使用樹莓派的數(shù)據(jù)采集盒

描述

該項目是一個使用樹莓派的數(shù)據(jù)采集盒，依賴于帶 SPI 接口的 MCP3008 8 通道 10 位 ADC。它的目的是幫助數(shù)據(jù)收集和繪制數(shù)據(jù)（使用免費工具 gnuplot）、一系列按鈕（用于標記事件，例如開始、停止和重要事件），以及一個 16 字符 x2 LCD 顯示屏，以便 Pi不必連接到要使用的顯示器和鍵盤。

項目中的所有內(nèi)容：圖紙、原理圖、BOM、示例數(shù)據(jù)和繪圖，以及該項目的代碼都在 github 存儲庫中，我建議您檢查它是否有任何更新或問題：

https://github.com/kmkingsbury/raspberrypi-data-ac...

那么，誰準備好搞點科學了？

第 1 步：計劃和材料

SketchUp 用于規(guī)劃/設計盒子。圖紙在SketchUp Drawing中的 git 中，屏幕截圖在圖像中。

布線示意圖是在 Fritzing 中完成的，可以在布線示意圖中找到，?圖像中也有屏幕截圖。

物料清單（也在Github BOM中）：

硬件

項目計數(shù)價格網(wǎng)址/來源紅橡木愛好板（常見：1/4 英寸 x 6 英寸 x 2 英尺；實際：0.25 英寸 x 5.5 英寸 x 2 英尺）1 6.47 美元

主板支架 8 7.90 美元（50 個）

圓頭標準 (SAE) 機用螺絲 #4 和 #6 尺寸 ~16 12 顆 1.24 美元

電子產(chǎn)品

商品數(shù)量 價格 Url/Source Raspberry Pi 2 或 3 1 37.99 美元或 45.97 美元

要么

MCP3008 1 3.75 美元

按鈕（綠色、黑色、紅色、藍色）4 6.98 美元（一種顏色 10 個）

5 向?qū)Ш桨粹o 1 $2.95

電位器?1 1.25 美元

LCD 16x2 字符顯示器 1 15.95 美元

3 針極化連接器（公頭和母頭）4 0.50 美元

可選：16 針圓孔 DIP IC 芯片插座適配器 1 5.16 美元（10 個）

可選：PCB板 16 Pin 1 7.11 (for 20)

（我在 Radioshack 花了 2 美元買了我的）

什物

• 連接線
• 油漆和底漆（或木材染色劑）
• 木膠
• 小釘子
• 電線收縮包裝
• 電工膠帶
• 用于 GPIO 引腳的舊 IDE 電纜 ( http://amzn.com/B002BBNEOU )
• 主板支架（也在上面列出）
• 螺絲 #4 & #6（也在上面列出）

第 2 步：構(gòu)建盒子

這一步需要的材料：紅橡木、小釘子、木膠

此步驟所需的工具：鋸、鉆、錘、銼刀、打磨機/砂紙、帶銑刀的 Dremel

測量和切割：

• 底部 - 5 1/2" x 6"
• 側(cè)面 (2) - 5 1/2" x 2 1/2"（角度約為 26.6°，對于面部，標記為 2" 深和 1" 向下）
• 背面 - 5 1/2" x 2 1/2"
• 頂部 - 5 1/2" x 3 1/4"
• 正面 - 5 1/2" x 1 1/2"
• 在底部的所有側(cè)面和側(cè)面、正面和背面的底部邊緣切割 1/2" 盒形接頭。我建議使用帶銑刀的 dremel，紅橡木在 1/4" 處非常薄，以至于普通銑機可能是太強大了，我有我的問題并且有更好的運氣和 dremel 的控制。

Raspberry Pi 端口插槽：

• 左側(cè) - 在 2 1/4" x 1" 的左側(cè)為樹莓派以太網(wǎng)和 USB 端口切一個正方形。如果您有路由器和銼刀，您可以鉆孔并切出正方形，或者您可以采取簡單的方法，從邊緣直接切割到您需要的深度。
• 背面 - 切割一個 2 1/2" x 1/2" 的正方形或為電源、HDMI 和音頻端口鉆單獨的孔，只需確?？鬃銐虼笠匀菁{端口和連接器的寬度，例如我的電源線，而 microusb 非常粗，因此孔需要比 microusb 端口大。

注意事項：

• 紅橡木的寬度為 5 1/2 英寸，因此所有部件的一個尺寸都已經(jīng)處理好，而且它只有 1/4 英寸厚，因此很容易用帶鋸或手鋸切割。
• 您會在圖片中注意到，我的設計最初在傾斜的面上有一個唇緣以與前部對齊，這是一個設計錯誤，導致前部的有機玻璃沒有正確固定，因此在圖紙中將其移除。
• 在釘入釘子或螺釘之前一定要先鉆導孔，否則木頭很可能會裂開。
• 我還用了一點木膠來幫助把它們粘在一起。釘住并粘住側(cè)面和底部，但不要連接頂部（我們將在下一步中以不同的方式安裝它，以便輕松連接和重新連接）。
• 在創(chuàng)建我的零碎科學球童時，我最初將側(cè)面和頂部全部連接在一起，底部可拆卸，結(jié)果證明這是一個糟糕的主意，因為如果你需要調(diào)整電線或在里面做任何工作，如果不移除就很難拿到它整個東西。所以在圖紙/計劃中，您會看到頂部和有機玻璃是可拆卸的，底部使用簡單的盒接頭連接到側(cè)面。

第 3 步：支架和前板

此步驟所需的材料：有機玻璃、主板支架或支架、螺絲、木膠。

此步驟所需的工具：鋸、鉆床/鉆床、帶尖端的 Dremel

測量和切割：

• 有機玻璃正面 - 2 15/64" x 6"

對于前面板和頂部，我們希望能夠輕松地將它們?nèi)∠虏⒅匦卵b上（因為我們在科學冒險過程中更換組件、升級或擴展我們的盒子）。為了輕松做到這一點，我重新設計了舊電腦上的一些主板支架。

根據(jù)您使用的主板支架或支座的尺寸，在頂部和傾斜的前邊緣鉆孔。我不得不使用兩種不同的孔尺寸，首先是支架底部螺釘?shù)妮^窄孔，然后是頂部支架部分的稍大孔，一點木膠將其固定到位。使用鉆床可以很容易地獲得正確的深度

在有機玻璃上鉆孔，用于連接 3 針連接器、電位計和 5 向?qū)Ш桨粹o的模擬組件（我有 4 個，但芯片最多支持 8 個）。您想要為 LCD 測量并切出一個矩形。

第 4 步：接線

此步驟所需的材料：IDE 電纜、電線、組件（LCD、按鈕、MCP3008 等）

此步驟所需的工具：烙鐵、收縮包裝、助焊劑、膠槍。

為了將 LCD、MCP3008 A/D 芯片和所有不同的按鈕連接到 Raspberry Pi，我重復使用了一條舊的 IDE 電纜，如果你把它拉開恰到好處，就可以完美地連接到 GPIO 引腳。這是我第三次或第四次這樣做并取得了成功；但也有一些陷阱和問題需要避免。

連接到 Notch，僅此而已

圖中是從接頭/連接器上取下的單個 IDE 引腳之一的特寫，紅色箭頭表示關鍵缺口。這個小凸起是將引腳“鎖定”到連接器中的原因，所以你不想讓焊料超過這一點，否則引腳不會卡入/鎖定到接頭中，最終可能會導致連接不良或引腳喜歡從連接器上掉下來。

使用助焊劑和收縮包裝

這與前面的陳述一致，為了有效焊接并獲得良好的接頭，您需要使用助焊劑，否則引腳的“焊接”可能非常脆弱。此外，助焊劑有助于防止焊料通過該關鍵凸點。最后，使用收縮管保護接頭，避免與相鄰的銷接觸。應用管道時，還要確保它不會向下延伸太遠，并妨礙銷釘正確固定在接頭/連接器中。

除非加固，否則避免彎曲

銷釘不是超級耐用，因此您要避免彎曲和彎曲銷釘或接頭，否則可能會發(fā)生斷裂，您將無法獲得良好（或任何）連接。一種方法是在引腳上放置一些膠水（來自熱膠槍）以將它們固定到連接器中，涂抹足夠的膠水以覆蓋整個引腳，這幾乎不可能對連接器進行更改，但它'將使它足夠堅固，以便在連接的電線而不是引腳和焊點上發(fā)生任何彎曲。

我使用了 Radioshack 的 PCB 板和用于 MCP3008 芯片的 16 針 IC 安裝，這使得布線更加容易。

第 5 步：傳感器

此步驟所需的材料：模擬傳感器、電線、3 針連接器此步驟所需的工具：烙鐵、收縮包裝、助焊劑、鉆頭。

我們在這里將科學知識拋在墻上，看看有什么能堅持下去，這樣您就可以使用任何您喜歡的模擬傳感器，理想情況下它們是 3 針并使用 5V。

這些照片顯示了我使用的一些常見傳感器：

• 溫度傳感器 TMP36 https://www.sparkfun.com/products/10988 ）
• 土壤濕度傳感器 ( https://www.sparkfun.com/products/13322 )
• 濕度傳感器（HIH4030 https://www.sparkfun.com/products/9569 ）

這些類型的模擬傳感器需要三根電線：紅色用于 5V，黑色用于接地，以及用于數(shù)據(jù)線的其他東西，例如綠色。我喜歡使電線保持整齊和扭曲，因此使用我在大學學到的技巧，我用鱷魚夾做了一個小夾具，用手持鉆頭固定和扭曲電線（見照片）。

將一端連接到傳感器，另一端連接到 3 針連接器，以便輕松連接/斷開連接。

還要確保連接您的傳感器以提供足夠的松弛度，以便從盒子到您的科學發(fā)生的地方！

第 6 步：軟件、繪圖和數(shù)學，天??！

該盒子由 Python 代碼驅(qū)動，可作為 git repo https://github.com/kmkingsbury/raspberrypi-data-ac...

collectdata.py python 是主要的主力，有多種選擇。

config.ini 定義了各種組件使用的 GPIO 引腳，如果您按照 Fritzing 示意圖中的接線進行操作，那么 config.ini 中設置的值是正確的。

wifi.py 是我在 PI 啟動時啟動的一個簡單腳本，它只打印出 wifi IP 地址，這樣我就可以通過 SSH 連接到 Pi，圖像中就是一個例子。

對于每次運行，默認情況下會創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)文件和一個元數(shù)據(jù)文件，這將轉(zhuǎn)到 /media/usb0 并將寫入連接到 Pi 的 USB 記憶棒（前提是您設置了 usbmount）。數(shù)據(jù)文件包含日期時間和傳感器讀數(shù)。元數(shù)據(jù)文件包含使用的參數(shù)（多少通道、采樣頻率等）以及有關數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息（最大值、最小值、平均值、收集的樣本數(shù)）。最后，元數(shù)據(jù)文件還記錄了來自頂部按鈕的事件。頂部按鈕以及 5 向?qū)Ш桨粹o執(zhí)行特定功能，但您可以修改它們以獲得您想要的任何其他功能：

頂部的 4 用于標記數(shù)據(jù)運行期間的關鍵事件，我用它們來標記不同事件的開始、標記狀態(tài)轉(zhuǎn)換（流體現(xiàn)在正在沸騰），甚至是像碰撞傳感器這樣的錯誤，讓它從它正在測量的表面上脫落，等等。

前面的 5 向?qū)Ш桨粹o用于操作 LCD 上顯示的數(shù)據(jù)。默認情況下，顯示屏顯示來自每個傳感器的值，然后我使用：

• 向上推動以切換顯示以顯示傳感器的最大值
• 向下顯示傳感器的最小值
• 顯示傳感器平均值的權利
• 左側(cè)顯示當前值與平均值的偏差。
• 中心推返回到常規(guī)默認顯示。

圖像顯示了這方面的一些例子。

繪圖是使用 GNUPlot 工具制作的。

github 存儲庫包含一個 sample-data-sets 文件夾，其中包含兩個示例集以供參考并幫助您開始使用自己的示例集。

• 當水被加熱至沸騰然后冷卻時，1000 毫升燒瓶的溫度讀數(shù)。
• 未連接時 4 個傳感器的讀數(shù)。發(fā)生這種情況時，引腳處于“浮動”狀態(tài)，輸出不可預測。它處于未定義狀態(tài)，即既不是 0 也不是 1。在電子學中，這被稱為第三狀態(tài)、開路或浮線。

兩個樣本的圖都在圖像中。

第 7 步：最后的想法

我對我的 Scrappy Science Caddy 結(jié)果非常滿意，到目前為止它已經(jīng)有了一些實際用途，但就像任何項目一樣，完成后我就在想辦法改進它，比如

• 添加一個電池組，使其不與電源線相連。
• 數(shù)字傳感器
• 將特定傳感器從 5V 輸入更改為 3.3V 輸入的開關。

我喜歡在處理項目時發(fā)布有關項目的信息，或者學習新技術并發(fā)布更多構(gòu)建過程的照片，如果您喜歡這類內(nèi)容，請查看我的 Facebook 頁面https://www.facebook.com/spacemanlabs/

謝謝閱讀！