基于Arduino Nano的DIY示波器

基于Arduino Nano的DIY示波器：打造属于你的口袋实验室

前言

在电子爱好者的世界里，示波器是不可或缺的工具之一。它能够帮助我们观察和分析各种电子信号的波形，从而更好地理解和调试电路。然而，市面上的示波器价格往往较高，对于一些初学者或预算有限的爱好者来说，可能是一个不小的负担。幸运的是，随着开源硬件和软件的发展，我们可以通过一些简单的组件和代码，自己动手制作一个功能强大的示波器。今天，我们将详细介绍如何使用Arduino Nano和SH1106 OLED显示屏，打造一个属于自己的DIY示波器。

项目简介

这个项目的目标是制作一个基于Arduino Nano的便携式示波器，它具备以下特点：

• 紧凑的设计：基于Arduino Nano的紧凑设计，便于携带和使用。
• OLED显示屏：使用SH1106 128x64 I2C OLED显示屏，实时显示波形。
• 功能丰富：支持垂直和水平缩放、频率和占空比计算、设置保存、触发极性检测以及波形冻结功能。
• 成本低廉：使用常见的电子元件，总成本远低于市售示波器。
• 开源代码：基于开源代码，易于修改和扩展。

硬件需求

制作这个DIY示波器，你需要准备以下硬件组件：

1. Arduino Nano：作为核心控制器。
2. SH1106 128x64 I2C OLED显示屏：用于显示波形和其他信息。
3. 轻触按钮：4个，分别用于选择、向上、向下和保持功能。
4. 电压分压电阻：用于调整输入信号的电压范围。
5. 肖特基二极管：用于防止过电压。
6. 电容：104型号，用于滤波。
7. 面包板或自制PCB：用于组装电路。
8. 跳线：用于连接各个组件。
9. 电源：5V稳压电源。

电路设计

电路图概述

整个电路的设计相对简单，主要分为以下几个部分：

• 信号输入：通过电压分压电路和可选的衰减器，将信号输入到Arduino Nano的模拟输入引脚A0。
• OLED显示屏连接：使用I2C接口，连接到Arduino Nano的A4（SDA）和A5（SCL）引脚。
• 按钮连接：使用肖特基二极管将按钮信号合并，并连接到数字引脚D2，用于中断操作。
• 保护电路：肖特基二极管用于防止过电压，电阻用于正确缩放输入电压。

详细电路图

以下是电路的详细连接方式：

• 信号输入：
  • 输入信号通过一个电压分压电路连接到A0引脚。
  • 为了保护Arduino Nano，使用一个肖特基二极管防止输入电压过高。
• OLED显示屏：
  • SDA引脚连接到A4。
  • SCL引脚连接到A5。
  • VCC和GND分别连接到电源和地。
• 按钮：
  • 4个按钮分别连接到D2引脚，每个按钮之间通过肖特基二极管隔离。
  • 按钮的另一端连接到地。
• 电源：
  • 使用5V稳压电源为整个电路供电。

PCB设计

为了使项目更加紧凑和美观，可以设计一个定制的PCB。PCB设计包括以下部分：

1. Arduino Nano插座：方便插入和更换Arduino Nano。
2. OLED显示屏：预留空间和接口。
3. 按钮：4个按钮的安装位置。
4. 电压分压和衰减电路：集成在PCB上。
5. 电源接口和去耦元件：确保电源稳定。

PCB布局

PCB的布局应尽量简洁，减少布线长度，提高信号质量。以下是PCB布局的建议：

• 将Arduino Nano插座和OLED显示屏放置在PCB的中心位置。
• 按钮分布在显示屏的周围，方便操作。
• 电源接口和去耦元件放置在靠近电源输入的位置。

软件设计

核心代码功能

示波器的核心功能由一个复杂的Arduino程序实现，以下是代码的主要功能：

1. 波形采集：每屏刷新时采集200个样本。
2. 频率分析：计算波形的频率和占空比。
3. EEPROM存储：保存最后的设置，如电压量程、时间基准和触发极性。
4. 用户界面：按钮用于循环选择设置，OLED显示屏实时显示数据。
5. 触发检测：支持正负边沿触发模式。
6. 电池电压模式：在启动时按下按钮，显示电池电压。

代码实现

以下是代码的关键部分：

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

#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED显示屏幕宽度，以像素为单位
#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED显示屏幕高度，以像素为单位

// 定义OLED显示屏的复位引脚
#define OLED_RESET     -1
Adafruit_SH1106 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

// 定义按钮引脚
#define BUTTON_SELECT 2
#define BUTTON_UP 3
#define BUTTON_DOWN 4
#define BUTTON_HOLD 5

// 其他变量定义
int sampleRate = 200; // 每屏采集样本数
float voltageScale = 1.0; // 电压量程
float timeBase = 1.0; // 时间基准
bool triggerPositive = true; // 触发极性

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

  // 初始化按钮引脚
  pinMode(BUTTON_SELECT, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_UP, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_DOWN, INPUT_PULLUP);
  pinMode(BUTTON_HOLD, INPUT_PULLUP);

  // 从EEPROM读取最后的设置
  voltageScale = EEPROM.read(0);
  timeBase = EEPROM.read(1);
  triggerPositive = EEPROM.read(2);
}

void loop() {
  // 检测按钮操作
  if (digitalRead(BUTTON_SELECT) == LOW) {
    // 切换设置选项
  }
  if (digitalRead(BUTTON_UP) == LOW) {
    // 调整当前选中的参数
  }
  if (digitalRead(BUTTON_DOWN) == LOW) {
    // 调整当前选中的参数
  }
  if (digitalRead(BUTTON_HOLD) == LOW) {
    // 冻结或恢复波形显示
  }

  // 采集波形数据
  int samples[sampleRate];
  for (int i = 0; i < sampleRate; i++) {
    samples[i] = analogRead(A0);
  }

  // 分析波形数据
  float frequency = calculateFrequency(samples);
  float dutyCycle = calculateDutyCycle(samples);

  // 显示波形和数据
  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();
}

// 计算频率的函数
float calculateFrequency(int *samples) {
  // 实现频率计算逻辑
}

// 计算占空比的函数
float calculateDutyCycle(int *samples) {
  // 实现占空比计算逻辑
}

// 绘制波形的函数
void drawWaveform(int *samples) {
  // 实现波形绘制逻辑
}

代码上传

1. 使用USB线将Arduino Nano连接到计算机。
2. 在Arduino IDE中安装所需的库：
   • Adafruit GFX
   • Adafruit SH1106
3. 打开代码文件，选择正确的开发板和COM端口。
4. 点击“上传”按钮，将代码上传到Arduino Nano。

操作指南

按钮功能说明

• SELECT：循环切换控制选项（垂直量程 → 时间基准 → 触发）。
• UP/DOWN：调整当前选中的参数。
• HOLD：冻结或恢复波形显示。
• 自动保存：在最后一次按钮按下后的5秒内，设置将自动保存到EEPROM。

启动模式

在启动时，按下UP或DOWN按钮可以进入电压表模式，选择5V或50V量程。

应用场景

这个DIY示波器具有多种应用场景，包括：

1. 信号可视化：观察各种电子信号的波形。
2. 频率测量：测量信号的频率。
3. 调试小型电子电路：帮助快速定位电路问题。
4. 教育工具：用于学习波形分析和电子基础。

总结

通过这个项目，我们不仅能够制作一个功能强大的示波器，还能在这个过程中学习到硬件设计、固件开发和信号分析等多方面的知识。虽然这个DIY示波器在功能上可能无法与高端示波器相比，但它完全能够满足日常的电子实验和学习需求。更重要的是，这个项目激发了我们的创造力和动手能力，让我们在实践中不断学习和进步。

未来改进方向

虽然这个项目已经具备了基本的示波器功能，但仍有很大的改进空间。例如：

• 增加更多量程选项：目前只支持两种量程，可以增加更多量程以适应更广泛的信号范围。
• 提高采样率：通过优化代码和硬件，提高波形的采样率，从而获得更清晰的波形。
• 增加更多显示功能：如添加峰值检测、平均值计算等。
• 开发更高级的触发模式：如窗口触发、延迟触发等。

总之，这个基于Arduino Nano的DIY示波器项目是一个很好的起点，它不仅能够满足你的实际需求，还能激发你的创造力和探索精神。希望这篇文章能激发你的兴趣，让你也动手制作一个属于自己的示波器！

希望你喜欢这个项目，并在构建过程中找到乐趣！如果你有任何问题或需要帮助，欢迎在评论区交流。

作者：Svan.

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