基于 ESP32 的便攜式高精度氣壓計(jì)

基于 ESP32 的便攜式高精度氣壓計(jì) DIY 項(xiàng)目

在物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備日益普及的今天，許多愛好者都渴望通過 DIY 項(xiàng)目來打造屬于自己的智能設(shè)備。今天，我將為大家介紹一個(gè)非常有趣的項(xiàng)目——Altisense，這是一個(gè)基于 ESP32 的便攜式高精度氣壓計(jì)，能夠測(cè)量溫度、氣壓和海拔高度，并通過 OLED 屏幕顯示數(shù)據(jù)。此外，它還配備了旋轉(zhuǎn)編碼器，用于校準(zhǔn)和切換單位（米和英尺）。這個(gè)項(xiàng)目不僅實(shí)用，而且充滿了科技感，非常適合電子愛好者和 DIY 玩家。

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

Altisense 是一個(gè)由 gokux 在 Instructables 上分享的項(xiàng)目，旨在通過簡(jiǎn)單的 DIY 步驟，打造一個(gè)功能完備的便攜式氣壓計(jì)。這個(gè)項(xiàng)目的核心組件包括 MS5611 精密氣壓傳感器和 Seeed Studio XIAO ESP32-C3 微控制器。通過這些組件，我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、氣壓和海拔高度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將數(shù)據(jù)清晰地顯示在 0.96 英寸的 OLED 屏幕上。

所需材料

在開始制作之前，我們需要準(zhǔn)備以下材料和工具：

電子元件

1. Seeed Studio XIAO ESP32-C3：這是一個(gè)功能強(qiáng)大的微型控制器，適合用于各種小型項(xiàng)目。
2. MS5611 氣壓傳感器模塊：用于測(cè)量氣壓和溫度。
3. 0.96 英寸 OLED 顯示屏（SSD1306，128x64 分辨率）：用于顯示測(cè)量數(shù)據(jù)。
4. 旋轉(zhuǎn)編碼器（帶按鈕）：用于校準(zhǔn)和切換單位。
5. 300mAh 鋰電池：為設(shè)備供電。
6. 小型滑動(dòng)開關(guān)：用于控制設(shè)備的開關(guān)。
7. 10kΩ 上拉電阻（可選）：如果旋轉(zhuǎn)編碼器出現(xiàn)抖動(dòng)，可以使用上拉電阻。

3D 打印材料

• PLA 耗材（橙色、黑色）：用于打印外殼和旋鈕。
• 3D 打印機(jī)：用于打印外殼部件。

軟件工具

• Arduino IDE：用于編寫和上傳代碼到 ESP32-C3。
• MS5611 庫：用于與 MS5611 氣壓傳感器通信。
• Adafruit SSD1306 庫：用于控制 OLED 顯示屏。

其他工具

• 焊錫和焊筆：用于焊接電線。
• 熱熔膠槍：用于固定組件。
• 螺絲刀：用于安裝旋轉(zhuǎn)編碼器。

設(shè)計(jì)與 3D 打印

設(shè)計(jì)思路

為了確保 Altisense 的便攜性和實(shí)用性，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)空間進(jìn)行優(yōu)化。所有組件需要緊密地集成在一個(gè)小巧的外殼中，同時(shí)保證布線方便和組裝簡(jiǎn)單。我使用了 Fusion 360 軟件來設(shè)計(jì)項(xiàng)目，導(dǎo)入了所有組件的 3D 模型，并嘗試了不同的配置，最終找到了最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

3D 打印過程

1. 模型設(shè)計(jì)：使用 Fusion 360 設(shè)計(jì)了外殼模型，包括主殼體、旋鈕和前面板。主殼體用于容納所有電子組件，旋鈕和前面板則用于安裝旋轉(zhuǎn)編碼器和 OLED 顯示屏。
2. 切片設(shè)置：將設(shè)計(jì)好的模型文件導(dǎo)出為 STL 格式，然后導(dǎo)入到 Ultimaker Cura 切片軟件中。在切片軟件中，可以設(shè)置打印參數(shù)，如層高、填充密度等。建議使用默認(rèn)的打印參數(shù)，以確保打印質(zhì)量。
3. 打印過程：將 PLA 耗材裝入 3D 打印機(jī)，開始打印。主殼體使用橙色 PLA 打印，旋鈕和前面板使用黑色 PLA 打印。整個(gè)打印過程大約需要 2-3 小時(shí)，具體時(shí)間取決于打印機(jī)的性能和設(shè)置的打印參數(shù)。

電路搭建與代碼上傳

電路連接

在搭建電路之前，我們需要先將代碼上傳到 ESP32-C3 開發(fā)板。以下是詳細(xì)的連接步驟：

1. 連接 OLED 顯示屏與開發(fā)板：
   • OLED 的 SCL 引腳連接到 ESP32-C3 的 D1 引腳。
   • OLED 的 SDA 引腳連接到 ESP32-C3 的 D2 引腳。
   • OLED 的 VCC 引腳連接到 ESP32-C3 的 3.3V 引腳。
   • OLED 的 GND 引腳連接到 ESP32-C3 的 GND 引腳。
     
2. 連接 MS5611 氣壓傳感器與開發(fā)板：
   • MS5611 的 SCL 引腳連接到 ESP32-C3 的 D1 引腳。
   • MS5611 的 SDA 引腳連接到 ESP32-C3 的 D2 引腳。
   • MS5611 的 VCC 引腳連接到 ESP32-C3 的 3.3V 引腳。
   • MS5611 的 GND 引腳連接到 ESP32-C3 的 GND 引腳。
3. 連接旋轉(zhuǎn)編碼器與開發(fā)板：
   • 編碼器的 A 引腳連接到 ESP32-C3 的 D0 引腳。
   • 編碼器的 B 引腳連接到 ESP32-C3 的 D1 引腳。
   • 編碼器的按鈕引腳連接到 ESP32-C3 的 D2 引腳。
   • 編碼器的 VCC 引腳連接到 ESP32-C3 的 3.3V 引腳。
   • 編碼器的 GND 引腳連接到 ESP32-C3 的 GND 引腳。
4. 連接電源：
   • 將鋰電池的正極連接到 ESP32-C3 的 VIN 引腳。
   • 將鋰電池的負(fù)極連接到 ESP32-C3 的 GND 引腳。
   • 將滑動(dòng)開關(guān)連接到鋰電池的正極，以便控制電源的開關(guān)。

代碼上傳

1. 安裝 Arduino IDE：從 Arduino 官方網(wǎng)站下載并安裝 Arduino IDE。
2. 安裝 MS5611 庫：在 Arduino IDE 中，打開“草圖”->“包含庫”->“管理庫”，搜索并安裝以下庫：
   • MS5611 庫（https://github.com/jarzebski/Arduino-MS5611）
   • Adafruit GFX Library
   • Adafruit SSD1306 Library
3. 上傳代碼：將提供的代碼復(fù)制到 Arduino IDE 中，選擇正確的開發(fā)板類型（Seeed Studio XIAO ESP32-C3）和 COM 端口，然后點(diǎn)擊“上傳”按鈕。

以下是代碼示例（部分代碼）：

#include <Wire.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
#include <MS5611.h>
#include <EEPROM.h>

#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels
#define OLED_RESET -1 // Reset pin # (or -1 if sharing Arduino reset pin)
#define SCREEN_ADDRESS 0x3C // See datasheet for Address

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
MS5611 ms5611;

// Rotary Encoder Inputs
#define ENCODER_PIN_A D0 // D0
#define ENCODER_PIN_B D1 // D1
#define ENCODER_BUTTON_PIN D2 // D2

// EEPROM Addresses
#define EEPROM_REFERENCE_PRESSURE 0
#define EEPROM_UNITS 8

// Menu States
enum MenuState {
  MAIN_PAGE,
  SETTINGS_MENU,
  CALIBRATION_PAGE,
  UNITS_PAGE
};

MenuState currentMenuState = MAIN_PAGE;

// Calibration Variables
double currentReferencePressure;
float currentSetAltitude = 0;

// Units Variable (0 for meters, 1 for feet)
uint8_t currentUnits = 0;

// Encoder Variables
volatile long encoderCount = 0;
int lastStateCLK;
String currentDir = "";
unsigned long lastButtonPress = 0;
unsigned long buttonDebounceTime = 1000; // Debounce delay for button in ms
byte buttonPressCount = 0;

// Function Prototypes
void displayMainPage();
void displaySettingsMenu(int selectedOption);
void displayCalibrationPage();
void displayUnitsPage(int selectedOption);
void readEncoder();
void readButton();
void saveCalibration();
void loadCalibration();
void saveUnits();
void loadUnits();
float calculateAltitude(double pressure);
float convertToFeet(float meters);
void setupEncoder();
void setupButton();

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  while (!ms5611.begin()) {
    Serial.println("Could not find a valid MS5611 sensor, check wiring!");
    delay(500);
  }

  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, SCREEN_ADDRESS)) {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for (;;);
  }

  display.clearDisplay();
  display.display();
  delay(500);

  setupEncoder();
  setupButton();

  loadCalibration();
  loadUnits();

  currentReferencePressure = ms5611.readPressure();
  Serial.print("Initial Reference Pressure: ");
  Serial.println(currentReferencePressure);

  Serial.print("Initial Units: ");
  Serial.println(currentUnits == 0 ? "Meters" : "Feet");

  displayMainPage();
}

void loop() {
  readButton();
  readEncoder();

  switch (currentMenuState) {
    case MAIN_PAGE:
      displayMainPage();
      break;
    case SETTINGS_MENU:
      // Handle settings menu logic
      break;
    case CALIBRATION_PAGE:
      // Handle calibration page logic
      break;
    case UNITS_PAGE:
      // Handle units page logic
      break;
  }

  delay(1);
}

void displayMainPage() {
  double realTemperature = ms5611.readTemperature();
  long realPressure = ms5611.readPressure();
  float altitudeMeters = calculateAltitude(realPressure);
  float altitudeDisplay = (currentUnits == 1) ? convertToFeet(altitudeMeters) : altitudeMeters;

  String unitString = (currentUnits == 1) ? "ft" : "m";

  display.clearDisplay();
  display.setTextColor(SSD1306_WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(3, 50);
  display.print("Tmp");
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(24, 46);
  display.print(realTemperature, 1);
  display.print("c");

  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(3, 28);
  display.print("Pre");
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(24, 24);
  display.print((int)(realPressure / 100));
  display.print("hPa");

  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(3, 7);
  display.print("Alt");
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(24, 3);
  display.print(altitudeDisplay, 0);
  display.print(unitString);

  display.display();
}

float calculateAltitude(double pressure) {
  return 44330.0 * (1.0 - pow(pressure / currentReferencePressure, 0.1903));
}

float convertToFeet(float meters) {
  return meters * 3.28084;
}

最終組裝

組件安裝

1. 安裝旋轉(zhuǎn)編碼器：將旋轉(zhuǎn)編碼器放入 3D 打印的槽位中，并使用兩個(gè)螺母將其固定在 3D 打印的外殼上。
2. 安裝 ESP32-C3：在主殼體的底部涂上一些熱熔膠，然后將 ESP32-C3 放在上面，確保其牢固地粘附在殼體上。
3. 安裝氣壓傳感器模塊：在 3D 打印的槽位中涂上一些熱熔膠，然后將 MS5611 氣壓傳感器模塊插入槽位中。
4. 安裝 OLED 顯示屏：將 OLED 顯示屏安裝到前面板的槽位中，并使用熱熔膠固定。
5. 安裝電池和開關(guān)：將鋰電池和滑動(dòng)開關(guān)安裝到主殼體的指定位置，并使用熱熔膠固定。
6. 連接電線：將鋰電池的正負(fù)極分別連接到 ESP32-C3 的 VIN 和 GND 引腳。將滑動(dòng)開關(guān)連接到鋰電池的正極，以便控制電源的開關(guān)。
   
   
   

組裝外殼

1. 安裝前面板：將前面板安裝到主殼體的前面，并使用熱熔膠固定。
2. 安裝旋鈕：將 3D 打印的旋鈕安裝到旋轉(zhuǎn)編碼器上。
   
   
   

測(cè)試與使用

測(cè)試步驟

1. 連接電源：使用滑動(dòng)開關(guān)打開設(shè)備，確保設(shè)備正常啟動(dòng)。
2. 檢查顯示：主屏幕上應(yīng)顯示溫度、氣壓和海拔高度。按下旋轉(zhuǎn)編碼器按鈕 2 秒，進(jìn)入設(shè)置菜單。
3. 校準(zhǔn)：選擇“Calibration”選項(xiàng)，使用旋轉(zhuǎn)編碼器調(diào)整海拔高度，并按下按鈕保存校準(zhǔn)值。
4. 切換單位：選擇“Units”選項(xiàng)，使用旋轉(zhuǎn)編碼器在米和英尺之間切換海拔高度的單位。

使用建議

• 便攜性：由于設(shè)備使用鋰電池供電，你可以將其帶到任何地方使用。
• 個(gè)性化：你可以通過修改代碼來添加更多功能，如數(shù)據(jù)記錄、藍(lán)牙傳輸?shù)取?/li>
• 外殼美化：你可以使用噴漆或貼紙來美化 3D 打印的外殼，使其更加符合你的個(gè)人風(fēng)格。
  

項(xiàng)目擴(kuò)展

這個(gè)項(xiàng)目不僅是一個(gè)實(shí)用的 DIY 項(xiàng)目，還可以根據(jù)你的需求進(jìn)行擴(kuò)展和定制。以下是一些擴(kuò)展建議：

1. 添加藍(lán)牙功能：通過添加藍(lán)牙模塊，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸到手機(jī)或其他設(shè)備。
2. 數(shù)據(jù)記錄：添加一個(gè) SD 卡模塊，用于記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，方便后續(xù)分析。
3. 添加更多傳感器：例如，添加濕度傳感器或紫外線傳感器，擴(kuò)展設(shè)備的功能。
4. 美化外殼：使用噴漆或貼紙來美化 3D 打印的外殼，使其更加符合你的個(gè)人風(fēng)格。

總結(jié)

Altisense 是一個(gè)非常有趣且實(shí)用的 DIY 項(xiàng)目，它不僅能夠讓你親手制作一個(gè)便攜式氣壓計(jì)，還能讓你學(xué)習(xí)到 3D 打印、電子電路搭建和 Arduino 編程的基礎(chǔ)知識(shí)。通過這個(gè)項(xiàng)目，你可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、氣壓和海拔高度的實(shí)時(shí)測(cè)量，并通過 OLED 屏幕清晰地顯示數(shù)據(jù)。更重要的是，你可以根據(jù)自己的需求對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行擴(kuò)展和定制，讓它成為你獨(dú)一無二的智能設(shè)備。

希望這篇文章能夠激發(fā)你的創(chuàng)造力，讓你動(dòng)手制作屬于自己的 Altisense 氣壓計(jì)。如果你在制作過程中遇到任何問題，歡迎在評(píng)論區(qū)留言，我會(huì)盡力為你解答。如果你已經(jīng)完成了這個(gè)項(xiàng)目，也歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的作品，讓我們一起交流和學(xué)習(xí)！

希望你喜歡這個(gè)項(xiàng)目，并在構(gòu)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(píng)論區(qū)交流。

作者：Svan.

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