利用ESP32和Phyphox描绘电容器电量与电压关系图像
实验场景
1 引言
自从2020年国庆节期间学会了ESP32与Phyphox的蓝牙通信之后,微主就一直想解决电容器电压与电量关系的可视化问题,试图对充电电流积分得出电荷量,然后描绘出电量-电压关系图像。
理想很丰满,现实很骨感,不管怎么调试,就是得不到理想的正比关系图像,甚是急人。
正月初一,微主重新梳理了这个实验,选用2200微法的电容器为研究对象,串联限流电阻为2000欧姆,利用ESP32自带的5伏电源进行充电实验,取得了十分理想的效果。
2 设计思路
实验时,利用IO33脚测量电容器的电压,再通过欧姆定律计算出限流电阻中的电流;将得到的电压电流数据利用蓝牙发送给智能手机中搭载的Phyphox;Phyphox将电流作积分运算,得到电荷量;最后在Phyphox中描绘出电容器的电量-电压曲线。
3 ESP32编程
/*
描绘出电容器的特性曲线。
*/
#include <phyphoxBle.h>
int Pin1 = 33;//读取电容器电压
float Ic = 0;//电容器的电流
float Vc = 0;//电容器的电压
float R = 2000.0; //定值电阻
void setup()
{
PhyphoxBLE::start("Phyphox蓝牙实验");
PhyphoxBleExperiment plotPhotoResistor;
plotPhotoResistor.setTitle("电容器q-u曲线的描绘");
plotPhotoResistor.setCategory("Phyphox蓝牙实验");
plotPhotoResistor.setDescription("张怀华,焦作十一中,本实验用定值电阻R与待测电容器C相串联,测量出电容器的电压、电流、积分出电量,描绘出电容器的q-u曲线。");
//View
PhyphoxBleExperiment::View firstView;
firstView.setLabel("MyView"); //Create a "view"
//Graph
PhyphoxBleExperiment::Graph firstGraph;
firstGraph.setLabel("电容器的q-u曲线");
firstGraph.setUnitX("V");
firstGraph.setUnitY("C");
firstGraph.setLabelX("电压");
firstGraph.setLabelY("电量");
firstGraph.setChannel(1,2);//启用第1、2个蓝牙信道
firstView.addElement(firstGraph);
plotPhotoResistor.addView(firstView);
PhyphoxBLE::addExperiment(plotPhotoResistor);
}
void loop()
{
float Vc = analogRead(Pin1) * 5.0 / 1024.0 / 4.0;//读取电容器两端电压
if (Vc != 0.0)
{
Ic = (5.0 - Vc) / R;//计算电容器内部电流
PhyphoxBLE::write(Vc,Ic);//电压和电流数据利用蓝牙发送
};
delay(10);
PhyphoxBLE::poll();
}
4 Phyphox实验编程
在此实验中,ESP32每10毫秒测量和发送一组电压、电流数据,Phyphox对电流作积分运算电路时,是每个0.01秒将电流值累加起来,累加值除以采样频率100Hz,就得到了冲入电容器中的电荷量。
在Phyphox中以二维码方式添加实验,扫描下面的二维码,可以将本实验加载到手机中。
Phyphox实验加载二维码
5 数据分析
电路搭建成功后,正常进行实验操作,Phyphox就会自动绘制出相关函数关系图像。
在本实验中,依次绘制出了电压-时间关系图像、电流-时间关系图像、电量-时间关系图像和电量-电压关系图像。
实验图像
如果仔细观察电压-时间关系图像和电量-时间关系图像,可以发现电量和电压随时间的变化规律非常相似。
q-u关系图像
将电量-电压关系图像展成全屏,将图像作线性拟合,可以发现电量-电压关系图像是一条过原点的倾斜的直线。电量-电压关系图像的斜率为1988微法,与电容器的标称值2200微法比较接近。
6 结论
在电容器充电过程中,电容器中的电荷量与电容器两端电压成正比例。
实验装置
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