基于樹莓派的實驗數據采集與處理系統

摘要：在傳統實驗教學中，部分實驗測量數據量大，人工處理過程繁瑣，為提升實驗質效，引入自動化數據采集和快速處理理念，以RC暫態電路為例，基于樹莓派和A/D轉換器搭建實驗硬件平臺，利用Python開發實驗數據傳輸與處理軟件，實現實驗數據自動采集、快速處理，自動生成擬合曲線，輔助學生判讀實驗結果。實際應用表明，數據采集與處理系統豐富了實驗教學，培養了學生的自主學習和實踐能力，有助于提升大學物理實驗的教學質量。

關鍵詞：樹莓派A/D轉換數據自動采集數據自動處理

中圖分類號：TE933.3

ExperimentalDataAcquisitionandProcessingSystemBasedonRaspberryPi

—TakingRCTransientCircuitasanExample

SONGYanni

SchoolofMathematicalSciences，NanjingTechUniversity，Nanjing，JiangsuProvince，211816China

Abstract：Inthetraditionalexperimentteaching，someexperimentmeasurementdataarelargeandmanualprocessingistedious.Toimprovetheexperimentalqualityandefficiency，automaticdataacquisitionandrapidprocessingconceptareintroducedTakingRCtransientcircuitasanexample，experimentalhardwareplatformwasbuiltbasedonraspberrypieandA/Dconverter，andexperimentaldatatransmissionandprocessingsoftwarewasdevelopedwithPythontoachieveautomaticexperimentaldataacquisition，rapidprocessing，automaticgenerationfittingcurve，assiststudentsinterprettheexperimentalresults.Practicalapplicationshowsthattheplatformenrichestheexperimentalteaching，cultivatesthestudents'independentlearningandpracticalability，andhelpsimprovetheteachingqualityofcollegephysicsexperiments.

KeyWords：RaspberryPi;A/Dconversion;Automaticdataacquisition;Automaticdataprocessing

在物理學領域，實驗數據的準確性和可靠性對于理論推導和結論得出的影響是至關重要的。任何物理理論都需要經過實驗的驗證，而實驗數據的采集與處理則是這一驗證過程中的核心環節。同時，數據的精度越高，其后續處理效率也會相應提升，從而使得實驗結果更為可靠。因此，如何優化實驗數據的采集與處理，一直是科研人員關注的焦點。

樹莓派（RaspberryPi）作為一種微型計算機，具有強大的數據處理能力，因此在科研領域得到了廣泛的應用。而模數轉換器PCF8591則是一種高精度的數據采集設備，能夠將模擬信號轉換為數字信號，為后續的數據處理提供準確的數據源。基于此，本文將圍繞樹莓派這一數據處理工具，深入探討如何通過模數轉換器PCF8591來優化實驗數據的采集，進而改進RC暫態電路的實驗過程和結果。下面將詳細介紹實驗數據的采集和處理過程，包括數據采集的精度、處理效率以及如何確保數據的可靠性和準確性。

1硬件

樹莓派4B作為最新一代的產品，不僅繼承了前代的優點，更是在性能和功能上有了顯著的提升。優勢：（1）樹莓派4B的體積小巧精致，但卻擁有令人驚嘆的計算能力；（2）樹莓派4B的功耗非常低，這使得它成為長時間運行的穩定選擇；（3）樹莓派4B擁有40個GPIO通用輸入/輸出口，這為開發者提供了豐富的接口選擇；（4）編程語言的多樣性也是樹莓派4B的一大優勢。無論你是Python、C，樹莓派都能滿足你的需求。這種靈活性使得開發者可以根據項目需求選擇最適合的編程語言，從而提高開發效率和代碼質量。

PCF8591是一個功能強大的8位CMOS數據采集器件，它使用I2C通信協議與其他設備進行數據交互。這種通信方式具有高可靠性和長距離傳輸的優勢，因此在許多應用中得到了廣泛的應用。在一個系統中，可以同時使用多個PCF8591，每個設備都有其獨特的地址，從而避免了地址沖突的問題。

為了實現樹莓派與PCF8591之間的通信，需要將樹莓派的SCL和SDA引腳分別連接到PCF8591的SCL和SDA引腳上。這樣，樹莓派就成為了這個I2C通信系統中的主設備，可以控制PCF8591的讀寫操作，并讀取它所采集的實驗數據。連接完成后，樹莓派就可以通過特定的代碼來配置PCF8591的參數；然后PCF8591進行數據采集工作，并將結果發送回樹莓派進行處理或分析[1-2]。

2軟件

本系統在樹莓派中利用Python開發實驗數據傳輸與處理系統。Python是一種具有動態語法意義的高層編輯語言，編寫程序時不需要考慮底層細節，提高開發效率；Python可拓展性高，除自身編寫外，還可以混合使用C語言、Java語言等；Python編寫的程序可以打包為獨立的exe文件，方便在任何環境下運行。綜上所述，Python在開發實驗數據傳輸與處理系統中優勢更突出[3]。

在實驗數據傳輸與處理系統中，需要一個簡潔清晰的界面來展示實驗數據及處理結果。Python中常用的GUI（GraphicsUsersInterface）庫有：Tkinter、PyQt和wxPython。本系統的界面設計選用Tkinter，其在界面設計上的優勢：（1）簡單好用，操作簡便；（2）適用領域廣，可用于windows/linux操作系統，實現本地窗口風格；（3）界面直觀，方便使用，適用于開發各種系統[4-5]。

3RC暫態電路實驗的數據傳輸與處理系統

3.1RC暫態電路

RC電路，又稱電阻-電容電路，由一個電阻器和一個電容器組成，廣泛應用于模擬電路和脈沖數字電路中。RC電路的時間常數用表示，其大小決定了充放電時間的快慢。對充電而言，時間常數是電容電壓從0增長到所需要的時間；對于放電而言，是電容電壓從下降到所需要的時間[6]。

3.2設備連接

本系統的設備連接：一方面模數轉換器PCF8591與RC暫態電路連接，PCF8591的AIN01和GND引腳分別接至電容器的正極和負極，用來實時采集電容器兩端的電壓；另一方面PCF8591與樹莓派連接，將采集的數據傳輸至樹莓派，通過I2C總線方式實現，PCF8591的串行時鐘SCL和數據地址SDA分別連接至樹莓派的串行時鐘SCL.1和數據地址SDA.1。樹莓派給PCF8591供電，PCF8591的VCC端和GND端分別連接至樹莓派的VCC端和GND端。

3.3軟件設計

軟件設計部分基于樹莓派系統，使用python語言，主要分為數據采集和數據處理兩部分。

樹莓派操作系統初始化；建立樹莓派與PCF8591的I2C通信；創建新的excel文件，準備采集并收集實驗數據；創建便捷控制實驗數據采集啟停的界面，方便控制數據采集的啟停；按照預先設計的頻率采集實驗數據；將時間與實驗數據對應填入Excel表格，保存，等待后續處理。

初始化數據處理系統，定義擬合函數；創建直觀的數據處理操作界面，從Excel中選擇指定實驗數據進行處理，方便快捷地操縱實驗數據處理進程；實驗數據經NumPy計算后，調用Matplotlib庫中的Pyplot擬合得到對應的曲線，可以將同一條件下的擬合曲線展示于同一個坐標系中，通過對比獲得實驗結論。

4結果與討論

RC暫態電路通過改變電阻阻值R、電容容量C來改變暫態電路的時間常數，研究時間常數與暫態電路的充放電之間的關系，電容器兩端電壓值與暫態電路的充放電電壓最值之間的關系。基于樹莓派和PCF8591搭建實驗硬件平臺，利用Python開發實驗數據傳輸與處理系統，實現實驗數據自動采集、快速處理，自動生成擬合曲線，根據擬合曲線輔助學生分析RC暫態電路各個變量之間的變化關系。

固定電容容量C=470μf，電阻阻值R分別取100kΩ、50kΩ、10kΩ，采集實驗數據后，擬合RC暫態電路充放電過程中電容器兩端電壓隨時間t的曲線圖。隨著電阻的變化，擬合曲線的變化趨勢明顯。其中圖1表示各參數下的充電曲線，圖2為各參數下的放電曲線。隨著電阻阻值R的變化，時間常數發生有規律的變化，顯然時間常數與電阻阻值呈線性變化。

同樣，可以測試固定電阻阻值R=100kΩ，，改變電容容量C為940μf、470μf、235μf，采集實驗數據后，擬合RC暫態電路充放電過程中電容器兩端電壓隨時間的曲線，隨著電容容量的變化，擬合曲線的變化趨勢也很明顯。也可以測試電阻阻值和電容容量都可變的情況，采集實驗數據后，擬合RC暫態電路充放電過程中的曲線，觀察擬合曲線的變化趨勢。

5結語

樹莓派的可開發性高，不僅能夠外接多種傳輸設備，還能運行python和C編程語言。通過編寫代碼，輕松實現系統開發等功能，同時能夠提高學生的硬件設計和軟件編程能力。本文以RC暫態電路實驗為例，展示了樹莓派在大學物理實驗中的實際應用。基于樹莓派的實驗數據采集與處理系統，實現了實驗數據的自動采集和處理，對于提高實驗效率和準確度，具有十分重要的意義。

參考文獻

[1] 李明.基于樹莓派的PCF8591數據采集系統設計[J].電子技術與軟件工程，2023（10）：18-20.

[2] 張濤.I2C通信協議及其在數據采集中的應用[M].北京：電子工業出版社，2021：12-15.

[3] 陳金立，周镕，陳宣，等.一種基于樹莓派的氣象數據監測教學實驗設計[J].實驗技術與管理，2021，38（6）：189-192，198.

[4] 孔欣茹.基于樹莓派的溫度巡檢機器人設計與實現[D].太原：山西大學，2023.

[5] 徐元聰.基于樹莓派的吸煙手勢檢測研究[D].荊州：長江大學，2023.

[6] 劉雪琳，章鈺琪，董愛國.基于Python的物理實驗數據處理系統設計與實現[J].實驗技術與管理，2021，38（3）：74-78.