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。
在這里插入圖片描述

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：

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

電路設計

電路圖概述

在這里插入圖片描述

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穩壓電源為整個電路供電。

PCB設計

在這里插入圖片描述

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：

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

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

在這里插入圖片描述

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，以下是代碼的主要功能：

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

代碼實現

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
float voltageScale = 1.0; // 電壓量程
float timeBase = 1.0; // 時間基準
bool triggerPositive = true; // 觸發極性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}if (digitalRead(BUTTON_DOWN) == LOW) {// 調整當前選中的參數}if (digitalRead(BUTTON_HOLD) == LOW) {// 凍結或恢復波形顯示}// 采集波形數據int samples[sampleRate];for (int i = 0; i < sampleRate; i++) {samples[i] = analogRead(A0);}// 分析波形數據float frequency = calculateFrequency(samples);float dutyCycle = calculateDutyCycle(samples);// 顯示波形和數據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
float calculateFrequency(int *samples) {// 實現頻率計算邏輯
}// 計算占空比的函數
float calculateDutyCycle(int *samples) {// 實現占空比計算邏輯
}// 繪制波形的函數
void drawWaveform(int *samples) {// 實現波形繪制邏輯
}