一、项目介绍

本项目设计了一款基于“带屏的十二指神探”的元器件特性测试仪，能够测量电阻、电容、电感、LED和三极管的参数。通过搭建测量电路，结合ADC和SPI接口，实时读取元器件数据并在LCD屏幕上显示测量值及元器件图标。系统将测量值与元器件的标称值进行对比，验证其准确性。该测试仪操作简单，适用于电工电子技术教学、电子实验等场景，能够快速检测元器件性能，提升工作效率。

二、使用硬件

1. 带屏的十二指神探（主控模块，集成显示屏）。
2. 面包板（用于搭建测量电路）。元器件：电阻、电容、电感、LED、三极管（作为被测对象）。
3. 基本电路元件：如已知电阻、参考电压源等（用于测量电路设计）。

三、项目框图

四、软件流程

1.电阻测量

（1）原理
用于计算未知电阻的值。它基于一个已知电阻（R_KNOWN）和参考电压（V_REF），

通过测量电压分压电路中的电压值（voltage），利用欧姆定律和分压公式计算出未知电阻的值。

（2）实现

#resistance
def calres(voltage, known_resistance, reference_voltage):

    if voltage == 0:

        return float('inf') #too big

    return known_resistance * (reference_voltage - voltage) / voltage

def Resistance_Check():

    vol=read_adc_voltage(adc)

    resval = calres(vol, R_KNOWN, V_REF)

    display.text(font1, "Value="+str(resval) , 10, 120)

2.电容测量

（1）原理

这段代码通过RC电路的充电过程来测量电容值。以下是简要原理和步骤：

1. RC充电公式：电容电压 V(t)=Vref(1−e−tRC)。
2. 当电容电压达到 0.632×Vref 时，所用时间 t=RC，即时间常数 τ。通过测量这个时间，可以计算电容值 C=t/R。

（2）实现

#Capcitance
CHARGE_PIN = Pin(16, Pin.OUT)  # 充电控制引脚
R_KNOWN_small = 1000;
def calcap(vol,time_diff):
    if vol == 0:
        return float('inf')
    return time_diff/(R_KNOWN_small*vol)

# 电容测量
def Cap_Check():
    # 放电电容
    CHARGE_PIN.off()  # 设置引脚为低电平
    time.sleep_ms(100)  # 等待电容放电完成

    # 开始充电
    CHARGE_PIN.on()  # 设置引脚为高电平
    start_time = time.ticks_us()  # 使用微秒计时

    # 等待电容电压达到阈值
    threshold_voltage = V_REF * 0.632  # 63.2% of V_REF (RC时间常数)
    while True:
        vol = read_adc_voltage(adc)
        if vol >= threshold_voltage:
            break

    # 计算时间差
    time_diff = time.ticks_diff(time.ticks_us(), start_time) / 1e6  # 转换为秒

    # 根据时间差选择合适的电阻值
    if time_diff < 0.01:  # 如果时间差小于10ms，使用大电阻（20kΩ）
        r_known = R_KNOWN_LARGE
    else:  # 否则使用小电阻（1kΩ）
        r_known = R_KNOWN_SMALL

    # 计算电容值
    rescap = calcap(threshold_voltage, time_diff, r_known)

    # 显示结果
    display.fill(st7789.BLACK)
    display.text(font1, "Capacitance Test", 10, 10, st7789.WHITE)
    display.text(font1, f"Value: {rescap * 1e6:.2f} uF", 10, 30, st7789.WHITE)
    display.text(font1, f"R_used: {r_known} Ohm", 10, 50, st7789.WHITE)

3.电感测量

（1）原理

通过RL电路充电时间常数 τ=LR，测量电感 L。

步骤：

1. 充电并记录时间。
2. 监测电流直到达到阈值。
3. 计算 L=t×R。
4. 显示结果。

（2）实现

# 电感
# 硬件配置
charge_pin = Pin(27, Pin.OUT)  # 使用 GP27 控制充电
R = 1000  # 已知电阻值，单位：欧姆

# 变量初始化
voltage_threshold = 30000  # ADC 阈值（3.3V 对应 65535）
tau = 0  # 时间常数
inductance = 0  # 电感值
# 充电函数

def charge_circuit():
    charge_pin.value(1)  # 开始充电
    start_time = time.ticks_us()  # 记录开始时间
    timeout = time.ticks_add(start_time, 1000000)  # 设置超时时间为 1 秒
    while adc.read_u16() < voltage_threshold:
        if time.ticks_diff(time.ticks_us(), timeout) >= 0:  # 检查是否超时
            charge_pin.value(0)  # 停止充电
            print("Timeout! Check circuit or threshold.")
            display.text(font1, "Timeout! Check circuit" , 10, 150)
            return 0  # 返回 0 表示超时
    end_time = time.ticks_us()  # 记录结束时间
    charge_pin.value(0)  # 停止充电
    return time.ticks_diff(end_time, start_time)  # 返回充电时间
    
    # 计算电感值
    def calculate_inductance(charge_time):
        global tau, inductance
        tau = charge_time * 1e-6  # 将时间转换为秒
        inductance = tau * R  # 计算电感值
        return inductance
                    
    def Check_inductance():
        time = charge_circuit()
        value = calculate_inductance(time)
        display.text(font1, "Value="+str(value) , 10, 120)

4.LED测量

（1）原理

1. LED_polarity 函数：
2. • 根据电阻值判断 LED 的极性是否正确。
   • 如果电阻值大于 20，返回 0（表示极性错误）；否则返回 1（表示极性正确）。
2. calLED 函数：
3. • 计算 LED 的电压和电流。
   • 使用欧姆定律计算电流，并直接返回测量到的电压作为 LED 的电压。
3. LED_Check 函数：
4. • 读取 ADC 电压值。
   • 调用 calres 函数计算电阻值，并通过 LED_polarity 判断 LED 的极性。
   • 调用 calLED 函数计算 LED 的电压和电流。
   • 在屏幕上显示 LED 的电压、电流和极性。

（2）实现

# led

def LED_polarity(res):
    if res > 20:
        return 0
    else:
        return 1
    

def calLED(voltage, known_resistance):
    current = (V_REF - voltage) / known_resistance
    led_voltage = voltage
    return led_voltage, current

def LED_Check():
    vol=read_adc_voltage(adc)
    polarity = LED_polarity(calres(vol, R_KNOWN, V_REF))
    LEDvol, current = calLED(vol, R_KNOWN)
    display.text(font1, "Voltage="+str(LEDvol) , 10, 120)
    display.text(font1, "current="+str(current) , 10, 140)
    display.text(font1, "Polarity="+str(polarity) , 10, 160)

5.三极管测量

（1）原理

测量三极管（晶体管）的工作状态，通过控制基极（Base）的电压，读取集电极（Collector）的状态来判断三极管是否导通。

1. GPIO 设置：
2. • base_pin 设置为输出模式，用于控制三极管的基极。
   • collecter_pin 设置为输入模式，用于读取三极管的集电极状态。
2. measure_transistor 函数：
3. • 打开基极（设置为高电平），等待一段时间使电路稳定，然后读取集电极的状态。
   • 关闭基极（设置为低电平），并返回集电极的状态。
3. Transistor_Check 函数：
4. • 调用 measure_transistor 函数获取集电极的状态。
   • 在屏幕上显示集电极的状态。

（2）实现

#Transistor
# 设置 GPIO 引脚
base_pin = Pin(20, Pin.OUT)
collecter_pin = Pin(21, Pin.IN)

# 初始化
base_pin.value(0)

# 测量三极管
def measure_transistor():
    base_pin.value(1)  # 打开基极
    time.sleep(0.1)     # 等待稳定
    collector_value = collecter_pin.value()  # 读取集电极状态
    base_pin.value(0)  # 关闭基极
    return collector_value

def Transistor_Check():
    value = measure_transistor()
    display.text(font1, "Value="+str(value) , 10, 120)

6.UI显示界面实现

st7789_res = 0  # 复位引脚
st7789_dc  = 1  # 数据/命令选择引脚
disp_width = 240  # 显示屏宽度
disp_height = 240  # 显示屏高度
CENTER_Y = int(disp_width/2)  # 显示屏垂直中心点
CENTER_X = int(disp_height/2)  # 显示屏水平中心点
spi_sck = Pin(2)  # SPI 时钟引脚
spi_tx = Pin(3)  # SPI 数据输出引脚
spi0 = SPI(0, baudrate=4000000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)

display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                        reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                        dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                        xstart=0, ystart=0, rotation=0)
                        
def Set_Element():
    display.fill(st7789.BLACK)
    if Choose==0:
        display.text(font1, "resistance" , 10, 70)
        f_image = open(res, 'rb')
    elif Choose==1:
        display.text(font1, "capcitance" , 10, 70)
        f_image = open(cap, 'rb')
    elif Choose==2:
        display.text(font1, "LED" , 10, 70)
        f_image = open(led, 'rb')
    elif Choose==3:
        display.text(font1, "inductance" , 10, 70)
        f_image = open(ind, 'rb')
    else:
        display.text(font1, "transistor" , 10, 70)
        f_image = open(tra, 'rb')
    
    for column in range(1,50):
                    buf=f_image.read(100)
                    display.blit_buffer(buf, 1, column, 50, 1)
                    
                    
                  

六、功能展示图及说明

二极管导通返回1 截止返回0

电阻测量，更多细节见视频

电容测量

电感测量

七、心得体会

在完成“元器件特性测试仪”项目的过程中，我深刻体会到理论与实践结合的重要性。通过设计电路和编写代码，我不仅巩固了电阻、电容、电感等元器件的工作原理，还掌握了 ADC、SPI 等接口的使用技巧。调试过程中，我学会了如何排查硬件和软件问题，并通过优化算法提高了测量精度。模块化设计让开发更高效，也便于未来扩展功能。此外，用户体验的优化让我意识到界面友好和操作简单的重要性。最终，项目成功实现，让我充满成就感，也激发了我对更多技术探索的兴趣。这次经历让我明白，耐心、细致和不断学习是完成复杂项目的关键。