在靠近電源輸入的位置。

軟件設計

核心代碼功能

示波器的核心功能由一個復雜的Arduino程序實現(xiàn)，以下是代碼的主要功能：

1. 波形采集：每屏刷新時采集200個樣本。
2. 頻率分析：計算波形的頻率和占空比。
3. EEPROM存儲：保存最后的設置，如電壓量程、時間基準和觸發(fā)極性。
4. 用戶界面：按鈕用于循環(huán)選擇設置，OLED顯示屏實時顯示數(shù)據(jù)。
5. 觸發(fā)檢測：支持正負邊沿觸發(fā)模式。
6. 電池電壓模式：在啟動時按下按鈕，顯示電池電壓。

代碼實現(xiàn)

以下是代碼的關鍵部分：

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SH1106.h>

#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED顯示屏幕寬度，以像素為單位
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED顯示屏幕高度，以像素為單位

// 定義OLED顯示屏的復位引腳
#define OLED_RESET     -1
Adafruit_SH1106 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

// 定義按鈕引腳
#define BUTTON_SELECT 2
#define BUTTON_UP 3
#define BUTTON_DOWN 4
#define BUTTON_HOLD 5

// 其他變量定義
int sampleRate = 200; // 每屏采集樣本數(shù)
float voltageScale = 1.0; // 電壓量程
float timeBase = 1.0; // 時間基準
bool triggerPositive = true; // 觸發(fā)極性

void setup() {
  // 初始化OLED顯示屏
  display.begin(SH1106_SWITCHCAPVCC, 0x3C);
  display.display();
  delay(2000); // 等待顯示屏初始化
  display.clearDisplay();

  // 初始化按鈕引腳
  pinMode(BUTTON_SELECT, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_UP, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_DOWN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_HOLD, INPUT_PULLUP);

  // 從EEPROM讀取最后的設置
  voltageScale = EEPROM.read(0);
  timeBase = EEPROM.read(1);
  triggerPositive = EEPROM.read(2);
}

void loop() {
  // 檢測按鈕操作
  if (digitalRead(BUTTON_SELECT) == LOW) {
    // 切換設置選項
  }
  if (digitalRead(BUTTON_UP) == LOW) {
    // 調整當前選中的參數(shù)
  }
  if (digitalRead(BUTTON_DOWN) == LOW) {
    // 調整當前選中的參數(shù)
  }
  if (digitalRead(BUTTON_HOLD) == LOW) {
    // 凍結或恢復波形顯示
  }

  // 采集波形數(shù)據(jù)
  int samples[sampleRate];
  for (int i = 0; i < sampleRate; i++) {
    samples[i] = analogRead(A0);
  }

  // 分析波形數(shù)據(jù)
  float frequency = calculateFrequency(samples);
  float dutyCycle = calculateDutyCycle(samples);

  // 顯示波形和數(shù)據(jù)
  display.clearDisplay();
  drawWaveform(samples);
  display.setTextSize(1);
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setCursor(0, 10);
  display.println("Frequency: " + String(frequency) + " Hz");
  display.println("Duty Cycle: " + String(dutyCycle) + " %");
  display.display();
}

// 計算頻率的函數(shù)
float calculateFrequency(int *samples) {
  // 實現(xiàn)頻率計算邏輯
}

// 計算占空比的函數(shù)
float calculateDutyCycle(int *samples) {
  // 實現(xiàn)占空比計算邏輯
}

// 繪制波形的函數(shù)
void drawWaveform(int *samples) {
  // 實現(xiàn)波形繪制邏輯
}

代碼上傳

1. 使用USB線將Arduino Nano連接到計算機。
2. 在Arduino IDE中安裝所需的庫：
   • Adafruit GFX
   • Adafruit SH1106
3. 打開代碼文件，選擇正確的開發(fā)板和COM端口。
4. 點擊“上傳”按鈕，將代碼上傳到Arduino Nano。

操作指南

按鈕功能說明

• SELECT：循環(huán)切換控制選項（垂直量程 → 時間基準 → 觸發(fā)）。
• UP/DOWN：調整當前選中的參數(shù)。
• HOLD：凍結或恢復波形顯示。
• 自動保存：在最后一次按鈕按下后的5秒內，設置將自動保存到EEPROM。

啟動模式

在啟動時，按下UP或DOWN按鈕可以進入電壓表模式，選擇5V或50V量程。

應用場景

這個DIY示波器具有多種應用場景，包括：

1. 信號可視化：觀察各種電子信號的波形。
2. 頻率測量：測量信號的頻率。
3. 調試小型電子電路：幫助快速定位電路問題。
4. 教育工具：用于學習波形分析和電子基礎。

總結

通過這個項目，我們不僅能夠制作一個功能強大的示波器，還能在這個過程中學習到硬件設計、固件開發(fā)和信號分析等多方面的知識。雖然這個DIY示波器在功能上可能無法與高端示波器相比，但它完全能夠滿足日常的電子實驗和學習需求。更重要的是，這個項目激發(fā)了我們的創(chuàng)造力和動手能力，讓我們在實踐中不斷學習和進步。

未來改進方向

雖然這個項目已經具備了基本的示波器功能，但仍有很大的改進空間。例如：

• 增加更多量程選項：目前只支持兩種量程，可以增加更多量程以適應更廣泛的信號范圍。
• 提高采樣率：通過優(yōu)化代碼和硬件，提高波形的采樣率，從而獲得更清晰的波形。
• 增加更多顯示功能：如添加峰值檢測、平均值計算等。
• 開發(fā)更高級的觸發(fā)模式：如窗口觸發(fā)、延遲觸發(fā)等。

總之，這個基于Arduino Nano的DIY示波器項目是一個很好的起點，它不僅能夠滿足你的實際需求，還能激發(fā)你的創(chuàng)造力和探索精神。希望這篇文章能激發(fā)你的興趣，讓你也動手制作一個屬于自己的示波器！

希望你喜歡這個項目，并在構建過程中找到樂趣！如果你有任何問題或需要幫助，歡迎在評論區(qū)交流。

作者：Svan.

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